利用涡动相关法研究海洋大气边界层湍流特征与海气物质交换

摘要

海洋大气边界层湍流运动特征以及海洋与大气之间的物质交换是海气相互作用研究的重要内容，对理解海洋在全球气候变化中的作用非常重要。涡动相关法作为大气湍流运动的一种直接观测手段，在海气相互作用研究中受到越来越多的重视，但是由于海洋观测环境的特殊性，目前对海气物质交换的研究还很不充分，特别是海气CO2湍流通量的观测还存在一定的不确定性，因此，进一步研究涡动相关系统在海洋上的应用以及后期的资料处理很有必要。
　　利用2006年12月30日至2007年1月16日在我国北黄海海域观测得到的船载涡动相关资料研究海洋大气边界层湍流特征，并对比分析了定点和走航观测条件下的结果。利用2007年10月13日至26日在我国北黄海海域的船载涡动相关系统观测资料，从功率谱的角度分析了 CO2湍流通量观测结果的不确定性，并提出相应的校正方法以减小不确定性。2011年5月1日至5日，采用由超声风速仪与 FMPS组成的涡动相关系统在千里岩岛对纳米气溶胶粒子通量进行观测研究。主要得到以下结论：
　　（1）定点和走航观测资料中，受船体运动影响，风速脉动功率谱有异常高值，经过船体运动校正以后可以去除。定点观测资料在校正前后其它频率区间没有明显变化，而走航观测资料在校正以后出现低频谱值增大的现象，这可能是因为船体平移的低频变化未被完全去除，姿态校正时的坐标旋转使其在其它方向产生分量。
　　（2）将走航观测资料得到的大气边界层湍流运动特征与定点观测资料、其它观测研究的结果相比，可以发现，对无量纲标准差与稳定度之间的相似函数而言，其符合相似理论的1/3次方定律，而且与定点资料、陆地以及其它海域下垫面条件下得到的相似函数可比。对于湍流强度、曳力系数等参数，走航和定点观测资料计算结果的大小存在差异，但是它们与风速之间具有一致的变化趋势。总体而言，走航观测方式可以用于海洋大气边界层中湍流特征的观测。
　　（3）涡动相关系统应用于海气通量观测时可以得到比较合理的动量通量、感热通量以及潜热通量，但是海气 CO2通量的观测结果存在一定的不确定性，主要表现为观测结果的量级偏大。本文从湍流方差谱分布的角度对海气 CO2通量观测结果的不确定性进行分析，结果表明，水汽和温度的功率谱在频率域上分布特征相似，但是与 CO2功率谱之间存在差异，主要表现为低频区对 CO2脉动方差的贡献相对较大，而高频区的贡献则相对较小。经过分析发现，交叉感应引起的噪音信号主要存在于低频（<0.8 Hz），而高频区受交叉感应的影响相对较小，这很有可能是造成功率谱之间存在差异的原因，同时也是 CO2通量观测结果偏大的原因。
　　（4）根据相似理论，某一频率区间湍流运动对CO2通量的贡献与对水汽的贡献相等，在此基础之上，再结合对交叉感应噪音信号分布特征的认识，我们提出了一种利用受交叉感应影响较小的高频区（0.8?1.5 Hz）CO2脉动信号校正CO2湍流通量的方法。计算结果显示，北黄海海域秋季航次海气 CO2通量的直接计算结果为?0.23 mg m?2 s?1，而经过校正以后的结果为?0.039 mg m?2 s?1。这说明交叉感应引起的噪音信号可占观测信号的80％左右，是海气 CO2通量观测结果不确定的主要影响因素，经过校正以后可以得到比较合理的结果。
　　（5）千里岩纳米气溶胶粒子浓度的观测资料显示，观测区域内5月3日发生一次新粒子生成过程，生成初期，新粒子的粒径在20 nm以下，随后可逐渐增长至50 nm左右。新粒子生成时气象条件出现的最明显变化是风向由偏南风转变为偏北风，新粒子的生成可能与之有关。涡动相关法观测的纳米气溶胶粒子通量的计算结果为：新粒子生成时期，各粒径段粒子通量的平均值为6.7×106 m?2 s?1，相应中位数平均值为5.8×106 m?2 s?1，非新粒子生成时期，各粒径段粒子通量的平均值为2.7×106 m?2 s?1，相应中位数平均值为2.1×106 m?2 s?1。整个观测期间，粒子的传输方向各有正负，且粒子通量向上的样本所占比例要高于通量向下的样本所占比例。与非新粒子生成时期相比，新粒子生成时，粒子通量向上的样本所占比例更大，这可能与新粒子的生成发生在低层大气有关。

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1 绪论

1.1 研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本论文研究内容及章节安排

2 数据采集与处理方法

2.1 观测区域介绍

2.2 观测仪器

附图

附表

3 海洋大气边界层湍流特征

3.1 观测资料介绍

3.2 数据质量控制

3.3 大气稳定度

3.4 船体运动对湍流脉动方差的影响

3.5 湍流强度

3.6 湍流方差特征

3.7 湍流输送特征

3.8 本章小结

附图

附表

4 海气CO2通量的涡动相关观测研究

4.1 观测资料介绍

4.2 湍流平稳性检验

4.3 海气通量计算结果分析

4.4 海气CO2通量观测结果的不确定性分析

4.5 海气CO2通量涡动相关观测结果校正

4.6 校正结果验证

4.7 本章小结

附图

5 纳米气溶胶粒子通量的涡动相关观测研究

5.1 观测资料介绍

5.2 粒子数浓度

5.3 湍流平稳性和湍流特征检验

5.4 粒子通量

5.5 本章小结

附图

附表

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 主要创新点

6.3 不足与展望

参考文献

致谢

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