藏北高原大气边界层结构和地表能量研究

摘要

青藏高原地区的陆气相互作用因其在区域上和全球尺度上对我国、东亚乃至全球能量和水循环的影响而显得非常重要，其气候变化及其影响已越来越成为世界各国政府和科学家们关注的重大问题。气候及其变化受到多种因素的影响，远非大气系统运动的长期平均所能反应，而是大气、海洋、陆地(包括冰雪)和生态系统相互作用的结果，还要包括外空(主要是太阳)的影响。因此，关于气候变化的理论和动力学机制必需在大气科学、海洋学、地球物理学和生物学等多学科相互渗透和结合的情况下，才能得到较深刻的认识。亚洲季风系统是全球气候系统中能量和水分循环中的重要组成部分。因此，全球能量水循环试验(GEWEX)亚洲季风之青藏高原试验(GAME—Tibet)和全球协调加强观测期亚澳季风之青藏高原试验(CAMP—Tibet)都将亚洲季风系统作为其主要内容来研究。 本论文首先利用CAMP-Tibet的野外观测数据，分析研究了藏北高原地区大气边界层结构特征、近地层湍流特征和能量交换。然后利用耦合了NCARLSM陆面过程的中尺度模式MM5V3.7对藏北高原地区地表能量和大气边界层结构进行数值模拟试验，并从区域尺度上分析地表能量分布，同时与CAMP—Tibet之2002年IOP期间的单站实测资料做比较，以期从微尺度到区域尺度上加深对藏北高原地表能量和大气边界层结构的认识。得出的主要结论如下： (1)藏北高原大气边界层结构特征 (a)藏北那曲地区边界层高度、比湿等同变化大，边界层较高。边界层高度干季在2211米-4430米之间，雨季在1006米-2212米之间，这主要是因为藏北那曲地区海拔高，日照强，日变化大，并且受亚洲季风影响。干季的边界层高度明显高于雨季时的边界层高度，主要因为雨季空气中水汽含量较大，抑制了边界层的发展。 (b)干季的比湿明显小于湿季比湿，且在干季和雨季都存在逆湿现象。 (c)干季时边界层内水平风风向基本以偏西风为主，雨季时低层2500米以下基本以偏东风为主，上层以偏西风为主。干季近地层水平风速都较小，随高度增加风速迅速增大。雨季边界层内风速都较小。 (2)藏北高原大气湍流特征 通过研究藏北那曲地区归一化风速方差与稳定度的关系，得到垂直风速方差较水平风速方差更满足相似理论，三维风速方差与稳定度的关系都满足1／3定律。归一化温度和湿度方差与稳定度的关系在不稳定条件下满足一1／3定律，近中性条件下比较离散，稳定条件下，归一化温度和湿度方差随稳定度增加而减小。 (3)藏北高原近地层能量交换 (a)分别用涡旋相关法和通量一归一化方差法(Flux-varianceMethods)计算湍流通量，并进行比较，两种方法计算的感热通量相差不到3﹪；通量归一化方差法计算的潜热通量大于涡旋相关法计算值。 (b)根据波文比的平均日变化将观测期(2004年4月18日至6月12日)分为干期和湿期，5月26日之前波文比大于1称为干期，之后波文比小于1称为湿期。干、湿期通量日变化明显，季节变化也有明显的不同；干期感热通量占主导，湿期潜热通量大于感热通量。动量通量的日变化也是比较明显：早晨逐渐增大，午后达最大，然后逐渐减小。湿期与干期动量通量相比，白天动量通量较小，晚上时仍在增加，但干期动量通量在晚上是减小的。 (c)辐射各分量有明显的日变化，在不同季节具有不同的变化特征。太阳短波辐射在季风建立前后和季风中变化不大；季风盛行期大气长波向下辐射大于季风建立前后的大气长波向下辐射值；不同季节地面长波向上辐射有着明显不同的变化规律，季节变化明显，季风前最大值大于季风盛行期；季风前地面短波向上辐射大于季风盛行期的最大值；季风期间净辐射增大，是因为季风盛行期净长波辐射值小于季风前后净长波辐射值，同时季风期比季风前地表反照率减小了30﹪，反射辐射减小，也是季风期间净辐射增大的主要原因。 (4)藏北高原大气边界层结构和近地层能量的数值模拟试验 (a)中尺度模式MM5V3.7能较好的模拟该地区山谷风环流，白天随太阳辐射加热地面，形成谷风；夜间地面冷却增强，形成山风。 (b)在区域尺度上，模拟的地表通量与NCAR／NCEP再分析资料得到的结果比较吻合，同时可以得到雨季时藏北、藏东地区潜热通量大于感热通量，而高原西部感热通量大于潜热通量，这与观测试验分析结果一致。与单站试验结果比较，模拟的感热通量与实测值一致，潜热通量的模拟值和实测值有一定差别。MM5能很好的模拟出风速的日变化，模拟风速小于实测风速，模拟的摩擦速度偏大，显示出模式中粗糙度较大从而降低了风速。 (c)模拟的大气边界层位温、比湿廓线与实测值比较，模拟的位温廓线与实测的位温廓线比较吻合，但模拟值在各高度上都大于实测值，并且模拟的白天混合层高度高于实测值：模拟的比湿与实测的比湿都随高度增加而减小，与位温廓线相对应，午后14：00时模拟值在1500米以下充分混合，实测值在1000米以下充分混合。 本论文用试验分析和数值模拟的方法分析讨论了藏北高原地区大气边界层结构和近地层能量交换，为该地区数值模拟的参数化提供了重要依据。长期的湍流测量，局地平流的评估和通过卫星遥感分析源汇分布的非均匀性，以及边界层水热廓线测量都有助于今后进一步研究高原地区能量与水循环。对潜热通量的研究尚有待进一步提高。因为数值模式在高原区域上的模拟效果还不理想，所以还需要我们不断调整模式，提高其模拟效果。具体来说，就是要提高高原植被／土地利用类型的分辨率，改进陆面过程的参数化方案和边界层湍流方案。如果在模式中加入卫星遥感反演的植被／土地利用类型、地表土壤温度和浅层含水量等地表参数，就可以提高模式模拟能力。尽管文中对此也进行了分析，但本文的工作只是初步的。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及关于学位论文使用授权的说明

致谢

第一章绪论

§1.1引言

§1.2大气边界层结构的研究现状

§1.3青藏高原能量水分循环研究现状

§1.4本论文研究目的和意义

§1.5本论文主要研究内容

参考文献

第二章观测场地及数据资料处理

§2.1引言

§2.2观测场地和野外试验

§2.3观测仪器和数据资料处理

§2.4数据质量控制

参考文献

第三章藏北高原大气边界层结构

§3.1引言

§3.2试验场地、观测仪器和数据处理

§3.3雨季藏北那曲地区大气边界层结构特征分析

§3.3.1雨季藏北那曲地区大气边界层的日变化特征

§3.3.2雨季藏北那曲地区稳定边界层的温度、湿度、风速和风向的垂直分布

§3.3.3雨季藏北那曲地区对流边界层温度、湿度和风速的垂直分布

§3.4干季那曲地区边界层结构的日变化特征

§3.5 干季、雨季边界层结构特征比较

§3.5.1干、雨季边界层高度比较

§3.5.2干、雨季边界层结构比较

§3.6结论与讨论

参考文献

第四章藏北高原近地层湍流特征

§4.1引言

§4.2观测资料和分析方法

§4.3结果分析

§4.3.1近地层湍流谱特征

§4.3.2湍流方差分析

§4.4总结和结论

参考文献

第五章藏北高原近地层能量交换

§5.1引言

§5.2 理论和方法

§5.3野外观测

§5.4两种方法计算的通量比较

§5.5湍流通量的季节变化

§5.6辐射通量分析

§5.7结论与讨论

参考文献

第六章藏北高原地表能量与边界层结构的数值模拟

§6.1引言

§6.2观测场地和资料处理

§6.3模式简介

§6.4试验设计和参数化方案选择

§6.5模拟结果分析

§6.5.1近地面水平风场分析

§6.5.2地表通量的模拟结果分析

§6.5.3边界层结构特征比较

§6.6结论与讨论

参考文献

第七章主要结论、问题与展望

§7.1本论文的主要结论

§7.2问题与展望

附录1无线电探空观测基本情况

在读期间参加的课题和试验

在读期间发表和已经被接受的论文