夏季风影响过渡区动力学粗糙度变化特征和影响机制研究

摘要

我国是夏季风影响的重点区域，夏季风影响过渡区受夏季风强度和位置变化影响尤为明显，加之下垫面复杂的陆-气作用过程及区域大地形的作用，气候条件复杂多变，气候变化异常敏感，生态环境较为脆弱，冰雹、干旱、沙尘暴、暴雨等天气灾害非常严重。对该地区的研究具有十分重要的意义，动力学粗糙度作为陆面过程及边界层气象学的重要参数，不仅取决于陆面粗糙元特性的影响，这与研究者对其普遍的认识相符，近期的研究同样认为大气状态对其影响也非常明显，粗糙元特性以及大气状态的细微变化都会作用于动力学粗糙度，动力学粗糙度不仅敏感而且富有变化性，在陆面模式及大气数值模式中动力学粗糙度是作为描述陆面过程以及近地层气象状态的基本参数，而且也可用于估算其他通量参数，因此，研究动力学粗糙度的变化特征对改进陆面过程模式的准确度非常关键，本文利用“北方协同观测试验”2008年7月至9月榆中草地站、定西农田站、兴隆山混合型下垫面站以及SACOL站2007年1月至2012年12月的资料，分析了我国夏季风影响过渡区不同下垫面动力学粗糙度参数的变化特征，得出以下结论： （1）大气动力因子对动力学粗糙度的作用十分显著。本文利用中国北方协同观测试验中夏季风影响过渡区北部2008年7-9月榆中站、定西站和兴隆山站观测资料，分别代表草地、农田、混合下垫面，分析了下垫面动力学粗糙度随风向、风速、摩擦速度和综合性动力影响因子（u2/u*）等大气动力因子的变化规律。研究结果表明:动力学粗糙度随风向有明显的变化，因每个风向区间地形植被分布和footprint通量源区大小不同而异，植被越高，地形起伏程度越大，动力学粗糙度越大，footprint通量源区越大，动力学粗糙度越大。动力学粗糙度与风速整体成负相关，即动力学粗糙度随风速的递增而递减，且二者关系在不同下垫面存在显著差异，其中在草地和混合型下垫面的相关性较好，而在农田下垫面相关性较差。动力学粗糙度与摩擦速度的关系相对较为复杂，在小摩擦速度区间随摩擦速度递增而递增，呈正相关关系，在大摩擦速度区间随摩擦速度的递增而递减，呈负相关关系，其中在农田、混合型下垫面均表现出动力学粗糙度与摩擦速度的密切关系，而在草地下垫面则不明显。与此同时，较速度与摩擦速度而言，不同下垫面的动力学粗糙度与综合性动力因子u2/u*均表现出更好的相关性与稳定性，并在盈科农田站进行了验证，动力学粗糙度与综合性动力因子u2/u*呈明显负相关，与动力学粗糙度和风速的变化趋势大体相似，不难看出，相比摩 擦速度，风速对动力学粗糙度的影响更加显著。 （2）大气热力因子对动力学粗糙度的影响显而易见。本文利用中国北方协同观测试验夏季风影响过渡区中部2008年7-9月定西站、榆中站、兴隆山站的资料，分别代表农田、草地、混合型下垫面。在没有剔除大气动力主因子风速对动力学粗糙度的作用条件下，动力学粗糙度与大气热力稳定度Z/L的作用关系尚不明晰。在大气动力条件相似的情况下，剔除了大气动力因子风速对动力学粗糙度的干扰后，不同下垫面动力学粗糙度均在中性层结达到最大值，在大气稳定层结时，动力学粗糙度随大气稳定度Z/L呈显著负相关，当大气处于活跃状态时，动力学粗糙度随大气稳定度Z/L亦呈负相关。这个变化规律与Zilitinkevich通过理论推导得出的变化规律不尽相同，在大气层结不稳定时差别十分明显，本文利用盈科农田站通过验证Zilitinkevich理论值、试验拟合值二者与实测动力学粗糙度的关系，分析得出试验拟合值与实测动力学粗糙不仅离散性弱于Zilitinkevich理论值，而且在大气处于不同状况时，相关性和稳定性均优于Zilitinkevich理论值，可较好地代替实测值，Zilitinkevich理论值在稳定层结下与试验拟合值较为接近，可代替实测值，在不稳定层结与试验拟合值相去甚远，代替实测值会使误差很大。 （3）动力学粗糙度年动态变化性强。SACOL站草地下垫面的地势情况复杂，地形起伏变化较大。主导风为西北风与东南风，受到站点附近的地势影响，该站的西北风风速较大，风频较高，动力学粗糙度受不同风向的影响较大，且表现出很大的差异。动力学粗糙度实际上是一个随大气状态动态变化的物理参数，很大程度下受到地形和下垫面植被的差异影响。SACOL站的动力学粗糙度主要分布在0.0至0.05m的区间内，多年的动力学粗糙度分布情况大致相似，也就是说时间不是改变动力学粗糙度的主要影响因子。北风向和西风向的动力学粗糙度较大，且动力学粗糙度的增大情况存在不明显的周期震荡。对于与SACOL测站类似的非均一性复杂下垫面，由于植被特性不同以及地形地势等因素影响，不同风向的动力学粗糙度变化程度显著不同，其中以北风以及东风的动力学粗糙度较大。北风与东风的动力学粗糙度的年变化特征完全不同，年变化趋势截然相反；北风动力学粗糙度年内变化趋势与榆中地区的气温、降水变化趋势相关，而东风的动力学粗糙度年内变化情况与稳定度年内变化特征相似。

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