半干旱区不同下垫面大气湍流通量比较分析

摘要

在全球变暖背景下，陆-气相互作用愈发受到关注和重视。陆地与地球大气间的相互作用对局地天气、气候有显著影响，甚至能通过大气环流改变全球气候。为了更深入地认识不同条件下，尤其是复杂地形区的陆-气相互作用，利用2007年1月至2008年12月兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）和中科院吉林通榆观测站（包括草原站点、农田站点）的湍流资料，结合常规气象观测数据，采用涡动相关法计算多种下垫面的湍流通量，比较分析半干旱区不同下垫面湍流热通量和动量通量的日变化与季节变化特征，讨论不同陆地类型对近地层湍流活动的影响。并借助中尺度数值模式WRF，对黄土高原复杂地形上夜间稳定边界层中低空急流对近地层湍流的影响进行讨论。为深入半干旱区陆-气相互作用研究、揭示黄土高原复杂地形上低空急流特征及其在陆-气相互作用中的角色提供基础。
　　（1）SACOL、草原站和农田站的感、潜热通量日变化均表现为单峰型，其中三个测站感热通量日峰值可分别达到146.8W·m-2、149.9W·m-2和147.2W·m-2；潜热通量日峰值约为感热通量的40％~75%，年平均最大波恩比在1.0~2.5，比干旱区小1个量级。夜间湍流热通量主要集中于-22.6W·m-2~24.2W·m-2，其中感热通量表现为负值，说明夜间半干旱不同下垫面上均存在不同程度逆温；潜热通量几乎始终为正，表明半干旱区近地层未出现逆湿，水汽始终由地面向上输送。
　　（2）各测站动量通量具有明显日变化，但由于风向、风速差异，通榆站动量通量年平均日峰值可达0.25kg·m-2·s-1，而SACOL仅为0.08kg·m-2·s-1。且通榆动量通量的日变化具有显著季节差异，春、秋季的日较差远大于其他季。
　　（3）黄土高原复杂地形上夏季夜间低空急流由偏南风主导，且以间歇性急流为主，平均间隔0.5至1h便可形成一次急流。与冬季相比，夏季夜间低空急流发生更频繁，急流轴高度更高，主要集中于200.00m~700.00m；急流中心风速更大，约为6.0m·s-1~17.4m·s-1；持续时间更短，基本保持在1h左右。
　　（4）发生于边界层500.00m以下的低空急流对近地层影响显著，尤其是地面风速。有急流时，地面水平风速基本保持在7.7m·s-1~10.6m·s-1，垂直速度也集中于0.2m·s-1~0.3m·s-1。无急流时，水平风速减弱至4.8m·s-1，垂直风速也下降至0.1m·s-1。且LLJ对近地层的影响效应约持续30min，该作用强弱受急流轴高度、急流中心风速与风速垂直梯度等影响。
　　（5）低空急流能通过动力强剪切作用显著增强近地层湍流活动，增加湍流动能，使垂直向湍流强度增强11.2%，湍流动能集中于2.0m2·s-2~3.5m2·s-2。且能减弱大气稳定性，使边界层大气处于0.0023<ζ<0.0065的弱稳定层结中。其虽对湍流热通量的输送无明显影响，但能大幅促进动量通量的垂直输送。
　　（6）黄土高原复杂地形上夏季水平湍涡尺度主要集中于60.00m~250.00m，且u方向湍涡尺度远大于v方向，该结果比森林地区略大；垂直向以小尺度湍涡为主，湍涡尺度比水平向湍涡小1个量级，多小于10.00m。
　　（7）黄土高原复杂地形上，湍流能谱惯性副区尾部略微出现上翘，尤以垂直方向最为明显，“-2/3次律”在黄土高原复杂地形上的适用性仍有待提高。
　　（8）无低空急流时，湍流能谱在低频端出现“浮力副区”，尤以u、v方向更为明显。有低空急流时，“浮力副区”消失，急流轴与地面间的强剪切对近地层u方向湍涡有剧烈的破碎作用，而LLJ引起的动量下传则能增加垂直向低频大尺度湍涡的能量，抑制高频小尺度湍涡的发展。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2研究现状与进展

1.3 研究所存在的问题

1.4 本文的研究工作

第二章 资料与方法

2.1 观测站与观测仪器

2.2 涡动相关法

2.3 数据的质量控制与修正

2.4 WRF模式简介

第三章 半干旱区不同下垫面大气湍流通量的比较分析

3.1 湍流热通量的日变化

3.2 湍流热通量的季节变化

3.3 动量通量的日变化

3.4 动量通量的季节变化

3.5 本章小结

第四章 稳定边界层低空急流特征及其对近地层湍流的影响

4.1 实验方案设计

4.2 低空急流的风温廓线特征分析

4.3 低空急流与环流场的相互作用及其对地面风速的影响

4.4 低空急流对大气稳定度与近地层湍流的影响

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 主要结果与结论

5.2特色与创新

5.3讨论与展望

参考文献

在学期间研究成果

致谢