塔克拉玛干沙漠塔中大气边界层结构及地—气相互作用观测研究

摘要

本文以塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区为观测研究区，采用2006年4月～2008年10月塔中大气环境观测试验站80m铁塔10层梯度风、温、湿要素，10m、32m和80m三层开路涡动相关探测系统，边界层系留气艇探测，沙尘通量，辐射收支各分量以及标校自动气象站所监测的数据，对塔中沙漠大气边界层结构、动力学参数以及近地层能量收支进行了详细的分析研究。主要结论如下： (1)塔中地区近地层风速廓线四季规律比较相似，明显地分为夜间稳定层结和白天不稳定层结的两组风速廓线；沙漠近地层为中性层结时风速廓线适合对数分布，非中性层结时的风速廓线适合指数律，根据实测资料计算出塔中地区近地层夏季βm和γm分别为4.6和16.4，冬季分别为2.6和19.3。分析了温度廓线的变化规律。塔中近地层春、夏、秋三季在20～30 m之间形成等湿层，在其以上为逆湿，冬季由地面向上处于逆湿状态，但中午前后比湿随高度稍有减小。 塔中沙尘暴持续阶段内，近地层风速廓线满足对数律关系，各气象要素垂直廓线趋于中性，是一个降温增湿的过程。 (2)塔中沙漠大气边界层结构。分析了边界层风廓线，夜间风速最大值出现在200～300 m左右。气温全年在夜间存在逆温现象，尤其冬季全天均存在逆温，逆温层顶的最大高度出现在冬季夜间为417m，逆温层平均厚度为225m，逆温强度最大出现在秋季。比湿，夏季最大，可达8.0 g·kg-1，其次是秋季，在3.0 g·kg-1左右，冬季比湿最小为1.0g·kg-1左右，边界层比湿廓线表明逆湿在夜间和早晨较强，白天较弱。 塔中沙漠边界层平均厚度夜间约为200m，白天约为1485m；夏季最大可达3000m，冬季最小低于100m；沙漠地区边界层高度比较高。 (3)塔中沙漠大气边界层臭氧浓度四季夜间比较低，随着高度上升臭氧浓度增大，到达一定高度后，随高度上升变化的幅度减小；臭氧浓度值冬季最小，夏季最大在60×10-9左右，冬季则低于40×10-9，浓度远比城市如上海低。 (4)塔中地区地表粗糙度长度z0春、夏季平均为0.69×10-4m，秋、冬季平均为1.66×104m；地表粗糙度与风速具有较好的指数衰减关系。塔中零平面位移d春、夏季平均为0.08 m，秋、冬季平均为0.05 m。塔中的Karman常数k约为0.35。摩擦速度和特征温度均表现出明显的日变化特征，摩擦速度随稳定或不稳定程度的增大而减小，最大值出现在z/L=-0.2处。塔中地区的起沙临界摩擦速度u*t为24 cm·s-1。 (5)塔中10m总体输送系数CD年平均值为3.70×10-3，CH为1.68×10-3；10m、32m、80m高度的CD、CH季节变化和日变化显著，都是夏季最大，春季次之，秋季再次之，冬季最小；白天大，夜间小。不同高度的CD、CH均有随高度增加而降低的特点，且随稳定度的增加而减小。 (6)湍流交换系数KD、KH、KE夜间较小，白天较大。春季KD的值在0.19～2.77m2·s-1之间，KH的值在0.012～4,165m2·s-1之间。夏季KD的值在0.21～2.37m2·s-1之间，KH的变化在0.014～3.97 m2·s-1之间，KE的数值相对较小，在0.003～0.829m2·s-1之间。KD和KH均是随着风速与高度的增大而增大。KH/KD夜间小于1，白天大于1。 (7)稳定层结与不稳定层结条件下，沙漠腹地近地层无因次速度分量方差σu/u*、σv/u*、σw/u*和无因次温度方差与稳定度z/L的关系符合1/3幂次律；为了满足更好的相关关系，还可以用其它的指数拟合：近中性层结条件下，沙漠腹地三个方向无因次速度分量方差均接近常数，总体表现为：σu/u*最大，σv/u*次之，σw/u*最小；湍流强度也有同样规律，σu/（u）>σv/（u）>σw/（u）。 (8)湍流动能夏季略高于春季，冬季最小；湍流总动能中水平方向的动能占主导地位，铅直方向的影响较小；强不稳定层结，热力湍能供给率明显强于机械湍能供给率，稳定层结，热力湍能供给率减为负值，表现为抑制作用。无因次扰动动能随稳定或不稳定程度的增大而增大，同时离散度也增大。 (9)比较了湍流热通量的不同计算方法，并依据涡动相关法计算了塔中近地层感热输送通量和潜热输送通量，分析了感热、潜热和土壤热通量的年、日变化规律。根据涡动相关系统资料计算不同高度的感热、潜热通量差异不大，表明沙漠腹地常通量层的存在。 (10)能量收支平衡中，塔中地面热量平衡各分量分别为感热44.6％，潜热11.3％，土壤热通量18.3％，不平衡部分占25.7％；自然沙面分别为感热65.3％，潜热3.3％，土壤热通量18.6％，不平衡部分占12.8％，这种不平衡可能由于土壤热通量测量时表面覆盖层深度偏大所致。 (11)分析了辐射平衡收支各组分量的年、日变化规律，沙漠地区辐射收支中以总辐射和地面长波辐射为主。在夏季某些特定的天气条件下，总辐射可以达到接近太阳常数的极值。对塔中沙漠总辐射、有效辐射进行了气候学计算，拟合效果较好。 (12)沙漠地表反照率，冬季较大，夏季较小；塔中地区反照率年均值为0.300，比同纬度沙漠略高，远高于绿洲和高原。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究意义

1.2大气边界层及地-气相互作用研究进展

1.2.1国外研究进展

1.2.2国内研究进展

1.3本文的研究内容

1.4本文的研究思路和框架

参考文献

第二章 研究区数据采集及处理

2.1研究区概况

2.2仪器及观测项目

2.2.1 80m梯度观测系统

2.2.2近地层能量探测系统

2.2.3边界层垂直廓线探测系统

2.3数据处理及计算方法

2.3.1 80m铁塔梯度探测系统数据处理

2.3.2地表辐射数据处理

2.3.3系留探空系统数据处理

2.3.4涡动相关系统资料处理

参考文献

第三章 塔中及其周边地区天气气候

3.1塔中气候特征

3.1.1气温与降水

3.1.2风速与比湿

3.2塔中与周边气象要素的比较分析

3.2.1气温

3.2.2降水

3.2.3风速

3.3塔中的风沙环境

3.3.1风向与起沙风向

3.3.2沙尘天气日数

3.3.3塔中与肖塘地表沙源粒度特征

3.4小结

参考文献

第四章 塔中大气边界层结构及其动力学参数

4.1塔中近地层结构特征

4.1.1近地层风廓线

4.1.2近地层温度廓线

4.1.3近地层比湿廓线

4.2塔中大气边界层结构特征

4.2.1边界层风垂直结构

4.2.2边界层温度廓线

4.2.3边界层比湿廓线

4.2.4边界层臭氧廓线

4.2.5边界层高度的估算

4.3塔中近地层风廓线拟合

4.3.1半经验理论下的风廓线拟合

4.3.2 Monin-Obukhov相似理论风廓线拟合

4.4塔中一次强沙尘暴天气过程近地层的变化特征

4.4.1地面气象要素的变化特征

4.4.2沙尘暴近地层气象要素廓线特征

4.5塔中大气稳定度

4.5.1大气稳定度分类

4.5.2塔中大气稳定度分布

4.6塔中近地层空气动力学参数

4.6.1塔中粗糙度长度Zo

4.6.2塔中零平面位移d

4.6.3塔中地区Karman常数k

4.6.4塔中摩擦速度和特征温度

4.6.5塔中起沙临界摩擦速度

4.7小结

参考文献

第五章 塔中近地层湍流特征

5.1总体输送系数

5.1.1塔中近地层总体输送系数的变化特征

5.1.2塔中总体输送系数与稳定度的关系

5.1.3塔中总体输送系数与风速变化关系

5.2塔中近地层湍流交换系数的变化

5.2.1春、夏季交换系数的日变化规律

5.2.2春、夏季交换系数随风速变化的规律

5.2.3春、夏季交换系数随高度变化的规律

5.3塔中不同季节无因次方差普适函数

5.3.1无因次速度方差

5.3.2无因次温度方差

5.4塔中湍流强度

5.5塔中湍流动能和无因次扰动动能

5.6小结

参考文献

第六章 塔中沙漠近地层能量收支

6.1沙漠近地层湍流热通量

6.1.1计算方法

6.1.2塔中沙漠近地层能量收支变化

6.1.3塔中沙漠近地层能量通量闭合的讨论

6.2塔中地表净辐射各分量变化规律

6.2.1辐射平衡年变化

6.2.2辐射平衡日变化

6.2.3辐射平衡各分量的对比

6.2.4典型天气下辐射平衡各分量日变化

6.2.5总辐射

6.2.6地表反照率

6.2.7地表有效辐射

6.3小结

参考文献

第七章 主要结论与讨论

7.1主要结论

7.1.1沙漠腹地塔中近地层和边界层的廓线特征及动力学参数

7.1.2沙漠腹地塔中地区近地层的湍流特征

7.1.3沙漠腹地塔中地区近地层热量平衡和辐射平衡特征

7.2本文的特色与创新点

7.3今后的工作

个人简历

附录

致谢