| 作者： | 何清 |
| 专业： | 气候系统与全球变化 |
| 导师： | 缪启龙 |
| 授予学位： | 博士 |
| 授予学位单位： | 南京信息工程大学 |
| 关键词： | 自动气象站;大气边界层;边界层结构;近地层风速;风速廓线 |
| 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。 |