我国西部高原地区近地层湍流特征的研究

通过对青藏高原第二次大气科学试验(TIPEX)得到的当雄湍流资料的分析,讨论了青藏高原地区的近地层湍流特征.结果显示:速度分量、温度和湿度谱大多满足相似理论的-2/3次方律;高原上无因次垂直速度方差在中性时与前人在平原地区得到的结果比较接近,但高原上无因次水平风速方差值大于平原地区值.在强不稳定层结时,高原观测结果显示无因次垂直速度方差和无因次水平风速方差符合-1/3次方规律.在稳定层结时,风速三个分量的方差都随稳定度z/L的增大有所增大.无因次温度和湿度方差在强不稳定条件下服从-1/3次方规率.稳定条件下无因次温度方差随z/L略有下降趋势,而后趋于常数,无因次湿度方差无明显的规律.在干季以感热通量为主要地面热源,湿季两者贡献相当,潜热通量略大于感热通量.得出了不稳定层结、稳定层结情况下高原的无因次温度结构参数和湿度结构参数与z/L之间的关系,得到了中性层结时整体输送系数的实测结果.     

南极中山站至Dome A考察断面湍流参数特征近地层湍流参数特征

利用南极中山站至Dome A考察断面上3个自动气象站2005～2007年的观测资料和2008年夏季在中山站附近冰盖获取的湍流观测资料,应用空气动力学方法和涡动相关法计算分析了中山站至Dome A断面上近地层各种湍流参数(感热通量,潜热通量,湍流温度、湿度和速度尺度,地表粗糙度,大气稳定度及动量输送系数)的季节变化、日变...     

戈壁地区夏季碳和水热循环及其湍流特征

本文利用2006年夏季大气边界层观测资料,采用涡动相关法分析了我国西北地区戈壁下垫面碳收支及水热循环的规律和特征,并分析了大气湍流特征.结果表明:夏季白天的CO₂湍流通量呈逆输送特征,即CO₂白天向下输送,夜间向上输送,平均数值为-0.199 mg·m^-2·s^-1,整体上表现为碳汇;戈壁地区湿度小,其数值受水平来流的影响较大,日变化特征不明显;温度的归一化标准差与稳定度参数的关系满足Monin-Obukhov Similarity (MOS)理论;温度和CO₂的能谱相似;互谱uc与uθ,wc与wθ相似;水汽和CO₂的输送主要受水平方向湍流的影响.     

绿洲和戈壁近地面层热量和物质输送特征对比

利用甘肃金塔绿洲和戈壁10 m涡旋相关法的观测资料对比研究温度、湿度和二氧化碳浓度(CO₂)的平流和湍流通量特征.结果表明,在典型绿洲-戈壁复杂下垫面上,热量和物质的平流通量比湍流通量的值大1到2个量级;在绿洲和戈壁,受平流输送影响和下垫面强迫,不同性质标量湍流的水平和垂直通量分布具有不同的特征.     

北京城市大气边界层低层垂直动力和热力特征及其与污染物浓度关系的研究

利用2001年3月19~29日和2003年8月11~25日中国科学院大气物理研究所325m大气边界层观测塔资料,分析研讨了北京城市大气边界层低层的垂直动力结构特征及其与污染物浓度分布的关系.对比分析了北京城市大气边界层低层不同高度的风、温度和湿度梯度资料、大气湍流和大气化学观测系统资料,综合分析获取了无因次速度、温度湍流方差和湍流通量、湍能分布特征及其与污染物浓度空间分布的关系,同时分析了北京地区沙尘天气过程中城市边界层低层垂直结构特征及其污染物浓度的分布与变化特征.分析结果表明,在不稳定层结条件下,47和120m高度上无因次速度湍流方差和温度湍流方差遵循莫宁-奥布克霍夫相似规律,并给出相应的拟合公式.稳定大气边界层可按层结参数z′/L分成二分区,z′/L<0.1为弱稳定区,此时相似规律可适用,z′/L>0.1为强稳定区,在此区内无因次速度方差随稳定度增大有增大的趋势,而无因次温度方差则保持不变.白天近地层包含了47和120m,而280m已在近地层之上.对2001年3月北京地区一次沙尘天气过程的城市边界层资料分析发现,320m高度上总悬浮颗粒物浓度最高达到913.3μg/m3,在边界层内大气颗粒物从上层向低层输送,这与锋面过境时低空急流从上层向下发展过程并伴随的强下沉运动有关.     

绿洲和戈壁复杂下垫面平流对湍流特征的影响

利用绿洲和戈壁近地面层湍流实验资料对比研究表明,在不稳定层结条件下,绿洲和戈壁中温度归一化方差满足φθ（z／Λ）=αθ（-z／θ）^-1/3,而绿洲湿度和CO2归一化方差都满足φs（z／Λ）=αs（1-βsz／Λ）^-1/3;受平流影响,绿洲温度归一化方差量值较大,而戈壁CO2方差相对M-O函数关系有一定程度的偏离,湿度方差则完全背离了方差M-O关系;对上述结果分析表明,平流条件下,湿度方差满足关系式σsm^2=D^2σsA^2＋σsB^2;其方差M-O关系由平流输送标量方差值的相对大小所决定。对于湿度和CO2等标量,如果平流输送的标量方差比局地标量方差大得多,则该标量方差观测值就会背离方差M-O关系,当平流输送的标量方差接近或小于局地标量方差时,标量方差观测值基本满足方差M—O关系。     

藏南羊卓雍错湖面大气湍流特征观测分析

湍流运动是大气边界层的本质特征,是地表与大气之间能量和物质交换的主要方式.本文利用2016和2017年4-10月藏南羊卓雍错湖泊涡动观测资料,分析了湖面大气湍流方差和湍流特征量的统计和变化特征.结果表明：（1）不稳定层结下,三维风速分量和超声虚温、水汽密度、CO₂密度的无量纲标准差随稳定度变化符合Monin-Obukhov相似理论的"1/3"或"-1/3"次幂律,垂直风速的拟合效果最好;稳定层结下,除CO₂密度无量纲标准差与稳定度无明显关系外,其他量基本上满足相似性规律;中性条件下,以上物理量的无量纲标准差分别趋近常数：3.57、3.93、0.77、20.91、6.35和11.96.（2）水平方向平均湍流强度（0.60和0.58）大于垂直方向（0.13）,三维方向湍流强度与平均风速的变化呈显著负相关,相关系数分别为-0.39、-0.42和-0.34.（3）湖面湍流动能随风速呈线性增长,增长率达0.45 m/s;近中性层结时湍流动能最大,层结越稳定或不稳定湍流动能均减小.（4）湖泊下午到傍晚动量输送较强,13：00-22：30时间段平均动量通量达0.091 kg/（m·s²）;热量输送以潜热为主,潜热通量日平均值（77.3 W/m²）是感热通量（14.6 W/m²）的5.3倍,感热和潜热通量日变化峰值分别出现在5：30（22.4 W/m²）和16：00（106.6 W/m²）.     

三峡水库澎溪河CO2、CH4气泡释放通量初探

气泡释放是天然水体中水-气交换的重要途径之一.采用改进的倒置漏斗型气泡通量监测装置于2012年3-8月期间对三峡支流澎溪河高阳平湖库湾水域进行气泡释放通量的监测研究.研究期间,研究水域CH4气泡释放通量变化范围为0.01 ～ 23288.64 μmol/(m2·d);CO2气泡释放通量变化范围为0～799.89 μmol/(m2·d).不同常规采样点CH4、CO2气泡释放通量均呈现出高度的时空异质性特征.但CH4气泡释放通量显著高于CO2气泡释放通量,且二者释放过程具有同步性.同国外已有水库监测结果相比,澎溪河回水区高阳平湖库湾水域CH4、CO2气泡释放通量位于中等水平.CH4气泡释放通量约为同期CH4扩散通量的0～ 1893.90％,超量释放下CH4气泡释放通量可达同水域CH4扩散通量的6270.5％±390.0％.CO2气泡释放通量仅占同期扩散通量绝对值的0～ 21.74‰,超量释放下,CO2气泡释放通量亦仅为同期扩散通量绝对值的40.33‰ ±0.93‰.CH4气泡释放通量在支流库湾水域对总通量的贡献不可忽视.     

湍流湿度脉动特性研究——根据淮河流域实验资料

利用淮河流域实验得到的湍流湿度脉动资料 ,应用统计理论、Fourier分析和小波分析方法 ,对湍流湿度脉动的统计特征、谱特征和间歇性特征作了初步分析 .结果表明 :(1)在淮河流域这样的高湿地区 ,水汽对其地表能量平衡 ,能量输送与循环具有重要作用 ;(2)湍流湿度脉动的能谱和互谱在惯性副区基本符合“ - 2 /3”次律和“ - 4/3”次律 ;(3)淮河流域湍流湿度脉动场存在很强的间歇性 ,不符合Kolmogorov湍流理论 .利用离散正交小波变换将湍流湿度脉动场中的耗散事件分离出来 ,通过引入限制因子 ,将湍流脉动场中的耗散事件滤去后 ,能较好地抑制湍流湿度的间歇性 .但与风速脉动相比 ,湍流湿度场间歇性的抑制效果较差 .     

贡嘎山山地暗针叶林带森林土壤温室气体N2O和CH4排放研究

利用静态箱法对贡嘎山森林生态系统峨眉冷杉原始林、演替林以及峨眉冷杉采伐迹地土壤N2O和CH4排放通量进行了测定. 结果表明: (1) 各观测点土壤向大气释放N2O, 土壤为大气N2O的排放源, 而CH4的排放通量均为负值, 土壤为大气CH4的吸收汇, 各观测点N2O年均排放通量的对比关系为峨眉冷杉(Abies fabri)原始林＞采伐迹地>演替林, CH4年均吸收通量则表现为峨眉冷杉原始林＞演替林＞采伐迹地. (2) 各观测点N2O排放通量具有明显的季节变化, 夏季7～8月以及春季2～3月土壤N2O出现两次排放高峰, 冬季及春季3月中旬至4月N2O排放量较低. 各观测点CH4吸收强度的季节变化波动强烈, 规律不明显. 总的来说, 演替林和采伐迹地CH4吸收通量均以5月中旬至7月下旬为最高, 其余时间较低, 而峨眉冷杉原始林到9月份CH4吸收通量仍保持较高的数值. 与原始林相比, 演替林和采伐迹地的CH4吸收能力要弱些, 且采伐迹地的CH4吸收能力更弱, 森林砍伐降低了土壤对大气CH4的吸收能力. (3) 峨眉冷杉原始林N2O排放通量存在明显日变化规律, 且N2O排放通量与气温(r = 0.95, n = 11, a ＜0.01 和5 cm地温(r = 0.81, n = 11, a ＜0.01 呈显著正相关. CH4日变化规律不明显, 与气温、地温均无明显相关关系.     

黄土高原复杂地形上高质量湍流通量数据获取方法

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University,SACOL)湍流观测资料,分析了二次坐标旋转(double rotation,DR)、平面拟合(planar fit,PF)和分风区平面拟合(fetch planar fit,FPF)在复杂地形上的适用性,总结出一套适用于SACOL的总体湍流特征参数化方案.经过超声虚温订正、坐标旋转、空气密度脉动订正以及平稳性检验、总体湍流特征检验、总体质量分级处理,摩擦速度(u*)、感热通量、潜热通量、CO_2通量高质量数据所占比例分别为45%~62%、66%~68%、62%~65%、52%~54%.采用DR得到的高质量数据比例与采用PF相比,u*提高了17%,后三种通量略降低2%~3%.PF和FPF两种结果的差别主要体现在u*上,只考虑主导风向数据DR得到的u*质量仍最好.综合兼顾数据质量和计算工作量,在复杂地形上处理湍流观测资料的最优坐标旋转方法是DR.     

2008年汶川MS8.0地震前后川西含碳气体卫星高光谱特征

2008年汶川地震导致了大量地下含碳气体释放. 本文基于卫星高光谱数据采用差值法获取了汶川地震前后川西地区含碳气体异常的时空分布特征. 结果显示汶川地震前后不同含碳气体异常的时空分布特征不同. 空间分布上,CH₄,CO₂和CO异常分布于震中附近且受断裂控制明显,与热红外异常特征类似;CO和CO₂异常的范围较CH₄大,CO除沿断裂带分布外,在四川盆地也大面积出现. 异常出现时间上,CO₂异常最早,其次为CH₄和CO. 气体来源上,CO₂和CH₄主要来源于地球内部沿断裂带释放,在地球内部还原条件下,CH₄还可由CO₂还原形成;CO异常除了沿断裂带释放和由断裂带释放的CH₄氧化生成外,还由四川盆地渗漏的CH₄氧化生成. 本文结果可用于地震监测预测研究,不仅提供了新的地震前兆观测参数,还为地震热红外异常机制“地球放气温室效应”提供了科学依据,同时对地震引起的地质碳排放研究也有重要意义.      

Kohlendioxid-Messungen in einem Durchfluß-Meßsystem mit einem neu entwickelten CO2-Sensor am Beispiel eines Hartwassersees (Willersinnweiher, Ludwigshafen am Rhein)

The concentrations of free dissolved carbon dioxide in lake water were measured with a newly developed CO₂ sensor, which was installed in a through-flow measurement system. The results of measurements demonstrate the CO₂ dynamics in lake Willersinnweiher. The CO₂ concentrations showed a correlation with the oxidation of CH₄ in the metalimnion and caused shifts in the carbonate system, thus affecting the autochthonous precipitation and dissolution of calcite.

From the results of measurement appears that the CO₂ sensor is capable of very exact measurements of dissolved free CO₂ in lake water. At the same time, the parameter is easily determined in the field without large expenditures.     

中国火山温泉气体地球化学特征及其在火山监测中的应用

中国火山温泉主要分布在吉林长白山、云南腾冲和黑龙江五大连池等火山区。这些火山虽然处于休眠状态,但大面积的温泉分布指示着岩浆房存在的可能性。本文总结了前人研究成果,分析了中国主要火山区温泉气体地球化学特征,并探讨了温泉气体在火山监测中的应用。长白山、腾冲和五大连池火山区温泉气体地球化学性质类似,都以CO₂为主要气体,含量在80%以上,最高可达99%以上,其它气体组分包括CH₄、N₂、O₂、SO₂、H₂S、He和H₂等。长白山火山温泉气体中氦同位素比值（3He/4He）最高,约为4—6R_A,CO₂中碳同位素比值（δ13C）为-7.9‰—-1.3‰,CH₄中碳同位素为-48.0‰—-28.7‰;腾冲火山温泉气体氦同位素比值为3—5.5R_A,CO₂中的碳同位素为-6.49‰—-2.07‰,CH₄中碳同位素为-23.5‰—-9.3‰;五大连池火山温泉气体氦同位素比值约为3R_A,CO₂中的碳同位素比值为-9.6‰—-3.1‰,CH₄中碳同位素为-47.2‰—-44.4‰。3个火山区的温泉气体均显示地幔来源的岩浆气体特征,并在上升运移过程中受地壳或古俯冲物质的影响。     

2013年芦山MS7.0地震前后甲烷排放时空演化分析

为研究地震活动与大气甲烷浓度时空演变之间的关系,以芦山M_S7.0地震为例,基于极轨卫星AQUA上搭载的卫星大气红外探测器(AIRS)获取的甲烷数据产品,通过背景值差值法对该地震前后甲烷柱浓度信息、垂直浓度廓线信息及长时间序列变化信息进行提取,挖掘芦山地震前后甲烷异常排放的时空演化特征.结果表明:2013年1—4月芦山震中区存在明显的甲烷浓度升高;甲烷浓度时空演化趋势为初始排放→激增扩散→聚敛加强→相对减弱→震后排放→回复平静;震前震中区甲烷柱浓度为该地区2008年1月—2016年8月异常最显著的时段.因此认为芦山M_S7.0地震前甲烷排放浓度升高现象或为该地震的前兆信息.      

Monitoring volcanic hazard using eddy covariance at Solfatara volcano, Naples, Italy

An eddy covariance (EC) station was deployed at Solfatara crater, Italy, June 8–25, 2001 to assess if EC could reliably monitor CO₂ fluxes continuously at this site. Deployment at six different locations within the crater allowed areas of focused gas venting to be variably included in the measured flux. Turbulent (EC) fluxes calculated in 30-min averages varied between 950 and 4460 g CO₂ m⁻² d⁻¹; the highest measurements were made downwind of degassing pools. Comparing turbulent fluxes with chamber measurements of surface fluxes using footprint models in diffuse degassing regions yielded an average difference of 0% (±4%), indicating that EC measurements are representative of surface fluxes at this volcanic site. Similar comparisons made downwind of degassing pools yielded emission rates from 12 to 27 t CO₂ d⁻¹ for these features. Reliable EC measurements (i.e. measurements with sufficient and stationary turbulence) were obtained primarily during daytime hours (08:00 and 20:00 local time) when the wind speed exceeded 2 m s⁻¹. Daily average EC fluxes varied by ±50% and variations were likely correlated to changes in atmospheric pressure. Variations in CO₂ emissions due to volcanic processes at depth would have to be on the same order of magnitude as the measured diurnal variability in order to be useful in predicting volcanic hazard. First-order models of magma emplacement suggest that emissions could exceed this rate for reasonable assumptions of magma movement. EC therefore provides a useful method of monitoring volcanic hazard at Solfatara. Further, EC can monitor significantly larger areas than can be monitored by previous methods.     

基于MODTRAN模型对高分五号卫星断层逸出气体探测能力的辐射模拟

地下流体监测数据和地表断层调查都显示构造活动强烈期和大地震前后活动断裂带会伴有大量气体逸出。 中国即将发射的高分五号(GF-5)卫星搭载的大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪及全谱段光谱成像仪两个传感器, 主要以大气气体的探测为应用目标。 本文基于两个传感器的参数设置, 使用大气辐射传输模型, 对断层逸出气体中的水汽、 CH₄和CO₂三种气体在大气中的含量变化对卫星传感器的辐射影响进行了仿真模拟, 分析了两个传感器对水汽、 CH₄和CO₂气体异常的探测能力。 结果表明, GF-5卫星两个红外传感器特定的光谱通道对大气水汽、 CH₄和CO₂气体异常变化均有不同程度的敏感性, 可以期待发展具有较高精度的相关气体遥感反演模型, 用于地震的监测及预测。     

怀安盆地北缘断裂东段土壤气体地球化学特征

活动断裂带的土壤气体地球化学测量在活动断裂危险性评价方面起着重要作用。 本文讨论了怀安盆地北缘断裂东段的土壤气体地球化学特征及其构造意义。 我们于2012年7月和2013年6月在怀安盆地北缘断裂东段的羊窖沟以及张家窑两地现场测量了土壤气体组分的浓度和通量。 测量结果表明: ① 断裂带土壤气H₂、 Rn、 CO₂和Hg浓度空间分布曲线呈现双峰模式, 且断裂下盘土壤气的Rn、 CO₂和Hg浓度较上盘的高; H₂、 Rn、 CO₂和Hg浓度平均值分别是4.61 ppm、 4.81 k Bqm^-3、 0.38%和9 ngm^-3; 土壤气Rn和CO₂的通量平均值分别是6718 Bqm^-2d^-1和49.83 gm^-2d^-1; ② 土壤气Rn和CO₂在两个测区脱气强烈, 羊窖沟地区土壤气CO₂、 Rn和Hg浓度平均值以及土壤气Rn和CO₂通量值较张家窑地区高。 这些结果可能是两个测区断裂活动性差异引起的。     

岩溶湿地表层水体CO2分压时空分布特征及其扩散通量

为揭示岩溶湿地表层水体二氧化碳分压(pCO₂)的时空分布规律及其扩散通量,以我国最大的岩溶湿地贵州威宁草海为研究对象,分别于2019年7月(丰水期)和12月(枯水期)通过网格布点法,系统采集草海表层湿地水体,测定水样理化指标和离子组成,利用PHREEQCI软件计算水体pCO₂,并基于Cole提出的气体扩散模型估算水-气界面二氧化碳(CO₂)的扩散通量.结果表明:草海湿地表层水体丰水期pCO₂的变化范围为0.44~645.65μatm,平均值为(55.94±124.73)μatm;枯水期变化范围为35.48~707.95μatm,平均值为(310.46±173.54)μatm;丰水期水体整体pCO₂低于枯水期,空间上两期水体均呈现东部区域及河流入湖口处pCO₂较高,而中西部区域pCO₂欠饱和的特征.水-气界面CO₂的扩散通量在丰水期变化范围为-43.27~27.16 mmol/(m²·d),平均值(-34.49±12.93)mmol/(m²·d),枯水期变化范围为-33.36~28.15 mmol/(m²·d),平均值(-8.02±15.85)mmol/(m²·d),与其他岩溶湖库相比,水生植物丰富的草海在两个极端水文期CO₂扩散通量相对较低,总体表现为大气CO₂的汇.