若尔盖高寒湿地-大气间水热交换湍流通量的日变化特征分析

湿地近地面水热交换对陆面过程乃至天气气候变化有着显著影响,准确量化湿地与大气间的水热交换通量具有重要意义。本文利用中国科学院西北生态环境与资源研究院若尔盖花湖湿地陆面过程与气候变化观测场(下称花湖观测场)2017年3月至2018年3月涡动相关系统的观测数据,各季节选取3个典型晴天,分析了若尔盖湿地近地面的感热通量和潜热通量日变化特征,并与鄂陵湖和玛曲草原的观测值进行对比,同时计算了湿地下垫面的能量闭合率。结果表明:若尔盖高寒湿地-大气间的水热交换过程存在着明显的日变化特征。感热通量和潜热通量的日变化过程都为单峰型,在14:00(北京时,下同)-15:00达到最大值,感热通量最大值可达101. 7 W·m-2。潜热通量最大值可达412. 6 W·m-2。寒冷干燥季节的感热通量日平均值比温暖湿润季节大18. 0%;而温暖潮湿季节潜热通量日平均值比寒冷干燥季节高68. 7%。本文还将湿地水热交换过程与玛曲草原以及鄂陵湖湖面的观测数据进行了对比发现:夏季,若尔盖湿地近地面与鄂陵湖湖面向大气输送的感热和潜热总量相当,但湿地日变化幅度远大于湖面,通常为湖面的4～7倍。玛曲草原夏季感热通量日变幅约为若尔盖湿地的1. 5倍,而湿地夏季潜热通量总量约为草原的1. 2倍。在地表向上的通量中,能量不平衡所占的比例:春季27. 7%,夏季22. 7%,秋季15. 7%,冬季19. 4%。湿地全年主要以潜热的形式向大气输送能量,夏季潜热通量占有效能量的比例可达58. 0%。     

鼎新戈壁下垫面近地层小气候及地表能量平衡特征季节变化分析

利用在甘肃酒泉金塔地区进行的 “绿洲系统能量与水分循环过程观测与数值研究” 野外试验中的鼎新戈壁下垫面近地层2年的微气象观测资料, 分析了鼎新戈壁下垫面近地层小气候和能量平衡特征的季节变化规律。结果表明: 鼎新戈壁地区四季的平均风速在2～6 m/s之间, 没有明显的地方性风, 局地环流和局地相互作用可忽略; 冬季8 m向上比湿梯度垂直减小, 其他季节接近等比湿分布。7月, 典型晴天天气下, 能量平衡各量表现出标准的日循环形态, 白天感热通量峰值达到574 W/m2, 地热流量峰值为101 W/m2, 潜热很小, 在夜间和正午时刻存在负水汽输送现象; 然而降水天气下, 地气之间能量传输却以潜热蒸发为主, 感热很小, 地热流量为负值; 无论晴天和阴天, 地表和浅层 (5 cm和10 cm) 土壤温度都表现为准正弦曲线变化; 与敦煌戈壁相同, 土壤温度的活动层基本在10 cm范围以内, 40 cm以下地温已不存在日变化特征; 降水天气下, 地表和浅层土壤温度有随时间减小的趋势。能量平衡各分量均具有明显的季节变化规律, 感热通量季节平均的峰值在250～400 W/m2之间, 在夏季最大, 冬季最小; 潜热通量季节平均的最大值只有15 W/m2; 地气之间能量传输全年都以感热输送为主; 云和降水使夏季能量平衡各分量与晴天相比减少25％左右, 这种影响程度比极端干旱的敦煌荒漠戈壁地区稍大, 而小于半干旱的陇中黄土高原地区。另外, 在这一地区干旱情况很严重, 夏季的Bowen比极值达到62.4, 季节平均值也高达16.5。     

南疆沙漠腹地大气边界层湍流通量特征的观测研究

利用新疆塔中站2006年4月、8月的三维风速。温度和水汽脉动资料,运用涡旋相关法计算得到了春、夏季塔中10m高度的动量、感热和潜热通量。结果表明,塔中地区地表热量输送以感热输送为主。春季每天的最大感热通量变化范围为120—320W·m^-2,月平均值为220W·m^-2;夏季最大感热通量的变化范围为140—340W·m^-2,月平均值为230W·m^-2。感热通量值在夜间为负,白天为正,符号的改变出现在日出、日落前后。夏季潜热通量最大值一般为20—60W·m^-2,平均值为27W·m^-2,潜热通量比感热通量小一个量级。春季动量通量的平均值为-0．063W·m^-2,夏季动量通量的平均值为-0．091W·m^-2。日变化规律比较明显,日出后,动量向下传输增大,在09-10时（地方时）出现一个最大值,随后动量向下传输并开始减小。     

沙漠地区沙尘天气近地层湍流输送特征分析

利用1996－04－20－50－10在内蒙古自治区吉兰泰气象站以及1997－04－05－27在内蒙古自治区阿拉善右旗气象站观测到的风，温，湿廓线资料，应用空气动力学方法，计算了每天各观测时次的流动量通量，湍流感热通量和湍流潜热通量，并且比较分析了荒漠下垫面不同沙尘天气状况下的湍流动量通量，感热通量和潜热通量的日变化。结果表明，在沙漠地区春季无降水天气状况下，晴空条件下，白天热力湍流基于动力湍流，在近地层最重要的物质交换是湍流感热交换，浮尘天气条件下，近地层湍流输送较晴空天气条件下弱；扬沙天气条件下，近地层湍流感热交换和湍流动力量流感热通量的峰值大于交换，并且湍流动量通量的峰值较晴空峰值大将近一个量级，湍流感热通量的峰值大于浮尘天气峰值，但小于晴空条件下峰值，沙尘暴天气条件下，湍流动量通量和感热通量一样都是最重要的湍流交换，湍流交换强于扬沙天气，强的感热对沙漠地局地性沙尘暴的产生和加强起着重要作用。     

青藏高原东坡高原草甸近地层气象要素与能量输送季节变化分析

本文简要介绍了青藏高原东坡理塘大气综合观测站的情况。利用该站20072008年观测资料, 分析比较了青藏高原东坡地区高原草甸下垫面情况下近地层气象要素及能量输送的季节变化特征。结果表明:理塘地区近地层气象要素及能量输送的季节变化显著, 具有明显的水热同期特点。各个季节近地层气象要素和湍流通量, 如风、气温、感热通量、潜热通量等, 日变化显著。风速、动量通量、摩擦速度等要素的平均日最大值和最小值分别出现在下午和日出前。比湿的峰值出现在日出前。辐射和热平衡分量的日均最大值与最小值分别出现在正午及日出前。地表热源强度分析表明, 理塘白天为热源, 在春夏秋三季夜间为弱的热源与冷源交替出现。在雨季, 潜热输送在陆气间热量交换过程中占主导作用, 感热输送是次要的;干季的结果与雨季相反, 感热是首要的。      

青藏高原东坡高原草甸近地层气象要素与能量输送季节变化分析

本文简要介绍了青藏高原东坡理塘大气综合观测站的情况。利用该站2007~2008年观测资料,分析比较了青藏高原东坡地区高原草甸下垫面情况下近地层气象要素及能量输送的季节变化特征。结果表明：理塘地区近地层气象要素及能量输送的季节变化显著,具有明显的水热同期特点。各个季节近地层气象要素和湍流通量,如风、气温、感热通量、潜热通量等,日变化显著。风速、动量通量、摩擦速度等要素的平均日最大值和最小值分别出现在下午和日出前。比湿的峰值出现在日出前。辐射和热平衡分量的日均最大值与最小值分别出现在正午及日出前。地表热源强度分析表明,理塘白天为热源,在春夏秋三季夜间为弱的热源与冷源交替出现。在雨季,潜热输送在陆气间热量交换过程中占主导作用,感热输送是次要的;干季的结果与雨季相反,感热是首要的。     

黑河下游鼎新戈壁近地层能量输送及微气象特征

利用在甘肃酒泉金塔地区进行的"绿洲系统能量与水分循环过程观测与数值研究"野外试验2005年5月16~21日的加强期观测资料,计算并分析了鼎新戈壁下垫面地表辐射平衡、地表能量平衡、地表空气动力学粗糙度、地表反射率以及动量、热量总体输送系数等物理量的变化特征,得到了鼎新戈壁下垫面近地层能量输送及微气象特征:(1)在5月份晴天天气下,太阳辐射各分量表现出了标准的地表辐射平衡的日循环形态,总辐射峰值可达1000 W.m-2以上;净辐射峰值达到526 W.m-2。(2)能量平衡各项都具有明显的日变化规律;白天感热通量最大值可达到400 W.m-2,潜热通量比感热通量小两个量级,地热流量峰值可达100 W.m-2以上;在下午和夜间存在负的水汽输送现象。(3)在中性条件下:z0=1.44×10-3m,CDN=2.1×10-3,CHN=1.8×10-3。(4)5月份地表反射率为0.217,反射率日分布大致呈"U"型。     

鄱阳湖地区复杂地表条件下一次强降水过程的近地面边界层特征

使用鄱阳湖北部70 m气象塔湍流和梯度观测数据,分析了2011年6月6日夜间一次暴雨过程中近地面边界层特征.结果表明,此次过程是在高空低槽和西南急流的天气背景下,受鄱阳湖复杂地表影响产生的局地性强降水.强降水发生前受东南暖平流影响,近地面边界层中水汽累积,不稳定性增加;强降水过程中,近地层感热、潜热通量迅速增加,同时,近地面层湍流动量通量下传和水平输送增加,鄱阳湖的水汽输送加强降水强度.另外,强降水过程中,近地面湍流动能迅速增大并达到最大值,而平均动能的增大发生在强降水结束后,表明地表作用明显,近地面边界层的湍流场为暴雨提供动力条件.尺度分析表明,强降水前,中尺度动量通量占主要地位,降水过程中湍流动量通量显著加强.     

陇中黄土高原植被覆盖和裸露下垫面地表通量和总体输送系数研究

通过对陇中黄土高原地区地表观测资料的分析,研究了该地区地表能量收支各项的平均日变化、小麦不同生长阶段的热通量日变化、总体输送系数平均日变化及其与稳定度的关系。结果表明:该地区白天潜热通量在净辐射通量的分配中所占的份额最大,其次为感热通量,土壤热通量最小;随着小麦的生长,潜热通量在净辐射通量的分配中所占的份额增加,感热通量则呈下降趋势,波文比呈下降趋势;在10m高度处,在小麦地动量总体输送系数Cd的平均值为6.03×10-3,感热总体输送系数Ch的平均值为3.40×10-3;在裸地,动量总体输送系数Cd的平均值为5.18×10-3,感热总体输送系数Ch的平均值为4.08×10-3。在同一观测高度上,Cd小麦>Cd裸地,Ch小麦相似文献   

城市近地层湍流通量及CO2通量变化特征

利用北京325m气象塔47m高度上2006年全年连续观测获得的湍流资料,分析了北京城市近地层动量通量、感热通量、潜热通量和CO2通量的典型日变化、月平均日变化和季节变化特征。分析结果显示:动量通量具有明显的单波峰日变化特征,在15时(北京时间)左右达到最大,季节变化中春季最大,冬季次之,夏、秋季最小;感热通量和潜热通量全年变化范围分别为-92～389W.m-2和-75～376W.m-2,其日变化也表现为单波峰特征。感热通量的日变化受城市下垫面和人为热源影响,入夜后虽然降为负值,但只略小于0。阴雨天感热通量和潜热通量均很小,降雨前后有明显区别。感热和潜热最大值分别在春季3月和夏季6月,最小值都在冬季1月;城市下垫面CO2通量总表现为正值,即净排放,最大值为3.88mg.m-2.s-1,不稳定情况下最小值小于-2mg.m-2.s-1。受到人类活动的影响,CO2通量的日变化特征在工作日与周末有明显区别;由于冬季采暖,CO2通量明显大于夏季;在夜间,CO2通量受进城车辆的影响也出现高值。     

Surface turbulent flux measurements over the Loess Plateau for a semi-arid climate change study

In order to provide high quality data for climate change studies, the data quality of turbulent flux measurements at the station of SACOL (Semi-Arid Climate & Environment Observatory of Lanzhou University), which is located on a semi-arid grassland over the Loess Plateau in China, has been analyzed in detail. The effects of different procedures of the flux corrections on CO₂, momentum, and latent and sensible heat fluxes were assessed. The result showed that coordinate rotation has a great influence on the momentum flux but little on scalar fluxes. For coordinate rotation using the planar fit method, different regression planes should be determined for different wind direction sectors due to the heterogeneous nature of the ground surface. Sonic temperature correction decreased the sensible heat flux by about 9%, while WPL correction (correction for density fluctuations) increased the latent heat flux by about 10%. WPL correction is also particularly important for CO₂ fluxes. Other procedures of flux corrections, such as the time delay correction and frequency response correction, do not significantly influence the turbulent fluxes. Furthermore, quality tests on stationarity and turbulence development conditions were discussed. Parameterizations of integral turbulent characteristics (ITC) were tested and a specific parameterization scheme was provided for SACOL. The ITC test on turbulence development conditions was suggested to be applied only for the vertical velocity. The combined results of the quality tests showed that about 62%–65% of the total data were of high quality for the latent heat flux and CO₂ flux, and as much as about 76% for the sensible heat flux. For the momentum flux, however, only about 35% of the data were of high quality.     

长江三角洲常熟地区近地层湍流特征的研究

利用1999年5－9月长江三角洲常熟地区的湍流脉动观测资料，分析了该地区感热，潜热和动量通量的日变化以及湍流强度和湍流谱特征，结果表明：该地区各能量的日变化与常见情况相同，白天潜热通量的输送占主导地位，感热通量比潜热小得多，且湍流的日变化与天气的关系非常密切，晴天比阴天要大得多。湍流强度和湍流谱的分析结果表明，在近中性条件下，常熟地区各方向湍流强度接近典型平坦下垫面的值。非中性条件下，垂直方向规一化标准差与稳定度的关系都较好地满足1／3次幂定律，水平方向没有垂直方向上的规律好，特别是稳定条件下，数据点分散性大；各风速分量变在高频段满足理论上的－2／3次幂定律，纵向和垂直方向速度谱的峰值频率与典型平坦下垫面上的结果一致，总体输送系数CD，CH与稳定度的关系密切，随稳定度增加有减小的趋势。     

青藏高原西部地表通量的年、日变化特征

利用青藏高原西部地区改则和狮泉河两个自动观测气象站1998年全年每天24个时次的风速、温度和湿度等梯度观测资料,采用湍流相似理论．计算了改则和狮泉河的动量通量、感热通量以及潜热通量。结果表明：改则和狮泉河两地的地表湍流通量都具有明显的季节变化和日变化,且其季节变化的相同点表现在感热通量均在5月份最大,1月份最小：而潜热通量均在8月份最大。不同点表现在改则的潜热通量在12月份最小,狮泉河1～5月平均潜热通量为负,以凝结为主,改则的月平均蒸发及全年的蒸发总量比狮泉河的要大。而其感热通量比后者的都小。日变化幅度随季节变化明显,表现在夏季地表通量的日变化幅度大,冬季要小得多。     

东亚夏季风边缘摆动区陆面能量时空分布规律及其与气候环境的关系

东亚夏季风边缘摆动区既是气候敏感区,也是生态脆弱区和农牧交错带,其特殊陆面能量空间分布格局和演变特征对理解该区域天气和气候变化有重要意义。然而受限于陆面观测资料缺乏,对这部分陆面特征的认识仍非常有限。通过对34 a陆面模拟集成产品的分析,发现夏季风边缘摆动区内潜热和感热通量在空间上表现出明显的过渡特征,由摆动区外的相对均衡状态进入到摆动区内的“突变转换”;陆面能量平衡具有明显的区域特征,能量平衡各分量在纬向和经向都表现出了“阶梯型”的变化。就演变而言,区域平均感热和潜热没有表现出规律性的递减或递增趋势,波动幅度在±20%以内,但在20世纪末存在一个较为明显的摆动相位转换:1997年之前夏季风边缘摆动区夏季风相对活跃,潜热通量总体高于其气候值而感热通量则低于其气候值,之后出现了相反的现象。此外,区内感热和潜热通量对气候环境干湿性质非常敏感,两者存在明显的线性关系。      

Analysis on the Interaction between Turbulence and Secondary Circulation of the Surface Layer at Jinta Oasis in Summer

The kinetic energy variations of mean flow and turbulence at three levels in the surface layer were calculated by using eddy covariance data from observations at Jinta oasis in 2005 summer.It is found that when the mean horizontal flow was stronger,the turbulent kinetic energy was increased at all levels,as well as the downward mean wind at the middle level.Since the mean vertical flow on the top and bottom were both negligible at that time,there was a secondary circulation with convergence in the upper half and divergence in the lower half of the column.After consideration of energy conversion,it was found that the interaction between turbulence and the secondary circulation caused the intensification of each other.The interaction reflected positive feedback between turbulence and the vertical shear of the mean flow.Turbulent sensible and latent heat flux anomaly were also analyzed.The results show that in both daytime and at night,when the surface layer turbulence was intensified as a result of strengthened mean flow,the sensible heat flux was decreased while the latent heat flux was increased.Both anomalous fluxes contributed to the cold island effect and the moisture island effect of the oasis.     

Stability Dependence of the Eddy-Accumulation Coefficients for Momentum and Scalars

From a set of turbulence data collected with a three-axis sonic anemometer/thermometer and described in a companion paper, we simulate the eddy-accumulation process for sensible heat and momentum fluxes. The resulting eddy-accumulation coefficient for momentum clearly depends on surface-layer stability; at neutral stability, its value is 0.63. On supplementing the scalar eddy-accumulation coefficients that we derive from our sensible heat flux data with values of sensible and latent heat flux coefficients reported by Businger and Oncley, we also find that scalar eddy-accumulation coefficients depend on stability, though more weakly than does the momentum coefficient. The coefficients for sensible and latent heat show no significant difference; we, thus, fit them with one function of stability whose value is 0.52 for neutral stratification.     

藏东南峡谷地区不同下垫面地表通量变化特征及其与降水的关系

利用藏东南峡谷地区排龙站、丹卡站、卡布站、墨脱站四个站点2018年11月至2019年10月的涡动协方差仪观测资料,分析藏东南峡谷地区不同位置入口、中段和末端地表通量变化的特征及其与局地降水的关系.研究表明:地表通量月平均日变化特征为夜间潜热通量大于感热通量,日间呈单峰变化特征.排龙站和丹卡站感热11月至次年4月较强,5...