塔克拉玛干沙漠腹地夏季稳定边界层高度计算与分析北大核心CSCD

利用塔克拉玛干沙漠塔中站2021年7月6—17日加密探空观测数据,分别采用Coen法、Rib法、Liu-Liang法、反转强度法等4种方法进行了稳定边界层高度计算,比较了不同方法计算结果之间的差异,并结合塔中站80 m观测塔梯度探测系统资料,分析了近地面气象因子和稳定边界层高度之间的关系。结果表明:(1)试验期间塔克拉玛干沙漠腹地稳定边界层高度在1000 m以内,采用4种方法计算的平均高度依次为141、269、227、173 m,平均为202.38 m。稳定边界层在日落后开始发展,并在日出前后发展到最厚,采用4种方法计算的稳定边界层高度平均值从22:15的49、257、164、121 m分别上升至07:15的220、290、242、188 m,边界层高度上升趋势明显。(2)采用4种方法计算的稳定边界层高度总体变化趋势一致,但存在个别极端值,极端值出现多与特殊天气现象有关。其中采用Rib法计算的稳定边界层高度分布范围(10~890 m)大于采用其余3种方法计算的高度范围,可能因为Rib法既考虑了热力因素又考虑了动力因素,综合性较好。采用其余3种方法计算的高度略低,原因可能是每个时刻边界层发展并不均匀,夜间4个时刻平均后拉低了总体平均值,观测期间不同个例地面辐射冷却强度和湍流运动强度也会有影响。(3)不同天气条件下采用4种方法计算的稳定边界层高度也不尽相同。在晴朗夜晚条件下,采用4种方法计算的稳定边界层高度平均偏差最小,高度变化趋势相近;在沙尘天气中,采用4种方法计算的稳定边界层高度平均偏差居中,高度差异主要体现在日出或日落前后;雨天情况下,受边界层内各气象要素变化影响,采用4种方法计算的高度整体差异较大,平均偏差也最大。(4)在晴天天气下,采用Coen法确定的稳定边界层高度呈现出明显的升高过程,能够较为完整地描述稳定边界层在夜间的发展变化过程,几乎没有出现突然升高或降低的异常高度值,适用于热力作用显著的晴天;而在特殊天气条件下建议选择Rib法,该方法既考虑了热力作用又考虑到了动力作用的影响,是一个同时涵盖了风、温、湿的综合性参数,计算的边界层高度不确定性最小,更容易减小误差。(5)沙漠腹地稳定边界层高度受到动力和热力因素的共同影响,与湍流动能、风速、地面温度、土壤热通量的相关性较显著,相关系数最大依次为0.9、0.88、0.63、0.5。     

塔克拉玛干沙漠北缘夏季典型晴天近地层湍流能谱特征

利用塔克拉玛干沙漠北缘肖塘地区涡动相关系统三维方向风速（u,v,w）、气温、CO₂、H₂O等观测数据,分析了夏季典型晴天不同大气稳定度条件下湍流功率谱和协谱。结果表明：大部分情况下湍流速度谱分布满足-2/3幂指数率,垂直方向高频段惯性副区符合程度更高,水平方向次之;CO₂和H₂O浓度则符合程度较低;温度谱与无因次频率总体上都具有很好的相关性。垂直风速与径向风速u的协谱斜率拟合值大多数情况下更接近-1,而在近中性层结条件下更符合-4/5斜线。稳定层结条件下的协谱峰值比不稳定层结时更大,且约大一个量级;不稳定层结条件下高频段协谱近直线型下降。u谱对应的谱峰波长随稳定度增加而减小,v谱和T谱对应的谱峰波长随稳定度的增加没有规律性增减;u、v、w、T谱谱峰波长约67~827、69~2417、4~54、12~661 m。     

二维气固两相后台阶流动的大涡模拟

采用大涡模拟、Smagorinsky亚格子应力模型及SIMPLER 算法,数值模拟了气固两相流体后台阶流动中各物理量的输运特性。首先,讨论了后台阶流动中分离涡旋结构和回流区长度随入口速度分布、台阶上游长度的变化情况;然后,用颗粒追踪法,计算了不同入流速度、不同粒径的颗粒在后台阶流场中的扩散行为。计算结果表明,选择抛物线型入口速度分布,能比较好地模拟真实的后台阶流动;在气固两相流动中,颗粒运动是气相涡旋和固相颗粒惯性共同作用的结果,随着颗粒粒径的增加,颗粒对气体涡旋的跟随性逐渐变弱,而其惯性特性表现得越来越显著。当大量颗粒由不同粒径组成时,颗粒的扩散将具有选择性,显示出多尺度耦合现象。所得结果有助于解释风成地貌形态的形成机理,也可以为风沙流风洞模拟实验设计提供一定的理论指导。     

塔中近地层春夏季湍强和湍能变化的观测研究

利用2006年4月和8月塔中地区近地层10 m处的湍流资料,分析了该地区春夏季湍流强度和湍流动能的变化,同时对湍流动能供给率做了讨论。结果表明,在近中性层结条件下,3个方向的湍流强度均接近常数,而无因次扰动动能则随稳定或不稳定程度的增大也有增大趋势;在强不稳定层结条件时,热力湍能供给率明显强于机械湍能供给率,而处于稳定层结条件时,热力湍能供给率则减为负值,表现为抑制作用。     

塔克拉玛干沙漠腹地冬季大气边界层O3廓线分析

为了揭示塔克拉玛干沙漠腹地冬季大气边界层O3的浓度变化特征,利用系留气艇于2008年1月18—25日在塔中地区进行了大气边界层O3观测试验,结合相关资料,初步分析了塔中地区冬季边界层O3浓度垂直分布特征及其与温度、湿度的关系。其结果是:①塔中地区臭氧浓度集中分布在10~50 ppb之间,其中试验期间观测到O3最大浓度值56.1 ppb,最小浓度为2.6 ppb,臭氧的最大浓度基本都在40 ppb左右,日平均浓度为34.4 ppb。②大气边界层O3的浓度廓线可分为峰值型、均匀型、增长型3种,其中均匀型所占比重最大。③大气边界层O3浓度与温度、湿度密切相关,逆温及空气中水汽的增加会导致臭氧浓度降低。④大气边界层O3有明显的日变化,越贴近地面日变化越明显,其变化特征与太阳辐射有着密切关系。臭氧浓度夜晚较低,日出后开始增加,午后达到一天中的最大值;随着日落,臭氧浓度开始减小,在清晨达到最小值;臭氧浓度日最大值出现在17:00,最小值出现在08:00。     

塔克拉玛干沙漠腹地边界层风场特征

利用CFL-03边界层风廓线雷达在塔中开展了边界层风场探测研究,根据2010年4月1日至2010年11月30日连续的边界层风场探测资料,分析了塔克拉玛干沙漠腹地大气边界层风场时空分布特征,得到了4月至11月各月的高空风廓线。结果表明,塔中春秋季风场结构类似,中高层多为西风,风速较大,低层多为东风,风速较小,整层风速与高度成正比;夏季高层风速变小,低层风速增大,东风层增厚,夏季塔中地区上空100～200 m高度层存在明显风速切变带。     

沙漠腹地春夏季近地层大气湍流特征观测分析

利用塔克拉玛干沙漠腹地近地层10 m高度处快速响应探测系统的湍流资料,分析了摩擦速度和特征温度的变化,并且对不同稳定层结条件下无因次速度分量方差和无因次温度方差的普适函数进行详细拟合。研究表明,摩擦速度和特征温度有明显的日变化特征,且摩擦速度的最大值出现在z/L=-0.2处;无因次速度方差在不稳定和稳定层结条件下均符合相似理论的次幂律,但如果考虑到相关性,最佳幂指数可有不同;近中性时则接近常数,并给出了具体数值。无因次温度方差则在夏季不稳定层结条件时符合-1/3次幂律。     

巴丹吉林沙漠夏季大气边界层结构

利用国家自然科学基金项目“巴丹吉林沙漠陆-气相互作用观测试验和研究”于2009年7—9月在巴丹吉林沙漠取得的系留气球、GPS探空等加强观测资料,分析了沙漠夏季大气边界层位温、比湿及风等的日变化特征。研究表明：（1）巴丹吉林沙漠近地面气温日较差较大,比湿的变化与气温相反,白天风速变化大。（2）昼（夜）不平衡能量差额R_d>0（R_d<0）,莫宁-奥布霍夫长度L<0（L>0）,大气层结趋于不稳定（稳定）;白天大部分净辐射能量转换为感热通量,为深厚大气边界层的发展提供热力条件。（3）午前稳定边界层经历了从重建到消退的过程,其上残留层较厚;午后混合层打通残留层发展迅速,近地面层出现明显的超绝热递减层;夜间稳定边界层迅速发展,最大厚度达900 m;（4）从整个边界层来看,午前出现的5层结构在午后变为3层,稳定边界层消失,混合层迅速发展,厚度达到3 000 m。夹卷层厚度最大值为1 500 m,近地面的超绝热层最大达200 m。     

Analysis of atmospheric boundary ozone profiles in winter in hinterland of Taklimakan Desert

In order to reveal the variation characteristics of ozone (O₃) concentration in the atmosphere boundary layer over a desert in winter, an observation experiment was carried out in the Tazhong area by means of a tethered balloon during January 18–25, 2008. The vertical distribution of O₃ concentration and its correlation with temperature and humidity were analyzed based on experimental observation data and related data. Results show that: (1) The concentration of O₃ mainly ranges from 10 to 50 μg/L, with a maximum of 56.1 μg/L, minimum of 2.6 μg/L, and a daily average concentration of 34.4 μg/L. (2) O₃ profiles can be divided into three types: peak, uniform, and growth, where uniform accounts for the majority. (3) Temperature and moisture are influential on O₃ concentrations in atmospheric boundary layer. Temperature inversion and water vapor increase in an atmospheric boundary layer leads to a decrease of O₃. (4) O₃ concentration has an obvious daily change in Tazhong. It is lower at night, begins to increase after sunrise, and reaches a maximum at noon. The maximum appears at 17:00 BJT (Beijing Time), and the minimum appears at 08:00 BJT.     

塔克拉玛干沙漠腹地沙丘表面温度特征初探

塔克拉玛干沙漠腹地沙丘表面温度因不同部位、不同时段差异很大。作者通过冬、夏典型时段的观测数据,对沙丘各个部位表层的温度分布特征做了初步的探讨和分析,主要结论有:①沙丘表面的日最高温度出现在落沙坡,落沙坡与沙丘其他部位的温度差以冬季沙丘右翼为最大。②沙丘表面日较差最大的部位是落沙坡,夏季大于冬季;日较差最小的部位冬季发生在右翼,而夏季则发生在顶部。③沙丘各部位浅层地温,也以落沙坡为最高。④沙丘不同部位表层导温率也有很大的差别。     

塔克拉玛干沙漠腹地近地层湍流能谱特征分析

利用塔克拉玛干沙漠腹地近地层湍流观测资料,计算并分析了不同稳定层结条件的湍流速度谱、温度谱及局地各向同性特征。结果表明,湍流速度谱和温度谱在惯性副区均满足Kolmogorov的-2/3指数规律,且稳定条件的相关系数更高;速度谱满足湍流各向同性的低频限制理论。近中性条件的温度谱和弱不稳定条件的速度谱在高频段有尾部上翘现象;稳定情况下的v谱和近中性条件的u谱、T谱在低频处也有上翘现象。沙漠腹地水平湍流尺度范围介于森林和草地之间,不稳定层结比稳定层结的谱峰更偏向低频端,且峰值尺度更大。     

塔克拉玛干沙漠腹地地表辐射与能量平衡

利用2013年塔克拉玛干沙漠塔中流动沙面地表辐射、土壤热通量、土壤温湿度和湍流通量观测资料,分析了沙漠腹地地表辐射和能量收支特征及闭合状况。结果表明：除潜热通量外,其余地表辐射各分量和能量平衡分量的月平均日变化结果整体均表现为标准的单峰型日循环形态,其中R_s↓与R_s↑变化同步,R_l↑、R_l↓滞后R_s↓0.5 ~ 1 h。各分量均表现出夏季高、春秋季次之、冬季低的季节波动性。干旱和极低的植被覆盖造成沙漠腹地全年潜热通量始终较为微弱,约占净辐射的2.8%,感热通量成为能量的主要消耗形式,约占净辐射的49%。偶尔的降水会刺激潜热通量突然增加。地表反照率相对较高且稳定,日变化呈早晚大、正午小的“U”型趋势,并具有明显的冬季高、夏季低的季节波动性,年均值0.28,月均值0.25~0.32。能量残差各月的日变化也均呈单峰曲线,日出后和日落前能量闭合程度最佳,并出现过闭合现象,全年夏季小,春秋季次之,冬季较大,月平均日峰值5.1~99.9 W·m^-2。土壤表层热储存是影响该地区能量平衡的重要因子之一,考虑表层土壤热存储后,地表能量闭合率达75.3%,能量闭合率夏季 > 春季 > 秋季 > 冬季,白天相比夜间有大幅提升。     

Geomorphology of sand dunes in the Northeast Taklimakan Desert

Three types of sand dunes exist in the Taklimakan Desert, namely compound/complex crescent dunes and crescent chains, compound dome dunes and compound/complex linear dunes. Besides these three compound/complex types, single simple dunes are also distributed throughout the sand sea. The compound/complex linear dunes are developed under acute bimodal wind regimes. Though the ratios of the resultant drift potential (RDP) and the drift potential (DP) are the same as that near the border and adjacent area of the sand sea, the compound/complex crescent and dome dunes are developed, respectively, because of divergence of the sand available, the stress of the sand-moving winds and the time scales of dune formation. The sand supply for the dunes is not from Lopo Nor in the east as previous studies suggested but mainly from local alluvial or lacustrine deposits. The grain size component does not correlate evidently to the morphology parameters of the sand dunes. Analyses of the DP and drift direction suggest that the northeast Taklimakan is an area of low wind energy and the resultant drift direction (RDD) coincides well with the distribution, morphology and scales of the dunes.