农田植被层上方湍流通量输送特征分析

根据宵田植被层上方的温湿风梯度观测资料,采用基于莫宁－奥布霍夫相似理论的廓线梯度法计算了农田植被层上方的湍流通量,进而确定出拖曳系数、斯坦顿数和道尔顿数。文中检验了用于农田植被层上方湍流通量计算的普适函数的适用性,讨论了湍流通量以及拖曳系数等随稳定度参数、粗糙度高、平均风速等因子的变化规律。结果表明,农田植被层上方的湍流通量随层结构稳定度变化而变化;拖曳系数、斯坦顿数和道尔顿数也不是常数,而是层结     

南沙海域近海层大气湍流结构及输送特征研究

本文根据南沙群岛渚碧礁的一次大气湍流观测资料,分析研究南沙海域的湍流热通量输送、方差相似性、风速各分量谱、温度谱及各湍流通量协谱等大气湍流结构和输送特征,并与陆地下垫面上的结果作了比较,得到了一些有关南沙海域大气湍流输送及湍流结构的新认识。     

对流边界层湍流通量及逆梯度输送参数化分析

\"K\"理论是众多气象预报模式中运用最广泛的湍流参数化方案之一,但无法解释\"逆梯度\"的输送,必须进行修正。最具代表性的修正方案有三种:方案Ⅰ(Deardroff方案)、方案Ⅱ(Holtslag和Moeng方案)和方案Ⅲ(刘烽方案)。本文利用香河的边界层观测资料对上述三种方案进行验证和比较,发现方案Ⅰ的结果在整个对流边界层(Convective Boundary Layer,CBL)呈系统性偏低,与观测不符;方案Ⅱ在CBL中上部能够再现逆梯度输送现象,基本能给出合理的湍流通量垂直分布,但在CBL的下部和上部与观测不符;方案Ⅲ的逆梯度项与高度有关,并在CBL中部达到最大,而其他两个方案中逆梯度项随高度不变。该方案不但在CBL中上部与方案Ⅱ的结果一致,并能合理表达整个CBL内的湍流通量分布,更接近观测结果。     

西太平洋热带海域西风爆发过程湍流通量输送的某些特征

本文根据中、美、日、澳、法等近20个国家在热带海洋全球大气海气耦合响应试验强化期（1992年11月～1993年2月）定点、连续观测获得大气和海洋资料，使用考虑风速和大气层结影响的整体输送动力学公式，计算动量、感热和潜热等的湍流通量。结果表明，西风爆发过程与其他天气过程相比，无论是大气向海洋输送的动量通量，还是海洋向大气输送的感热通量和潜热通量，其值都是最大的。文中还讨论了整体输送公式中的曳力系数、感热交换系数和潜热交换系数更准确的计算方法。     

半干旱区不同下垫面近地层湍流通量特征分析

本文分析了2003～2005年半干旱区退化草地和农田下垫面近地层湍流通量日、季、年的变化特征, 探讨了不同年份的气候背景和下垫面土地覆被对地气交换过程的影响。结果表明: 半干旱区退化草地和农田近地层湍流通量具有明显的日变化、季变化周期; 地气间通量交换年际间的差异主要受当年的气候背景影响, 尤其是降水的影响; 同时还受到下垫面覆被的影响。潜热通量和感热通量的能量分配比率呈反位相变化, 且农田和退化草地的变化趋势相似, 在夏季潜热通量所占比例均超过感热通量; 两种下垫面的波恩比月均值变化趋势十分相似, 量级接近, 夏季低, 春、秋季高; 夏季退化草地和农田下垫面波恩比均小于或等于1。     

夏季北京城市大气边界层湍流通量的塔层观测

利用2003年8月13～26日期间中国科学院大气物理研究所大气边界层气象塔47、120和280 m 3层高度上三维风速和温度脉动的观测资料,结合涡动相关方法,分析了夏季北京市城市下垫面的动量和感热等湍流通量。结果表明：3层高度上动量通量和感热通量的日变化彼此非常接近, 且3层高度上最大感热通量达到200～250 W·m-2。观测期间盛行南风,120 m高度的水平风速小于10 m·s-1。同时分析了由慢响应传感器采集的15个高度上的气温和8个高度上的相对湿度。结果表明：受地表加热影响,320 m高度上气温和相对湿度的日变化非常显著。不同高度上动量通量和感热通量的比较表明：城市下垫面的空气动力不均匀性比热力不均匀性显著。用廓线法计算了32和65 m高度之间的湍流通量,结果表明：1）夏季晴好天气情况下,北京城市下垫面能量输送以感热为主;2）由廓线法计算得到的动量通量、感热通量和由涡动相关法直接测量结果相近。此外还初步讨论了大气边界层温度、湿度垂直廓线随时间的演变。     

边界层湍流通量参数化方案

文章对边界层湍流通量参数方案进行了系统的回顾,尤其是对常用的一阶和湍流功能方案（１１／２ｏｒｄｅｒ）进行了详细的讨论,以期为“九五”攻关任务－模式边界层参数方案的改进打好基础。     

空气动力学方法在湍流通量计算中的误差分析

采用迭代方法检验了在近地面层大气中使用空气动力学方法时,温度、湿度和风速梯度等观测误差对感热和潜热通量计算的相对误差,结果表明,在微风和低温环境中,空气动力学方法的使用受到限制。     

近地面层湍流通量观测误差的比较

本文根据误差理论分析并比较了在近地面层内各种间接确定湍流通量方法的观测误差。空气动力学法由于采用不同的通用函数将造成很大的误差。H扣除法确定潜热通量,当Bowen比较小时误差较小,Bowen比B>1之后误差随B的增大迅速增长。在相同的观测条件下间接法确定湍流通量以Bowen比法和组合法误差最小,实例计算表明组合法的精度最高。     

北京地区一次强沙尘暴过程的大气边界层结构和湍流通量输送特征

利用中国科学院大气物理研究所北京325 m气象塔的风速和温度平均场观测资料和湍流资料,以及北京市气象台地面常规气象资料和逐日08:00和20:00(北京时间)的探空资料,分析了2002年3月18～22日沙尘暴过境前后北京城市边界层结构特征和湍流输送特征,结果表明:1)在沙尘暴爆发前,边界层中水平风速一直较小;气温较高,大气层结稳定,在边界层上部有强大的逆温层.随着冷锋过境,沙尘暴爆发,边界层中水平风速和平均湍流速度急剧增强;温度也突然变化,先迅速增强后又持续下降,逆温层迅速被破坏.2)沙尘暴初期,280 m上为系统性上升气流,而47和120 m则为系统性的下沉气流.随着沙尘暴爆发,湍流动能、向下传输的动量以及向上传输的感热也迅速增大,并且120 m高度的湍能、动量通量以及感热通量明显高于47和280 m,这与北京的局地环流有关.3)本次沙尘暴过程中,120和47 m层的摩擦速度都明显超过了北京的临界摩擦速度,表明局地起沙也是本次沙尘暴过程中北京沙尘的一个重要沙源.     

通量-方差法估算沿海近地面层的湍流通量分析

利用通量-方差法,通过确定速度和温度归一化标准差与稳定度之间的变化关系,估算出东南沿海地区的湍流动量通量和感热通量。我们发现在中性条件下 并不像Tillman等认为是常数,而是随稳定度参数按指数形式变化。与涡动协方差相关测量系统测量结果进行比较发现,通量-方差方法估算结果与测量值两者符合得较好,相关性高,动量通量的相关系数为0.87,而感热通量的为0.95。利用该方法估算沿海近地面层的湍流通量具有一定的代表性。     

地表热通量对陕南强降水的影响

基于通量观测、邻近自动气象观测站和ERA5-Land再分析数据,结合重庆西部暴雨个例,讨论了重庆山地通量观测资料的可靠性和适用性,并对通量观测在2019年度的不同时间尺度变化特征进行分析,结果如下：（1）通量站与邻近气象站有相似的气象背景,通量观测相对于ERA5-land再分析资料更能反映出地表感热和潜热通量在降水期间的时间演变情况,该数据是可靠的,通量站的降水量可以用邻近站点平均降水量代替。（2）三种通量及其增量与温度、相对湿度、风速和降水均呈现出不同的相关关系,其中动量通量与降水和风速为正相关;感热和潜热通量与温度、风速为正相关,与相对湿度为负相关;槽上站的潜热和感热通量的增量与局部降水为负相关,这些特征均表明通量观测可以用于该次暴雨研究中。（3）感热、潜热通量的季节和月变化特征表明在长时间尺度上,地面对大气主要表现为加热和蒸发作用,动量通量的季节变化特征表明春季湍流运动最强而秋季最弱;潜热和感热通量的日变化主要表现为单峰型,即白天以增温和蒸发为主,夜间以冷却和凝结为主;动量通量的日变化也以单峰型为主,即白天湍流活动较强,夜间相对较弱,只有金佛山站在春夏秋三季表现出双峰型,即在夜间也有会出现湍流活动增强的情况。

     

应用通量方差法估算戈壁绿洲下垫面湍流通量的研究

利用“绿洲系统能量与水分循环过程观测试验” 2005年绿洲、戈壁点的观测资料, 分析与讨论了温度、水汽的归一化标准差随稳定度变化的通量方差关系, 应用通量方差法对感热、 潜热通量进行了计算, 并同涡动相关系统的观测结果进行了比较。不稳定条件下, 戈壁点温度归一化标准差随稳定度变化的通量方差关系优于下垫面非均匀性更强的绿洲点, 绿洲点水汽的归一化标准差随稳定度变化的通量方差关系较温度量表现得更好。对同一站点, 归一化温度标准差的通量方差关系并不总是优于水汽的通量方差关系, 其取决于该站点的温度以及水汽的源汇分布情况; 通量方差法对两个站点的感热、 潜热通量均有较好的再现, 但戈壁点感热通量的计算效果优于非均匀性更强的绿洲点。应用通量方差法对潜热通量计算时若采用直接观测的感热通量, 则潜热通量的计算效果具有一定程度的改善。     

A Variational Method for Estimating Near-Surface Soil Moisture and Surface Heat Fluxes

A variational data assimilation method is proposed to estimate the near-surface soil moisture and surface sensible and latent heat fluxes.The method merges the five parts into a cost function,i.e.,the differences of wind,potential temperature,anti specific humidity gradient between observations and those computed by the profile method,the difference of latent heat fluxes calculated using the ECMWF land surface evaporation scheme and the profile method,and a weak constraint for surface energy balance.By using an optimal algorithm,the best solutions are found.The method is tested with the data collected at Feixi Station (31.41°N,117.08°E) supported by the China Heavy Rain Experiment and Study (HeRES) during 7-30 June 2001.The results show that estimated near-surface soil moistures can quickly respond to rainfall,and their temporal variation is consistent with that of measurements of average soil moisture over 15-cm top depth with a maximum error less than 0.03 m~3 m~(-3).The surface heat fluxes calculated by this method are consistent with those by the Bowen ratio method,but at the same time it can overcome the instability problem occurring in the Bowen ratio method when the latter is about-1.Meanwhile,the variational method is more accurate than the profile method in terms of satisfying the surface energy balance.The sensitivity tests also show that the variational method is the most stable one among the three methods.     

西北地区一次沙尘暴过程的地表热通量特征

利用NCEP日平均全球再分析网格点资料,对我国西北地区晴天日与沙尘暴日地表感热通量及潜热通量的差异进行了对比分析.结果表明:沙尘暴爆发前和爆发时,地表感热通量迅速增大,潜热通量急剧减小,地面空气处于一种干热状态,为一热源区,有能量的散失.     

内蒙古半干旱草原能量物质交换的微气象方法估算

根据1998年5～8月和1999年8月在中国科学院内蒙古草原生态系统定位试验站进行微气象观测的资料,作者分析了该地区能量平衡及其各分量的基本特征.结果表明:(1)净辐射通量的转化形式有明显的季节性变化,5～6月份,净辐射能大部分用于感热交换,而后期则多用于潜热交换,5～8月份的日波文比值分别为1.26,1.42,0 41和0.20.(2)观测期间,波文比的日变化特征表现为,早晚变化大不稳定,而白天则相对稳定.(3)用涡度相关方法观测的感热和潜热通量之和与同期的净辐射相比较,前者的结果偏小1 5%左右,两种方法观测到的潜热通量的差异达平均35%左右.(4)半干旱草原CO2通量有明显的日变化,在生长旺期,白天CO2通量强度可达到1.5 mg s-1m-2以上,但在生长后期,1998年和1999年8月份的白天CO2通量强度分别为0.38 mg s-1m-2和0.2 mg s-1m-2左右;其差异与草地土壤水分和植物长势有关.     

半干旱区农田和草地与大气间二氧化碳和水热通量的模拟研究

集成生物圈模型(IBIS)是目前最复杂的基于动态植被模型的陆面生物物理模型之一。通过应用该模型对国际协调强化观测计划(CEOP)半干旱区基准站之一的吉林通榆观测站(44°25′N,122°52′E)草地和农田生态系统2003年全年的CO2和水、热通量变化进行模拟,并将结果与涡度相关法测定的观测值进行了对比分析,以检验IBIS模型在半干旱区的模拟能力。对比结果表明:除CO2通量模拟结果不够理想外,IBIS模型较好地模拟了通榆观测站的感热通量和潜热通量。模拟与观测比较的相关系数均通过了0.05以上显著性水平的信度检验。总体上看,模型对农田生态系统模拟的偏差小于对退化草地的模拟。     

利用船测近海层湍流热通量资料验证OAFlux数据集

美国伍兹霍尔海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution,WHOI)的客观分析海气通量(Objectively Analyzed air-sea Fluxes,OAFlux)数据集中的近海层湍流热通量数据被公认为最可信,并被广泛地用于气候模式模拟结果检验。利用NOAA ETL(Environmental Technology Laboratory)两个固定观测站点的科学试验的船测通量数据库(TOGA COARE试验观测资料和KAWJEX试验观测资料),对OAFlux的热通量进行验证。结果表明:OAFlux的潜热通量普遍高于船测值,并且风速较大时,两者差异较大。风速对潜热通量的变化趋势起主导作用,海表和大气湿度差影响甚微。低风条件下,OAFlux的潜热通量和船测值差异则很小。海面湍流感热交换很弱,通量值本身依然受到风速的主导作用,但由于感热通量值与观测仪器误差十分接近,导致比较分析异常困难。分析结果表明:在上述两个观测试验期内,由于海表空气湿度和大气的湿度差变化不显著,海气相互作用的强度主要取决于海面风速的变化。