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。     

南疆一次强沙尘暴的近地层特征和湍流输送分析

利用2006年4月10日沙尘暴过境期间塔克拉玛干沙漠腹地80 m垂直梯度探测系统的实时资料,分析了该地区近地面层气象要素和湍流输送特征的变化过程。结果表明,沙尘暴过境期间,近地层风速有先降低后增大的过程,10 m高度上动量向下输送明显,热量输送只有很小的上传趋势;沙尘暴过境前,近地面为弱稳定的逆温层,空气处于暖干的状态,10 m高度上垂直气流表现为系统性的下沉运动,随着沙尘暴爆发,湍流交换显著增强,空气进入相对冷湿状态,气流有上升运动趋势,但强度不大,仍以水平湍能为主。     

沙漠地区春季近地层气象要素分布规律的观测研究

利用2005年1月至2006年4月朱日和地区20 m气象塔的风向、风速、气温、相对湿度的观测资料,分析沙漠地区春季近地层气象要素的分布规律。结果表明: 春季温度回升,风速最大,相对湿度最小,利于起沙,故沙尘天气频繁。风速满足幂指数率分布规律,并且幂指数m能够很好的反映出风速梯度的变化情况;在沙尘暴、扬沙、背景、浮尘的天气条件下,春季近地面层风速梯度依次增大,湍流动量、热量交换系数依次减小;风向以西南为主。浮尘、扬沙天气各气层平均增温率分别大于或小于同时段的背景大气;沙尘暴期间温度下降,平均降温率为0.61 ℃\5h-1。春季相对湿度的平均递减率(递增率)与平均增温率(降温率)的大小正相关。浮尘天气相对湿度的平均递减率大于同时段的背景大气;扬沙天气相对湿度的平均递减率小于同时段的背景大气;沙尘暴天气相对湿度增大,平均增大率为2.80%\5h-1。     

南极瑞穗站上空动量和感热等湍流通量的观测研究

本文根据南极瑞穗站气温、风等平均廓线资料,利用相似理论通量一廓线关系计算得出了该站的湍流通量,并与西太平洋热带海域和北京地区湍流通量计算结果进行了比较。     

青藏高原东北部冷空气次数和强度变化的特征研究

利用青藏高原东北部68个国家气象站的气象资料,统计了1961—2015年的全区月、季、年冷空气次数、强度和强降温综合强度资料,应用气候诊断方法分析了冷空气次数、强度和强降温综合强度的变化特征及其成因。结果表明：在年尺度上,1961—2015年青藏高原东北部全区冷空气年平均出现次数为49.6次,冷空气次数气候变化倾向率每10 a减少0.600次,减少趋势不显著;全区冷空气年平均强度为0.39,气候变化倾向率每10 a降低0.022,减弱趋势显著;全区冷空气年强降温综合平均强度为0.67,气候变化倾向率每10 a降低0.005,减弱趋势不显著。在季节尺度上,冷空气次数夏季减少的趋势显著,而春季减少的趋势和秋季、冬季增加的趋势不显著;冷空气强度冬季减弱的趋势显著,而其他季节减弱的趋势不明显;强降温综合强度春季增强趋势和其他季节减弱的趋势不显著。1961—2015年大西洋欧洲区极涡面积指数等因子减小以及热带北大西洋海温指数等因子增大是导致全区年冷空气次数减少的主要成因之一,而西藏高原指数等因子增强和热带印度洋海温偶极子指数等因子减弱是导致年冷空气强度减弱的主要原因之一。     

1980—2015年夏季南大洋亚南极锋和极地锋的长期变化研究

本文利用再分析月均海洋温盐数据,分别采用基于物理现象和固定温盐量值的锋面识别标准,探究1980—2015年夏季(1—3月)亚南极锋(Subantarctic Front,SAF)和极地锋(Polar Front,PF)的变化特征。对此时段的长期变化,两类标准给出了基本一致的结果。在绕极平均意义上,SAF和PF的位置虽然存在南北向摆动,但是在1980—2015年并没有显著的长期移动趋势。在整个空间场上,锋面的位移幅度、稳定性和长期移动趋势均有明显的区域差异性,在经过大的地形障碍区时,锋面较稳定,位移幅度较小,而在深海盆区和脱离地形约束的下游,锋面稳定性较低,且经向位移幅度较大。SAF和PF稳定性最高、长期移动趋势最小的区域分别位于印度洋扇区和大西洋扇区。SAF在太平洋扇区的东部海盆区有较显著的长期移动趋势,且南北向位移均存在,PF在印度洋扇区以向极移动为主。在年代和年际尺度上,两类标准给出的结果存在一定的差异,进而分别对两类识别标准的适用性进行了讨论。对于PF来说,温度现象类标准总体上稳定性更高,优于等温线标准。     

北极新奥尔松地区夏季近地面CO2、CH4和N2O浓度的观测研究

2008和2009年夏在北极新奥尔松地区（Ny-Ålesund）不同苔原区域（鸟类保护区、海滩苔原、矿区、人类活动区等）监测CO₂、CH₄和N₂O近地面浓度的时空变化并分析其可能的影响因素。2008年7月25日-8月13日和2009年7月13-26日,在不同观测区域设置常规和非常规采样点采集气体样品共239瓶并妥善保存。实验室内使用气相色谱（GC）测定准确真空瓶中温室气体（CO₂、CH₄和N₂O）的浓度。鸟类保护区的日变化中,2008年鸟类保护区CO₂和N₂O日变化浓度均大于2009年约30 ppm和25 ppb。2008年海滩苔原CO₂浓度均高于2009年约30 ppm;N₂O浓度低于2009年11 ppb;2008年鸟类保护区CH₄浓度低于2009年,而海滩苔原2008年浓度高于2009年,差值均约为0.7 ppm。这些年际变化可能由环境条件（天气变化等）和地表覆盖情况的变化引起。高海鸟活动区（HB）CO₂浓度低于海鸟活动较少的区域（MB 和 LB）;鸟类保护区CO₂浓度低于海滩苔原,N₂O浓度高于海滩苔原,主要原因是海鸟活动和鸟粪增加了土壤营养元素,影响苔藓植被发育的情况并改变上垫面状况。综合不同苔原区域：新奥尔松地区CO₂和CH₄浓度高于ZEP (Zeppelin Station)监测平均浓度,地表向大气输送CO₂和CH₄;而N₂O低于ZEP监测的平均浓度,地表从大气吸收N₂O。不同区域影响因素不同：鸟类保护区、海滩苔原和鸟岛主要是受到海鸟活动影响;矿区主要是受水分和土壤基质影响;站区和机场受到人类活动影响但并不明显,总的来说直接原因是由于地表覆盖情况以及地形不同引起。     

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。     

塔克拉玛干沙漠腹地地表辐射收支特征研究

利用塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站探测的辐射数据,分析了流动沙漠区近地层辐射收支特征以及云和沙尘对其的影响。总辐射在夏季某些特定的天气条件下接近太阳常数。不同天气条件下,辐射收支特征存在较大差异;总辐射受云和沙尘的影响最明显,变幅最大,夏季沙尘暴天气时比晴天减少了80%以上;反射辐射的日变化趋势在各个季节内、各种天气条件下与总辐射非常一致;大气长波辐射所受影响较小,且云和沙尘会使其略微增加;地面长波辐射的变化幅度最小,均在10%以下;净辐射在阴天时略微降低,沙尘天气时明显降低,为负值。观测期间的平均辐射特征与晴天比较接近,平均的总辐射、净辐射与晴天的比值白天基本在0.7左右,说明云和沙尘对塔中的辐射能量有较大的强迫作用。     

塔克拉玛干沙漠夏季晴空对流边界层大涡模拟

为了探索塔克拉玛干沙漠夏季晴空对流边界层湍流结构和热对流运动规律,利用沙漠腹地探空及地表通量观测资料,开展了晴空对流边界层的大涡模拟研究。结果表明：（1）沙漠夏季晴空条件下,对流边界层湍能主要由地表热力浮力对流产生,机械剪切对边界层湍能的贡献较小,小尺度湍涡对湍能的耗散随高度呈减弱趋势,边界层湍能变化呈现间歇性特点。（2）沙漠夏季晴空边界层中存在着有组织的热对流泡现象,热泡最大上升速度可超过4.0 m·s^-1;沙漠热对流运动一般呈羽状和网状分布特征,在上升运动区周围伴随有大片的下沉辐散区域。（3）地表感热和逆温层顶盖强度是控制和影响沙漠对流边界层发展的两个重要因素,感热增大,对流边界层变暖且高度升高;感热减小,对流边界层变冷且高度降低。在感热不变的条件下,逆温层顶盖强度越强,越不利于对流边界层发展,反之则相反。     

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。     

塔克拉玛干沙漠腹地冬季地面反射光谱特征初探

利用塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区冬季453个光谱观测数据,进行了初步的分析探讨,得到了一些新认识,主要有:①碧空条件下,塔中地区沙漠的地面可见光通道反射率约为25.8%,近红外通道反射率约为28.6%;②碧空条件下,沙丘可见光及近红外通道的反射率具有在沙丘各部位,近红外通道的反射率大于可见光通道的反射率,而在沙丘的不同部位间,可见光通道的反射率变化较小,沙丘朝阳坡的可见光及近红外通道的反射率略大于背阴坡;③碧空、昙天、阴天中,可见光与近红外通道的反射率,均是以阴天为最大;④在较晴朗的天气条件下,沙丘的可见光及近红外通道的反射率均随着太阳高度角的增大而减小;⑤霜对沙面可见光及近红外通道的反射率起增加的作用,与无霜时比,可见光通道反射率增大约2.6%,近红外通道的反射率增大约3.5%。     

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路面沙害的空间分布研究

塔克拉玛干沙漠腹地公路芦苇机械防沙体系失效后,在短时间内能够形成强度很大的路面沙害,严重影响交通。路面沙害的空间分布具有规律性:(1)沙垄区的路面沙害强度和发生频率均大于垄间地,而在沙垄次级地貌部位中,沙害强度垄顶>迎风坡>背风坡,但是沙害发生频率背风坡>垄顶>迎风坡;各地貌部位中沙害类型中都以路面积沙为主,沙丘前移压埋为辅。(2)在各种道路横断面中,路堑断面最易发生路面沙害,在各地貌区域都能够发生;零断面沙害发生频率其次,在垄间地比例最高;路堤断面沙害出现最少,只分布在垄间地。(3)道路与主风向大夹角路段的路面沙害发生频率和强度远大于小角度段,但是小角度之间的变化规律不明显。(4)地貌部位、道路断面和路风夹角3因素在空间上呈共轭分布。