塔克拉玛干沙漠湍流尺度

利用塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区近地层32 m高度涡动相关系统2009年1、4、7、10月的湍流观测数据,对流动沙漠地区不同稳定度下的湍流特征进行了分析。结果表明:(1)流动沙漠区在不同季节、不同稳定度条件下的近地层湍流欧拉时间自相关系数R_u(t)、R_v(t)、R_w(t)衰减存在明显的时间差异。春季R_w(t)的衰减最快,夏季3个方向的欧拉时间自相关系数衰减时间相近;(2)欧拉时间自相关系数主要表现出强衰减、逐渐衰减和缓慢衰减3种类型,沙尘天气的欧拉时间自相关系数衰减总体上要强于晴天;(3)湍流的时间积分尺度L_t(z)最小,L_t(x)和L_t(y)大小相近,在沙尘暴发生时,水平风速占主导,而垂直气流很难发展;(4)湍流的空间尺度在不同季节和不同稳定度条件下明显不同:L(x)平均值6.02 m,L(y)平均值6.90 m,L(z)平均值0.73 m;湍流水平空间尺度大多数情况下呈扁平的椭球体,且水平方向呈明显的椭圆形状。     

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几种植物根系分形特征

在塔克拉玛干沙漠腹地采用全根挖掘法挖掘河西菊(Hexinia polydichowma(Ostenf.)H.L.Yang)、沙拐枣(Calligonuin roborovskii A.Los.)、罗布麻(Apocynum venetum L.)、阿克苏牛皮消(Cynanchum amplexicaule Hemsl)根系.运用分形理论对其分形特征进行研究,分析根系分支状况以及根系分形特征与拓扑特征之间的关系.研究发现:(1)在塔克拉玛干沙漠腹地,四种植物根系具有很好的分形特征,分形维数大小与拓扑参数连接总数、外部连接数之间具有较好的相关关系.(2)根丰度是描述根系在土层中扩展能力的有效指标,与根系长度、平均连接长度之间具有很好的指数关系分别可以用以下方程表示:y1=2.7 694e1.5496x,y2=0.0369e2.0 267x(其中y1、y2分别为总根长、平均连接长度,R2分别为:0.9 353、0.9 832),根丰度直接反映了根系空间占有能力与营养物质的吸收效率.通过对塔克拉玛干沙漠腹地四种植物根系分支状况与分形特征的研究表明.分形理论可以很好的反映根系空间占有能力与资源吸收效率,所以说分形理论是对根系几何、功能特征进行定量化研究的有效方法.     

塔克拉玛干沙漠腹地辐射平衡和反照率变化特征

辐射平衡直接影响地气系统物质和能量交换,辐射平衡研究极其重要。本研究使用了2006年8月至2011年12月位于塔克拉玛干沙漠腹地塔中的塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站地表辐射和反照率观测资料,分析了辐射平衡和地表反照率季节变化和年变化以及各种典型天气下日变化的特征,并与其他地区进行了对比。结果表明：沙漠腹地辐射平衡各分量最小值均出现在1月,各分量最大值出现时间不一致,其中短波辐射5月最大,长波辐射7月最大,而净辐射最大值在6月。各辐射分量夏季最大,冬季最小;总辐射四季平均日变化极值低于青藏高原,与黑河戈壁相差不大;反射辐射春季与夏季、秋季与冬季差值较小。短波辐射和净辐射各季日峰值出现在12：00,长波辐射各季日峰值出现时间比短波辐射滞后1～3 h。大气长波辐射各季日振幅较小,约为地面长波辐射的1/5～1/4,且地面长波辐射各季日变化为不对称分布;长波辐射各季日最小值都出现在日出前1 h。多云、浮尘和沙尘暴天气辐射平衡日变化不规则,云量和沙尘对辐射各分量影响明显;沙尘暴日,大气长波辐射峰值可增加18%,而总辐射、反射辐射、地面长波辐射和净辐射峰值分别衰减了57.8%、54.0%、55.8%和21.9%。地表反照率3月最大（0.30）,7月最小（0.25）,平均值为0.27;夏季小,冬季大;晴天早晨和傍晚大,沙尘暴日最大。     

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。     

塔克拉玛干沙漠腹地高大复杂纵向沙垄区沙丘分形特征

为了探讨塔克拉玛干沙漠小尺度风沙地貌形态特征,对沙漠腹地复杂纵向沙垄横断面的上覆沙丘的分形特征进行了研究。沙丘形态野外测量采用RTK(real-time kinematic)技术,并通过南方测绘软件(South Survey)量算形态特征参数。研究结果表明:(1)沙丘形态具有分形特征,饼状沙堆和沙片的分维数是1.292 2,新月形沙丘的分维数是1.286 6,简单线性沙丘的分维数是1.102 5,新月形沙丘链的分维数是1.085;(2)在不同地貌部位之间,分维数差异不大(1.0~1.3),变异系数为0.06,表明复杂纵向沙垄上覆沙丘形态有自相似性;(3)沙丘的各形态特征参数变异系数的空间变化趋势一致,且与分形维数呈显著的线性正相关(P<0.05),表明沙丘形态分形维数能客观反映沙丘形态特征。在塔克拉玛干沙漠腹地纵向沙垄区,沙丘形态分形维数可以作为反映风沙环境特征的定量指标。     

塔克拉玛干沙漠腹地沙尘暴和地表沙物质粒度特征北大核心CSCD

围绕塔克拉玛干沙漠腹地沙尘暴及沙尘暴前后地表沙物质的粒度特征,对塔中地区的沙尘样品开展了粒度参数计算、粒度组分分离和函数模型拟合分析。结果表明:(1)表沙样品的平均粒径为143μm,细沙和极细沙含量占87.02%;沙尘暴过后表沙样品的平均粒径为97μm,极细沙和细沙含量占79.44%。(2)沙尘暴样品的平均粒径为82μm,粉沙和极细沙含量占80.89%。(3)沙尘暴过后表沙样品的平均粒径减小46μm,黏粒、粉沙和极细沙含量增加,表明沙尘暴携带的大量细粒物质对表沙的粒度特征有重要影响。(4)沙尘暴样品粒度随高度的变化主要受控于风速,风速阈值7.7~8.4 m·s^(-1),不同高度平均粒径与平均风速的函数关系,在三维空间中采用二阶多项式曲面模型能够很好地拟合。     

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。     

南极绕极流的表层环流结构和能量分布特征

利用历史的表面漂流浮标资料研究了南极绕极流的平均结构、变化规律和能量特征。强劲的南极绕极流沿着纬向从西向东流动,并伴随着复杂多变的海洋锋面,主导着整个南大洋的海洋环流系统。首先,标准方差椭圆表明,阿加勒斯回流和东澳大利亚暖流是南极绕极流重要的流量补充。在南半球的冬季,南极绕极流的流速随着西风的增强而增强。在南极绕极流经向摆动的影响下,流核上的经向流速比纬向流速具有更加不稳定的特征。另外,南极绕极流从非洲南部开始自西向东逐渐减弱。其次,从能量的角度讨论了南极绕极流的细节特征。平均动能、扰动动能及其均方根在流核区域都很强,扰动动能和平均动能比值的趋势恰恰相反,强(弱)能量分布区域的涡旋耗散反而比较弱(强)。除了扰动动能和平均动能的比值之外,所有的能量形式都呈现了从西向东减弱的趋势。涡动耗散对南大洋北部的平均动能影响更大。     

塔克拉玛干沙漠腹地降水特征

利用塔克拉玛干沙漠腹地塔中气象站与周边3个气象站2000—2014年的气象观测资料,分析沙漠腹地近15 a降水量的年、季、月分布及变化特征,并与同期沙漠周边地区资料进行对比分析。结果表明：塔克拉玛干沙漠腹地近15 a年平均降水量为26.0 mm,比周边同期平均少37.3%,但降水稳定性高于周边各站;塔克拉玛干沙漠腹地降水的年、季、月分布与沙漠周边各站基本保持一致,夏季降水占总降水量的69.3%,且逐年有所增加,对全年降水量的变化贡献最大;沙漠腹地月降水量分布极不均匀,6月降水量最大,占全年降水的41.6%,2月和3月降水量最少,仅占全年的0.7%,降水最多月是最少月近60倍;水汽压在沙漠腹地相对不稳定,但相对湿度相对较稳定;沙漠腹地最长连续降水日年平均2.9 d,最长无降水日数年平均96 d,最长连续无降水日数呈逐年上升趋势。     

塔克拉玛干沙漠腹地土壤热通量变化特征

利用2009-2011年塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站测得的土壤热通量数据,分析了塔克拉玛干沙漠腹地土壤热通量在不同天气条件下的变化特征。结果表明：（1）塔克拉玛干沙漠腹地1 cm处土壤热通量年平均值为1.9 W·m^-2,5、20、40 cm处分别为1.0、0.4、0.4 W·m^-2;1 cm处土壤热通量年最大值为334.1 W·m²,年最小值为-184.2 W·m^-2;土壤热通量基本表现为夏季 > 春季 > 秋季 > 冬季。（2）各土层土壤热通量具有明显的日变化特征。随着土壤深度的加大,土壤热通量的日变化幅度明显减小,最大值出现的时间有一定的滞后性。土壤热通量5 cm出现最大值的时间比1 cm处延迟3 h,延迟速率为0.75 h·cm^-1,20 cm比5 cm出现最大值的时间晚2 h,延迟速率约为0.13 h·cm^-1。（3）不同天气情况下的土壤热通量日变化特征有一定的差异,晴天较为规则,阴天、雨天、沙尘天则较不规则,且1 cm处土壤热通量受天气影响最显著。晴天1 cm处土壤热通量平均值为9.0 W·m^-2;阴天、雨天、沙尘天1 cm处土壤热通量值平均值分别为5.1、-6.1、-1.9 W·m^-2。     

塔克拉玛干沙漠腹地散射辐射特征

本文利用塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站2010年总辐射、散射辐射、直接辐射观测资料分析了塔克拉玛干沙漠腹地的散射辐射变化特征和散射辐射与晴空指数、大气质量的关系。结果表明:散射辐射年曝辐量为3 628.5 MJ·m-2,占年总辐射曝辐量的59.5%,高于全国平均值;散射辐射夏季大（468.3 MJ·m-2）、冬季小（120 MJ·m-2）,日最高值基本出现在正午,夏季最高辐照度达719.2 W·m-2。与晴空指数大于0.7时相比,晴空指数小于0.7时,秋、冬季散射辐射增加。晴空指数>0.3时,散射辐射与总辐射的比值随晴空指数的增加而呈线性递减;晴空指数<0.3时,散射辐射与天文辐射的比值随晴空指数的增加基本呈直线增加。散射辐射随太阳高度角的增大呈指数递增。散射辐射的变化主要集中在大气质量小于5的范围内且随大气质量的增加而迅速降低。     

塔克拉玛干沙漠腹地总辐射变化特征及影响因子分析

利用塔克拉玛干沙漠大气环境观测站(塔中站)直接探测的总辐射资料,对流动沙漠区近地层总辐射的变化特征及影响因子进行了分析。结果表明:总辐射的连续日变化对天气现象有不同程度的反映,天气现象较少的1月逐日总辐射上下变动的离散度较小,4月最大;1月、4月、8月、10月总辐射的平均日变化曲线皆呈正态分布,与同纬度地区比较,其年变幅较小;总辐射瞬时最大值为1 182.6 W·m-2,未超过太阳常数。总辐射随总云量增多而降低,且其在碧空最大,高、中、低云时逐渐降低,阴天Ci、Ac、Sc和Cb的平均总辐射约比晴天时分别减少5%、27%、51%和59%;沙尘使总辐射降低较为显著,风沙季节总辐射日变化与地面风速日变化对应,且主要受控于湍流作用,最大值出现与热力湍流和地面风力有关。     

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。     

塔克拉玛干沙漠腹地秋季陆面过程特征

利用塔克拉玛干沙漠腹地塔中2014年10月的秋季涡动通量数据,分析了塔中秋季陆面过程通量变化特征。结果表明：（1）塔中秋季10月净辐射R_n、感热通量H、潜热通量LE、地表土壤热通量G₀峰值依次为273.0、141.6、5.0、105.0 W·m^-2,平均日总量依次为2.85、2.68、0.08、-0.57 MJ·m^-2,净辐射能量分配以感热能量输送为主。（2）不同典型天气下,净辐射日总量扬沙>晴天>阴天>降水;阴天、扬沙天气H随R_n不同程度削减而减少,降水天气潜热增多导致日变化特征有别于其他天气。（3）10月能量闭合率为79.0%,不同天气能量闭合率阴天>晴天>扬沙>降水,依次为86.8%、83.4%、79.4%、71.4%。（4）地表反照率晴天呈“U”型变化,阴天和扬沙天气地表反照率趋势变缓发生波动现象,降水天气波动较大,趋势先降低后回升。（5）月平均热通量日间为正值,夜间为负值。日间能量闭合率为73.9%,夜间为50.8%,存在较高的能量不闭合。     

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。