湍流强度定理和湍流发展的宏观机制

湍流是普遍存在而至今仍未被充分理解的自然现象. 简单回顾了湍流理论的发展历史和现状, 指出以不同层次利用和不同方法探讨湍流特征和机制的必要性. 为此利用非平衡态热力学理论将Reynolds湍流和Bénard湍流统一地表述在动量湍流输送定理和湍流强度定理中. 证明了流体湍流发展的宏观原因是速度剪切效应和温度剪切效应共同作用的结果, 速度剪切效应和温度剪切效应也是湍流场相空间轨线不断拉伸和折叠的宏观原因. 并以大气实验资料证明, 湍流强度唯象系数不仅是速度剪切的函数, 还是温度剪切, 即大气热力层结稳定度的函数. 从而以实验事实证明了湍流强度定理的真实性.     

巴丹吉林沙漠与小尺度湖泊夏季地表特征对比分析

利用2009年7 9月"巴丹吉林沙漠陆气相互作用及其对区域气候的影响研究"试验所得观测资料,系统分析了夏季典型晴天下巴丹吉林沙漠和沙湖不同下垫面的辐射和能量收支特征。结果表明:(1)沙漠点和沙湖点土壤温湿度都有明显的日变化,表现为准正弦曲线。地表向下日较差逐步变小,日峰值和谷值都有明显的滞后性。5~10 cm土壤温、湿度受地表温度影响较大,20 cm以下不再有明显的日变化。沙湖点土壤湿度较大,且出现逆湿现象。(2)沙漠点和沙湖点太阳总辐射的日变化趋于一致;沙漠点大气长波辐射、地表长波辐射、有效辐射均比沙湖点略低,地表反射辐射大于沙湖点。沙漠的地表长波有效辐射均小于沙湖点,两观测点净辐射差异较小。(3)两观测点的地表反照率呈"U"形分布;沙漠点的日平均反照率为0.32,沙湖点为0.23。(4)沙漠点以感热输送为主,波文比为3.4;沙湖点则以潜热输送为主,波文比为0.2。     

青藏高原土壤湿度-气候相互影响研究进展

土壤湿度作为一个具有“记忆性”的重要气候变量,可以通过改变地表的能量和水分交换,进而影响局地乃至全球的大气环流,因此受到全球气候观测系统计划的重视。近年来青藏高原土壤湿度观测网（站）建设发展迅速,为局地陆气相互作用研究提供了可靠的数据支撑。本文从不同的土壤湿度资料在青藏高原的适用性、高原土壤湿度的时空变化特征及其对气候的影响综述了近年来的国内外研究进展。由于土壤湿度在时空上的高度变异性,现有相关研究大多使用再分析资料、陆面数据同化资料和卫星遥感数据来补充观测资料进行青藏高原土壤湿度与气候的相互影响研究。但模式选择、算法和实验方案的不同,导致青藏高原土壤湿度的补充资料适用性不同,使得前人对高原土壤湿度如何影响中国及全球气候得出不同结论,故相关问题需要进一步讨论,并提出了后期青藏高原土壤湿度研究需要解决的关键问题。     

巴丹吉林沙漠周边地区降水量的时空变化特征

分析了巴丹吉林沙漠周边17个常规气象测站1951—2005年的逐月降水量及沙尘暴频次和东亚夏季风指数。(1)沙漠周边地区降水量的空间分布明显受地形影响:紧靠沙漠的区域地势低、干旱,各季降水量都小;沙漠外围较远处(特别是受祁连山影响的西南边)地势高、湿润,各季降水量都大;地形增高会使降水量增多1个量级以上,但对其季节配额无明显影响。夏季降水量配额最大,平均高达61.6%。(2)依据各站降水量年际变化间的相关系数及测站间的地域关系和地貌相似程度,可将该区域划为4个分区:一为地势较低、紧挨沙漠、极为干旱的沙漠西北缘区,二为气候较湿、受祁连山影响的沙漠西南缘区(或称祁连山影响区),三为位于巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠之间的民勤区,四为远离沙漠、但与其周边地区地貌相似的沙漠东侧区。(3)1951—2005年的各个年代,4个分区各季降水量由大到小的顺序均为:祁连山影响区、沙漠东侧区、民勤区和沙漠西北缘区,与其平均海拔由高到低的顺序一致;就各季降水量及其配额的年代际演变位相而言,祁连山影响区可以代表整个区域。(4)1971—2005年各分区年降水量呈增大趋势,春季降水量增加尤为显著(增幅约为0.41mm·a-1),夏季降水量有减小趋势;随海拔增高,春季及年降水量增幅加大,夏季降水量减幅减小;祁连山影响区对全区年降水量增大的贡献最大。(5)各季及年降水量与东亚夏季风的强弱间均呈复相关;其中冬、夏季及年降水量与夏季风间的负相关随海拔升高而加大,说明夏季风对沙漠以南高海拔处的降水影响更为显著。(6)各季沙尘暴与降水量间以负相关为主,各分区冬、春季降水量偏多时,其冬、春季及夏季沙尘暴的发生频次一般偏少。     

绿洲边缘夏季小气候特征及地表辐射与能量平衡特征分析

利用“绿洲系统能量与水分循环过程观测试验”加强期(IOP)在甘肃省酒泉市金塔绿洲观测的资料,分析了夏季金塔绿洲边缘的小气候特征及地表辐射收支和地表能量平衡特征。作为绿洲沙漠相互作用的界面,在白天绿洲边缘的垂直运动仍然是以上升气流为主,并且其小气候主要受土壤湿度的影响。中午前后绿洲边缘的总辐射最大值在1000W.m-2左右,净辐射>700W.m-2;在白天,仅有个别天数的感热通量超过100W.m-2,最大值仅为150W.m-2左右。在整个观测期,有超过70%的天数出现负感热通量。而Bowen比在±10-1量级,地表能量不平衡的差额较大,约28%。     

黄河源区草地退化对局地气候环境影响的数值模拟

土地覆盖变化会影响到近地层各气象要素发生不同程度的变化.利用中尺度数值模式MM5,设计了一个控制试验和一个敏感性试验.通过对2003年7月一个月的积分,模拟了黄河源区草原退化对局地气候环境的影响.结果表明,黄河源区草原退化导致该地区2 m高度气温及地表温度明显升高;空气湿度及土壤湿度不同程度减小;草原退化后降水的减小影响到径流减小;草原退化后还引起退化区感热通量增加,潜热通量减小,有效通量(感热通量+潜热通量)减小.与草地农牧化相比,草原退化对气候环境的影响程度更强.     

夏季河西地区绿洲-沙漠环境相互作用热力过程的初步分析

从绿洲和沙漠地面能量平衡方程和水分平衡方程出发,得到了表达绿洲稳定度和绿洲环流的表达式,绿洲地表温度低于沙漠的最主要原因是绿洲地表明显的蒸发。绿洲上大气稳定度的增加对于维持绿洲是一个重要的自我保护机制。从动力学角度来看,绿洲区明显的下沉(上升)运动将使大气稳定(不稳定)。反照率效应将减弱绿洲风环流,相反,蒸发效应会驱动它。绿洲中过多的蒸发使绿洲地表温度低于周围沙漠。这种温度差异使绿洲风环流产生,并且使绿洲区产生下沉运动、沙漠区产生上升运动。     

冬半年青藏高原绕流与中国降水和气温的关系

冬半年中纬度西风带在青藏高原地区产生南北两支绕流,即动力性的南支槽和北支脊,这样的绕流对其周边及下游天气气候有重要影响。本文先分别用600 hPa动力性的南支槽和北支脊各自所在的关键区域的平均涡度与多年平均涡度的差异,表示南支槽和北支脊的强度,然后直观地将南支槽和北支脊强度之差定义为高原绕流强度指数,利用相关分析和合成分析等方法,讨论高原绕流在冬半年平均（10月至次年4月）、秋季、冬季和春季的演变与中国降水和气温的关系。结果表明：高原绕流在冬半年10月至次年4月期间定常的存在,年际变化明显,冬季最强。全球变暖背景下,各时间段绕流强度的变化与中国西北、西南和华南部分地区的降水和气温的关系明显,特别是在冬季。降水关联性最好的是中国西南地区和华南地区,与西北、西南和东北地区的气温变化关系明显。探讨各时间段各层的大尺度大气环流和水汽通量散度、垂直速度等物理量的异常场,亚洲大部分地区自下而上的正压性特征显著,可以很好地解释各时间段高原绕流的异常与中国降水和气温关系。绕流的异常也可能是引发中国冬半年期间高影响天气的原因之一。     

青藏高原边缘积雪辐射特征

利用中国陆地生态系统通量观测研究网络的玛曲站观测的一次降雪过程的资料,对青藏高原东部边缘冬季的降雪、积雪过程的辐射特征进行了分析.研究结果表明;积雪期晴天和降雪过程的向上短波辐射的峰值分别约为降雪前晴天的3和2倍.无积雪晴天地表反射率主要分布在0.175～0.36,新雪地表反射率主要分布在0.8～0.9.大气逆辐射变化较小,降雪过程的最大,积雪时的最小.地表长波辐射则为降雪前最大,降雪时最小.积雪覆盖的晴天比无积雪时的净辐射变化幅度减小,且早上由负转正的时间推迟.     

金塔绿洲主要特征量的数值模拟

 采用RAMS模式模拟了金塔绿洲非均匀地表的空气温度、湿度、风速、地表能量。结果表明,绿洲地表温度明显比周围戈壁和沙漠低,空气湿度明显比周围戈壁和沙漠大,近地层感热通量最大值约为戈壁和沙漠的1/3,近底层潜热通量比戈壁和沙漠大20倍左右。模拟结果与观测值的对比表明,RAMS对绿洲、戈壁和沙漠不同下垫面近地面温度、湿度、感热通量和潜热通量的模拟与实测基本一致。由于湍流的随机性,风速的模拟偏差比较大,这种偏差有一多半是由于非线性偏差造成的。