不同下垫面空气动力学参数的研究

文中利用中国科学院沙漠研究所与日本国家农业环境技术研究所合作于1990—1994年在中国内蒙古自治区奈曼市半干旱地区沙丘和植被区下垫面观测的微气象数据,根据Monin-Obukhov相似性理论,计算了重度干扰草原、中度干扰草原、轻度干扰草原、无干扰草原、沙丘、沙丘内地、草地、稻田、小麦田、大豆田和玉米田11种下垫面的空气动力学参数粗糙度长度z0,零平面位移d,摩擦速度u*,并分析了它们与水平风速u和Richardson数的关系,比较了不同人为干扰草原生态系统条件下的空气动力学特征。结果表明:地表生物量和覆盖率随着人为干扰强度的增加而减少。不同人为干扰下垫面的粗糙长度与生物量和植被高度以及地表起伏程度有着密切关系;Richardson数也是其影响因子。风速、粗糙度都与摩擦速度成正相关,但对于不同下垫面有所不同,从中可以看到草地对沙漠化有一定的防治作用。同一种下垫面不同时期的空气动力学参数也存在差异。这些结果对建立陆面过程和区域气候模式具有重要的意义。     

松辽盆地松南油页岩地质调查井绳索取心钻进技术

松辽盆地松南油页岩地层水敏性强,钻探施工过程中极易水化、剥落,甚至垮塌。2018年中国地质调查局在扶余-长春岭矿区布置了8口油页岩地质调查井,岩矿心采取率、终孔直径和岩心直径、孔斜率等的要求均较高。通过采用S95+5绳索取心钻进工艺,对钻孔结构、钻头选型、钻井液、钻进参数进行优化,成功地解决了油页岩地层护壁难问题,并且高质量地达到了工程质量要求。总结了油页岩地层绳索取心钻进关键技术。     

我国草原下垫面低层大气湍流结构

利用超声风速仪资料分析了科尔沁草原下垫面低层大气的湍流谱结构，无量纲化湍流速度分量及温度脉动的标准偏差，和湍流通量与稳定度参数的关系。结果表明，草原下垫面低层大气湍流速度谱，在较宽的稳定度范围内， 符合Kolmogorov 相似理论，在惯性副区接近局地各向同性，无量纲化湍流速度分量及温度脉动的标准偏差服从A(1-Bζ)1/3和A(-ζ)-1/3规律， 湍流热通量与稳定度参数ζ存在较好的相关性。     

不同生态系统CO2通量和浓度特征分析研究

本文利用1993～1994年日本国家农业环境研究所与中国科学院沙漠研究所合作在内蒙古奈曼地区实测的7种不同生态系统（沙丘、轻度放牧草原、中度放牧草原、重度放牧草原、无放牧草原、玉米田和大豆田）的净辐射、土壤热通量、两个高度的CO2浓度、温度、湿度和风速等资料，采用空气动力学方法，计算了CO2通量及其与环境和人为干扰因子的关系，并分析了不同下垫面的光合作用特征. 结果表明：各种下垫面CO2通量的共同特点是：在白天，CO2通量和梯度的输送方向是从大气向植被，在中午（11～13时）输送达到负的最大值； 在夜间，CO2通量和梯度输送方向与白天相反，是从植被向大气，在早晨（3～5时）达到正的最大值. 植被覆盖率及生物量不同的下垫面光合作用强度有明显差异，天气状况对光合作用也有一定影响.     

鄱阳湖地区大气边界层特征的数值模拟

采用WRFV2.2中尺度数值模式对鄱阳湖地区200 km×200 km范围内,2009年11月5日00∶00至2009年11月6日12∶00不同高度的气象要素进行了数值模拟,得到了水平分辨率为1 km的鄱阳湖地区大气边界层风、温、湿度场和廓线分布的大气边界层物理特征.模拟结果发现:白天鄱阳湖面上空存在着冷岛效应并伴随湖风,而夜间湖面上空存在着热岛效应并伴随陆风,湖面与陆地之间最大温差可达6 ℃;同时地形以及下垫面类型对鄱阳湖区风场的分布具有很大影响,夜间存在一条东北西南走向的低空辐合带,白天逐渐消失;此外受风场和地形作用湖面上空的湿度分布也不均匀,白天湿度层厚度低而夜晚湿度层厚度高,湖中心右侧湿度值大于左侧湿度值.模拟结果能较好地反映鄱阳湖的大气边界层物理特征,有助于了解鄱阳湖地区区域气候的特点,以及由于地形、地理环境、地表特征所形成的不同高度上的风、温、湿的分布规律和大气边界层物理特征,为鄱阳湖地区局地天气预报、风能资源开发、环境保护等提供了科学依据.     

北京大学陆面过程模式PKULM(Peking University Land Model)介绍及检验

陆面过程模式是气候模式和天气模式的核心组成部分之一.在土壤-植被-大气耦合模式(Soil-Plant-Atmosphere Model, SPAM)的基础上,发展了新一代北京大学陆面过程模式PKULM(Peking University Land Model).本文首先介绍了PKULM的辐射传输、湍流输送、光合作用、土壤水热输送等过程的参数化方案;采用隐式迭代计算框架,发展并应用了一个快速的线性方程组求解算法,提高了模式计算稳定性;提出并使用了二分搜索算法计算气孔阻抗,避免了CLM(Community Land Model)等使用的迭代方法在干旱区不稳定的情况,提高了模式的适用性;采用水势为基础的土壤水分扩散方程,使模式能够模拟土壤饱和区的水分输送过程,为进一步与水文过程模式耦合奠定了基础;还发展了一个地表积水与径流过程的机理模型,提高了模式对地表水分平衡过程的模拟能力;最后,使用"中国西北干旱区陆-气相互作用观测试验"平凉站的资料对模式进行了检验并与NOAH(National Center for Environmental Prediction, Oregon State University, Air Force, and Hydrology Lab model)陆面过程模式的模拟结果进行了比较,结果表明PKULM能够较好地模拟西北半干旱区农田下垫面地气交换过程.     

人工植被和流动沙丘近地面层湍流通量的计算

提出了由Ｂｕｓｉｎｇｅｒ建议的无量纲廓线通用函数形式的近地面层稳定度参数ζ的相似方程分析解。代替了以往采用数值迭代法求ζ，并应用于沙漠人工植被和裸露流动沙丘上的实例资料分析。采用目前广泛应用的空气动力学方法，分别计算了动量和热量交换系数，感热和潜热通量，并由波文比－能量平衡方法进行了验证。结果表明：采用Ｂｕｓｉｎｇｅｒ无量纲通量廓线关系形式的近地面层稳定度参数ζ的相似方程分析解，代替以往惯用的数值     

CONCENTRATION AND FLUX OF CO_2, TURBULENCE FLUXES AND RADIATION BALANCE IN THE NEAR SURFACE LAYER OVER WHEAT FIELD

The gradient of CO_2 concentration, photosynthetically active radiation (PAR). net radiation.soil heat flux, profiles of wind speed, and air temperature and humidity were measured above awheat field during May and June 1985 at Beijing Agro-Ecosystems Experimental Station. Beijing,China. Fluxes of carbon dioxide, sensible heat, latent heat and momentum were calculated byusing the aerodynamic method. The observation site. equipment, calibration techniques, theerrors associated with the measurement, and the computational procedures are described. Theresults show that the diurnal variations of amplitude of CO_2 concentrations were 103.8 to 27. 0. 86.3 to 22.8 and 69.8 to 11.6 ppm: the average CO_2 concentrations were 331.5. 339.9 and 364.6 ppmfor the photosynthesis type, and 369.6. 364.0 and 375.2 ppm for the respiration type at 1. 2 and10 m above surface, respectively, from May 14 to June 15. In the daytime, transfer direction ofthe CO_2 fluxes and gradients is from air to crop canopy, and at noon (1100 to 1300 BT (BeijingTime)) the transfer rate reaches negative maximum value. At night, transfer of CO_2 fluxes andgradients is in the reversed direction and reaches positive maximum in the early morning (0400 to0600 BT). There are strong negative correlations between CO_2 flux and the net radiation (Rn),available energy (H LE). photosynthetically active radiation (PAR) and momentum flux (τ).     

东北地区近百年降水时间序列变化规律的小波分析

利用1905~2005年东北地区哈尔滨、长春、沈阳和大连的降水时间序列资料,采用距平和Morlet小波分析方法,研究了东北地区降水变化的多时间尺度的周期性性变化规律,并对东北地区近期降水状况进行了预测。结果表明:近百年来东北地区年降水量呈现较显著下降趋势,整个东北地区降幅为-5.2mm/10a;长春为-12.7mm/10a;哈尔滨为-7.1mm/10a;大连为-2.7mm/10a;沈阳略为上升趋势为1.3mm/10a。东北地区的年降水量存在着区域性的多重时间尺度下的周期变化特征,2a~3a、5a~6a,10a和50a左右的长期振荡周期具有全域性;长春、哈尔滨年降水的主要控制周期是20a左右;5a~6a的短周期和50年的长周期变化也对年降水有较大影响。     

沙漠-绿洲陆-气相互作用和绿洲效应的数值模拟

本文利用一个已发展的陆面过程参数化方案与大气边界层模式耦合,模拟了半干旱区绿洲戈壁非均匀下垫面的陆面过程及其与大气边界层的相互作用,给出了“绿洲效应”这一自然现象垂直剖面上更为清晰、准确和细致的结构特征.数值模拟的结果与早前的许多观测实验结论相吻合,即“绿洲效应”具有明显的“冷岛效应”和“湿岛效应”;它表现为在绿洲区域比戈壁沙漠区域环境温度低、湿度大、湍流动能输送弱,具有下沉气流而导致与周围戈壁沙漠区域产生水平输送环流.而更加细致地研究这些现象对于深入了解绿洲气候的形成和绿洲的维持机理具有重要的意义.