藏南羊卓雍错湖面大气湍流特征观测分析

湍流运动是大气边界层的本质特征,是地表与大气之间能量和物质交换的主要方式.本文利用2016和2017年4-10月藏南羊卓雍错湖泊涡动观测资料,分析了湖面大气湍流方差和湍流特征量的统计和变化特征.结果表明：（1）不稳定层结下,三维风速分量和超声虚温、水汽密度、CO₂密度的无量纲标准差随稳定度变化符合Monin-Obukhov相似理论的"1/3"或"-1/3"次幂律,垂直风速的拟合效果最好;稳定层结下,除CO₂密度无量纲标准差与稳定度无明显关系外,其他量基本上满足相似性规律;中性条件下,以上物理量的无量纲标准差分别趋近常数：3.57、3.93、0.77、20.91、6.35和11.96.（2）水平方向平均湍流强度（0.60和0.58）大于垂直方向（0.13）,三维方向湍流强度与平均风速的变化呈显著负相关,相关系数分别为-0.39、-0.42和-0.34.（3）湖面湍流动能随风速呈线性增长,增长率达0.45 m/s;近中性层结时湍流动能最大,层结越稳定或不稳定湍流动能均减小.（4）湖泊下午到傍晚动量输送较强,13：00-22：30时间段平均动量通量达0.091 kg/（m·s²）;热量输送以潜热为主,潜热通量日平均值（77.3 W/m²）是感热通量（14.6 W/m²）的5.3倍,感热和潜热通量日变化峰值分别出现在5：30（22.4 W/m²）和16：00（106.6 W/m²）.     

华北地区冬小麦田水热、二氧化碳和甲烷湍流输送特征的实验研究

本文利用2012年4月30日至5月10日华北地区大气湍流实验资料,分析了冬小麦田下垫面温度、湿度、二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)的湍流统计和输送特征,利用涡旋相关法计算的CH4通量值确定了松弛涡旋累积(REA)法计算CH4通量的经验系数.结果表明,不稳定层结下,温度、湿度、CO2和CH4的归一化标准差随稳定度参数z/L的关系满足-1/3幂次关系.热量、水汽和CO2水平方向的湍流输送和垂直方向的比值与稳定度参数z/L存在一定的相关关系,但CH4没有类似特征.实验期间,感热通量数值较低,潜热通量较高;CO2在夜间表现出微弱的向上输送,其余时段为向下输送,可以认为实验站所在地区是碳汇;CH4的湍流输送整体为向下输送,无明显的日变化规律,可以认为是CH4汇.利用松弛涡旋累积法获取CO2和CH4通量的参数取值分别为0.61和0.30.     

云覆盖对流边界层顶部湍流结构参数的研究

应用飞机探测资料分析研究云覆盖对流边界层顶部温度和湿度湍流结构,在考虑对流边界层顶部夹卷过程的基础上得到计算温度和湿度结构参数的公式。应用实际观测资料分析了云覆盖对流边界层顶部的湍流特征．资料分析表明,云外晴空区温度和湿度结构函数值明显高于云内的值．云顶边界清晰,通过界面温度和湿度具有明显的跃变特征．应用观测资料检验了温度和湿度结构参数计算公式,计算结果与观测结果符合较好．     

基于二阶矩闭合模式平衡解的海浪生湍流混合系数解析估计

从次小尺度海洋运动方程和运动近各向同性假定出发,本文给出高确定性的海洋湍流二阶矩闭合方程和特征量变化方程.这组方程描述波动、涡旋和环流等较大尺度运动对海洋湍流的剪切不稳定性生成机制.同时,基于海浪破碎是湍流海面生成主要机制的认识,本文按破碎海浪统计理论给出湍流特征量变化方程的海面边界条件,包括由破碎能量损耗和卷入深度分别确定的海面动能通量和动能耗散率.根据上层海洋湍流特征量方程的平衡解和关于动能耗散率的观测资料,本文得到海浪生湍流混合系数的解析估计.所得到的海浪生湍流动能耗散率与观测资料进行了定性与定量对比,混合系数与先前Prandtl混合长度理论估计的一致性检验.     

南极中山站Pc3地磁脉动特征

根据1992年2月9日军1993年2月9日南极中山站地磁脉动观测资料,选出Pc3脉动事件进行分析研究,重点研究南极中山站Pc3脉动的出现频次、频率特性和振幅特性,并对南极中山站记录的Pc3脉动的激发和传播机制进行理论研究.     

我国西部高原地区近地层湍流特征的研究

通过对青藏高原第二次大气科学试验(TIPEX)得到的当雄湍流资料的分析,讨论了青藏高原地区的近地层湍流特征.结果显示:速度分量、温度和湿度谱大多满足相似理论的-2/3次方律;高原上无因次垂直速度方差在中性时与前人在平原地区得到的结果比较接近,但高原上无因次水平风速方差值大于平原地区值.在强不稳定层结时,高原观测结果显示无因次垂直速度方差和无因次水平风速方差符合-1/3次方规律.在稳定层结时,风速三个分量的方差都随稳定度z/L的增大有所增大.无因次温度和湿度方差在强不稳定条件下服从-1/3次方规率.稳定条件下无因次温度方差随z/L略有下降趋势,而后趋于常数,无因次湿度方差无明显的规律.在干季以感热通量为主要地面热源,湿季两者贡献相当,潜热通量略大于感热通量.得出了不稳定层结、稳定层结情况下高原的无因次温度结构参数和湿度结构参数与z/L之间的关系,得到了中性层结时整体输送系数的实测结果.     

一个区域气候模式对南极2m气温的模拟及其评估

利用ERA40、NCEP 20世纪再分析资料和中国南极中山站到Dome-A断面考察资料,对德国极地与海洋研究所区域气候模式-HIRHAM模拟的南极2 m气温进行了评估,结果发现:(1)模拟的多年平均场空间特征与ERA40和NCEP 20世纪再分析较为接近.(2)模拟存在冷偏差,整个南极地区与EAR40偏冷1.8℃,与NCEP 20世纪再分析偏冷5.1℃.(3)与EAR40偏差存在季节差异,夏季偏冷3.4℃,秋季偏暖0.004℃.进一步分析发现,HIRHAM模式模拟的近地层大气湍流状况与实际状况不同是2 m气温模拟偏差产生的原因:(1)南极夏季近地层观测样本中逆温和非逆温并存,原因是感热通量正负并存,但HIRHAM模式模拟基本全为逆温状况和负感热通量.(2)南极秋、冬季观测基本全为逆温,HIRHAM与之较为吻合,这部分解释了秋、冬季节模式模拟偏差不大的原因.     

一个冰盖近表层热传输模式及其对南极Dome A的温度模拟

根据南极大陆冰盖近表层的物理模型设计了一个垂直一维的冰盖近表层能量传输模式, 采取合理简化的物理过程参数化方案并构造一套完整的数值求解方法, 实现了对冰盖表面及近表层内能量传输过程的数值模拟. 利用最新获取的东南极高原Dome A自动站的气象观测资料, 通过计算冰盖表面能量通量作为模式上边界条件驱动模式求解冰盖表面及近表层内温度的季节变化过程, 将模式模拟结果与4个观测深度(0.1, 1, 3和10 m)的雪冰层温度进行了对比检验, 取得了与观测较为一致的季节变化过程, 并能够揭示出比观测更为细致的冰盖近表层内温度垂直分布结构及其季节变化特征. 通过模式结果分析得到的冰盖表面能量平衡特征表明: 1) 冰盖表面能量平衡全年主要表现为负的净辐射与正的感热通量之间的平衡, 季节差异显著; 2) 冰气相互作用机制主要是大气以感热形式输送给冰盖, 并在春季显著增强. 因Dome A特殊的地理位置, 研究结果对南极高原内陆中心地区具有较好的代表意义.     

黄土高原复杂地形上高质量湍流通量数据获取方法

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University,SACOL)湍流观测资料,分析了二次坐标旋转(double rotation,DR)、平面拟合(planar fit,PF)和分风区平面拟合(fetch planar fit,FPF)在复杂地形上的适用性,总结出一套适用于SACOL的总体湍流特征参数化方案.经过超声虚温订正、坐标旋转、空气密度脉动订正以及平稳性检验、总体湍流特征检验、总体质量分级处理,摩擦速度(u*)、感热通量、潜热通量、CO_2通量高质量数据所占比例分别为45%~62%、66%~68%、62%~65%、52%~54%.采用DR得到的高质量数据比例与采用PF相比,u*提高了17%,后三种通量略降低2%~3%.PF和FPF两种结果的差别主要体现在u*上,只考虑主导风向数据DR得到的u*质量仍最好.综合兼顾数据质量和计算工作量,在复杂地形上处理湍流观测资料的最优坐标旋转方法是DR.     

南极中山与昭和站重力海潮负荷效应及背景噪声研究

利用南极中山站LCR-ET21重力仪器与昭和站GWR058仪器获得的重力潮汐观测资料,采用最新的三个全球海潮模型(Dtu10,Eot11A和HAM11A)研究了南极地区的海潮负荷效应和背景噪声.结果表明,由三个海潮模型计算的重力负荷均值改正后,中山站O_1和M_2振幅观测残差分别由13.83%和20.55%下降到5.32%和5.95%,昭和站O_1和M_2振幅观测残差分别由10.84%和21.52%下降到1.91%和3.40%,说明海潮负荷改正的有效性.利用加汉宁窗的FFT变换,获得了地震频段的地震噪声等级(SNM),其值分别为1.574(中山站)和1.289(昭和站).而在潮汐频段,中山站的背景噪声比昭和站高一个数量级,主要由不同观测仪器和台站局部环境所致.本文结果可为进一步利用南极重力资料研究局部环境和全球动力学问题提供有效参考.     

Observational estimation of heat budgets on drifting ice and open water over the Arctic Ocean

It is of major scientific interests to determine the parameters of momentum, heat and vapor exchange in the planetary boundary layer in order to study the effects of ocean-ice-atmosphere interactions and their feedback mechanisms on global climate[1]. Lin…     

2002年南海季风爆发前后西沙海区海-气通量交换及其变化

利用2002年4月24日至6月20日在西沙海区进行的第三次南海海-气通量观测试验资料,采用涡相关法和TOGA COARE25b版本通量计算方案,计算了西南季风爆发前后海洋-大气间的通量交换,讨论了辐射、动量、感热通量、潜热通量、海洋热量净收支的时间变化特征及其与气象要素变化的关系.结果表明：西南季风爆发前后,太阳短波辐射、海面净辐射、潜热通量和海洋热量净收支变化特别强烈;通量变化受不同环境要素的影响：感热通量与海-气温差呈正相关关系,与气温呈明显的负相关关系.潜热通量与风速、海-气温差及海面水温均有正相关关系,其中与风速的关系最密切.动量通量（τ）主要随风速变化,它与风速（V）的关系可以表示为τ=000185V2-000559V+001248.     

戈壁地区夏季碳和水热循环及其湍流特征

本文利用2006年夏季大气边界层观测资料,采用涡动相关法分析了我国西北地区戈壁下垫面碳收支及水热循环的规律和特征,并分析了大气湍流特征.结果表明:夏季白天的CO₂湍流通量呈逆输送特征,即CO₂白天向下输送,夜间向上输送,平均数值为-0.199 mg·m^-2·s^-1,整体上表现为碳汇;戈壁地区湿度小,其数值受水平来流的影响较大,日变化特征不明显;温度的归一化标准差与稳定度参数的关系满足Monin-Obukhov Similarity (MOS)理论;温度和CO₂的能谱相似;互谱uc与uθ,wc与wθ相似;水汽和CO₂的输送主要受水平方向湍流的影响.     

Energy balance above a boreal coniferous forest: a difference in turbulent fluxes between snow‐covered and snow‐free canopies

To evaluate the interactive effects of snow and forest on turbulent fluxes between the forest surface and the atmosphere, the surface energy balance above a forest was measured by the eddy correlation method during the winter of 1995–1996. The forest was a young coniferous plantation comprised of spruce and fir. The study site, in Sapporo, northern Japan, had heavy and frequent snowfalls and the canopy was frequently covered with snow during the study period. A comparison of the observed energy balance above the forest for periods with and without a snow‐covered canopy and an analysis using a single‐source model gave the following results: during daytime when the canopy was covered with snow, the upward latent heat flux was large, about 80% of the net radiation, and the sensible heat flux was positive but small. On the other hand, during daytime when the canopy was dry and free from snow, the sensible heat flux was dominant and the latent heat flux was minor, about 10% of the net radiation. To explain this difference of energy partition between snow‐covered and snow‐free conditions, not only differences in temperature but also differences in the bulk transfer coefficients for latent heat flux were necessary in the model. Therefore, the high evaporation rate from the snow‐covered canopy can be attributed largely to the high moisture availability of the canopy surface. Evaporation from the forest during a 60‐day period in midwinter was estimated on a daily basis as net radiation minus sensible heat flux. The overall average evaporation during the 60‐day period was 0·6 mm day⁻¹, which is larger than that from open snow fields. Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Ltd.     

鄱阳湖夏季水热通量特征及环境要素影响分析

气候变化加速了全球水文循环过程,然而,气候变化如何影响水体蒸发及其水热通量交换仍然不清楚.基于涡度相关系统观测鄱阳湖水体水热通量过程,在小时和日尺度分析了水热通量的变化规律及其主要影响因子.研究表明,潜热通量日变化波动剧烈,大部分为正值,变化范围在-50~580 W/m2之间.而感热通量数值较小,变化范围在-50~50 W/m2之间.8月份潜热通量和感热通量均呈波动下降趋势,均值分别为167.4和15.9 W/m2.8月份日平均潜热通量和感热通量之和大于净辐射,这是由于这一时段储存在水体中的热量释放并补充潜热通量和感热通量.小时尺度上潜热通量日变化在相位上与净辐射无显著相关性,而与风速显著相关.在日尺度变化趋势上,8月份日平均潜热通量仍主要受到风速和水温的影响,感热通量则主要受到风速和饱和水汽压差的影响.     

一次冷锋过境过程的中尺度通量观测

根据Taylor假定 ,通过对铁塔定点观测冷锋过境湍流资料的谱分析 ,分离出其中尺度过程 ,从而计算出其中尺度通量 .计算结果的分析表明 ,在强背景风场条件下 ,湍流动量输送占据绝对优势 ;当背景风较弱时 ,中尺度动量通量不能被忽视 ,它甚至强于湍流动量通量 .而中尺度感热通量的强弱受多种因素的制约 .总的说来 ,冷锋后的中尺度感热通量大大强于湍流感热通量 .对于湍流通量参数化计算的理论分析表明 ,在较长的时间尺度进行湍流通量参数化时 ,有必要考虑因中尺度扰动而产生的修正 .合理的通量计算参数化方案需要全面包含湍流通量、中尺度通量以及中尺度过程对湍流通量的修正     

不同下垫面湍流通量计算方法的比较研究

本文利用1990~1994年在中国内蒙古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,采用变分法、波文比能量平衡方法和空气动力学方法计算了7种下垫面（沙丘、草原、四种放牧强度的草地、玉米田）的湍流通量并进行了比较.结果表明：除沙丘和重度放牧草地外,三种方法计算的湍流通量在大多数时刻是比较一致的,相关性较高,能量闭合程度也较好.在用于计算植被相对茂盛下垫面的湍流通量时,变分法得到的结果更好一些.随着放牧强度的增大,地表生物量、覆盖率和植被高度相应减少,潜热和动量通量相应减小,而感热通量增大.草地等植被茂盛的下垫面能够增加垂直方向的动量输送,增加空气动力学粗糙度,减小风速,阻止地表沙粒的运动和沙丘的起伏,对防止沙漠化能起到较大作用.     

CLM4-LISSS模型对太湖多时间尺度水热通量模拟性能的评估

湖泊模型为数值天气预报模型提供热量通量、水汽通量和动量通量等下边界条件,但是不同时间尺度上湖泊水热通量变化的控制因子不同,因此有必要对湖泊模型进行多时间尺度上的离线评估.本文利用2012-2016年太湖中尺度通量网避风港站的气象资料和辐射数据驱动CLM4-LISSS模型(Community Land Model version 4-Lake,Ice,Snow and Sediment Simulator),并与涡度相关观测(Eddy Covariance,EC)结果进行对比,以年平均潜热通量模拟结果最佳为目标调整了模式中的消光系数、粗糙度长度方案,研究了该模型从半小时到年尺度上对湖表温度和水热通量的模拟性能.结果表明:模型对湖表温度的模拟在各时间尺度上均比较理想,但是模拟的日较差较小;从半小时到年尺度上潜热通量的变化趋势都能被很好地模拟出来,但在季节尺度上,潜热通量的模拟出现了秋冬季偏高、春夏季偏低的情况,季节变化模拟不准确.湖表温度和潜热通量模拟偏差的原因可能是消光系数的参数化方案.相比之下,感热通量尽管年际变化趋势的模拟值与观测值一致,但是从半小时到年尺度均被高估.特别地,冷锋过境期间,模型能较好地模拟出潜热通量和感热通量的变化趋势,但对于高风速条件下的感热通量模拟效果不佳.本文的研究结果能为湖泊模式的应用与发展提供有用信息.     

积雪在El Niño影响东亚夏季气候异常中的作用

本文利用1948-2010年Global Land Data Assimilation System（GLDAS）NOAH陆面模式资料、GPCC月平均降水资料和NCAR/NCEP全球月平均再分析资料,采用滤波、距平合成和线性相关等方法,分析了El Niño成熟位相冬季欧亚大陆积雪异常的分布特征,研究了关键区积雪融化对后期春、夏季土壤湿度、土壤温度以及大气环流与降水的影响,揭示了El Niño事件通过关键区积雪储存其强迫信号并影响东亚夏季气候异常的机制和过程.主要结论如下：El Niño成熟阶段冬季伊朗高原、巴尔喀什湖东北部和青藏高原南麓区域是雪深异常的三个关键区,这些区域的雪深、雪融和土壤湿度有明显的正相关;这三个关键区雪深异常通过春季融雪将冬季El Niño信号传递给春、夏季局地土壤湿度,通过减少感热通量和增加潜热通量对大气环流产生影响;春末夏初伊朗高原土壤湿度异常对东亚夏季气候异常的影响最大,其引起的降水异常与El Niño次年夏季降水异常分布基本一致,春夏季青藏高原南麓和巴尔喀什湖附近土壤湿度也都明显增加,均会对中国华北降水增加有显著正贡献.总之,在利用El Niño事件研究和预测东亚夏季气候异常时,还应考虑关键区雪深异常对El Niño信号的存储和调制作用.