玛曲高寒草原近地层参数及湍流特征的季节变化研究

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本文利用青藏高原东部边缘的玛曲地区2010年全年微气象梯度和湍流观测资料,首先采用目前先进算法确定出空气动力学粗糙度z0m,热力学粗糙度z0h,动量整体输送系数CD和热量整体输送系数CH等地气交换过程的基本参数,分析了其日变化和季节变化特征,并与其他下垫面地表参数进行了比较;接着统计出风速分量、温度、CO2浓度和水汽密度的归一化标准差与稳定度参数z/L的变化关系,结合空气动力学粗糙度z0m、风矢量和温度等近地层参数,分析了各湍流特征量的季节变化特征;最后利用连续小波变换和谱分析方法对玛曲高寒草原近地层的湍流脉动资料的相干结构做了研究,利用不同的小波基函数进行小波变换,滤掉原始高频信号的小尺度波,确定相干结构的时间尺度和反演相干波形,通过分析湍流资料中u、v、w、T、CO2和q的相干结构变化规律,结合不同大气条件下的湍流统计量和小波谱,研究各矢量和标量的相干结构随不同大气条件的变化特征。得到以下主要结论:  (1)玛曲地区空气动力学粗糙度z0m年变化范围为1.03×10-2~2.40×10-2m,8月份达到最大,4月份最小,大于青藏高原西部和中部地区的值,与高原东部地区的值相近;热力学粗糙度z0h主要在10-4~10-3之间变化,季节变化特征与z0m基本一致;KB-1呈现早晚小、中午大的日变化特征,KB-1的季节变化特征与z0h相反,在冬季12月份达到最大,夏季6月份最小,这是由于冬季下垫面为裸土,接近刚性表面,而夏季地表被浓密的高寒草甸覆盖。  (2)动量和热量整体输送系数CD和CH随大气层结由不稳定到稳定时,均逐渐减小。在不稳定条件下,CD和CH都随风速的增大而减小,趋于中性条件下的值,相反,在稳定层结下,随风速的增大而增大。在风速<7m/s时,不论层结稳定与否,CD和CH均随风速呈非线性变化,而在风速较大时,基本与风速无关,趋于常数;CD和CH均呈现出幅度和位相不同的日变化特征,CD最大值和最小值分别出现于中午和傍晚,CH最大值则分别出现于中午和早晨,CD和CH在植物生长最盛的7~8月份达到峰值,此时CD<CH,其他月份的月均值CD>CH;玛曲地区CD和CH的值比同期的戈壁、荒漠大,而较麦地、农田的值要小,夏季的均值与高原东部其他地区相近,明显大于高原中西部。  (3)风速分量的归一化标准差σu/u*、σv/u*和σw/u*与稳定度参数z/L的变化关系遵循MOST的1/3次方定律,且随|z/L|增大而增大,在近中性时(|z/L|<0.05)趋于常数,垂直方向σw/u*比水平方向σu、v/u*的离散性小;中性层结下的相似性常数与青藏高原其他地区的值相近,大于戈壁和平原地区;σu、v、w/u*均随空气动力学粗糙度z0m的增加而减小,垂直方向σw/u*的季节变化幅度很小,可近似为常数。  (4)在不稳定条件下,温度、水汽密度和CO2浓度的归一化标准差σT/T*、σq/q*和σc/C*与z/L都满足-1/3次方定律,且随|z/L|的减小而增大,各月的归一化值有σq/q*>σC/C*>σT/T*;σq/q*的季节变化幅度最大(1.16-1.68),σc/C*次之(1.11-1.48),而σ(r)/T*最小(1.01-1.27)。相比各标量的脉动强度,σT/T*、σq/q*和σc/C*的季节变化主要决定于标量的垂直通量,且σT/T*的季节变化趋势与σq/q*和σc/C*相反,与此对应,感热通量的季节变化与潜热通量和CO2通量相反。  (5)玛曲草原湍流信号中存在十几秒到几十秒的相干结构,风速分量和标量均存在多尺度相干结构,在量值上也存在很大差异,一般来说水平风速相比垂直风速的尺度要大,温度,CO2浓度和水汽密度的相干尺度相近。  (6)湍流相干结构的生成和发展受大气热力学和动力学因子的影响很大,夜间稳定边界层的湍流相干结构尺度要比白天不稳定条件下的小很多,而且大气稳定度对风矢量相干结构的影响要大于对标量相干结构的影响;在不稳定条件下,风速大小对标量相干结构的影响要大于对风矢量的影响。
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