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北方典型草原湍流运动特征及湍流通量测定方法研究

黄彬香  
【摘要】:大气边界层湍流特征是微气象的基本研究内容之一。作为陆地生态系统主体的草原,面临着荒漠化、持续干旱、水资源缺乏等一系列重大的环境问题。进行北方典型草原下垫面的湍流特征及湍流通量方法研究,有助于深入了解典型草原的物质与能量循环过程,对进一步开展全球变化研究具有重要指导作用。 本文以“河北沽源国家草地生态系统野外科学研究站”典型草原下垫面为研究对象,利用实验获取的微气象学数据,对北方典型草原的湍流特征及湍流通量测定方法进行研究。 主要结论如下: (1)微气象及湍流特征:沽源站6-8月盛行西南风,平均风速2m/s;早晚温差可达20℃左右,相对湿度64%,早上易出现水汽凝结。典型日气象要素廓线具有对数规律。大气稳定度基本分布在±0.5以内。摩擦风速具有日变化。湍流强度满足IuIvIw的一般规律。风速标准差满足1/3幂次定律,w方向拟合最好;温度标准差满足-1/3定律。风速功率谱惯性区满足-2/3规律,谱峰频率fm(w)fm(v)fm(u);垂直风速与温度协谱有惯性区且满足-4/3规律;稳定条件下功率谱与协谱的谱峰均表现出向高频区移动的趋势;三个分量的风速功率谱之间满足Sn(v)/Sn(u)≈4/3,Sn(w)/Sn(u)4/3,水平方向上达到常数的频率较垂直方向低。湍流内尺度平均为7mm。 (2)湍流通量:净辐射、感热、潜热和土壤热通量具有明显日变化;潜热、感热和土壤热通量所占比例分别为64%、20%和14%左右。实验期间能量闭合率为91.3%,闭合差为9.7%,R2达到了0.88。C02通量平均为-0.145mg/m2/s,表现为CO2汇。不稳定层结下30分钟平均时间基本能够捕捉到全部的通量;稳定层结下,采样时间需适当延长。涡度相关的通量源区在不稳定和一般稳定层结下分布范围较小,但在很稳定条件下明显增加。 (3)通量测定方法及影响因素:Eddypro与Edire处理结果之间的拟合斜率和R2都在0.97以上。以涡度相关测量结果为参比,空气动力学方法不管直接还是迭代测量效果都较差;不换位式波文比其次,其R2有所提高;换位式波文比与BLS450大孔径闪烁仪效果较好;其中BLS450大孔径闪烁仪R2最高,且通量源区分布比涡度相关法大,空间代表性较强。 (4)大孔径闪烁仪影响因素:气象条件可导致接收信号变小,水汽吸收和闪烁饱和会影响Cn2的测量。与单通道闪烁仪相比,BLS900的测量误差更小。大孔径闪烁仪采用880或940mm近红外光都会出现水汽吸收影响。大孔径闪烁仪的理论谱和实际信号功率谱分析都满足低频部分的-8/3斜率,中频部分为常数,高频部分的-12/3斜率。低于转换频率的部分为水汽吸收贡献,需要滤波移除。中频部分常数随风速增大而减小,但转角频率随风速增大而增加,侧向风变化会改变频谱形状但不会导致谱面积的减小。采用固定阈值滤波器进行水汽吸收滤波时,低风速条件会导致结果的低估。实际观测中,晚上水汽吸收影响较大,最大可达80%,必须进行水汽吸收修正。软件滤波和双通道信号相关两种方法都可以可靠地移除水汽吸收贡献。实验期间沽源下垫面波文比系数通常小于0.3,CT2会受到Cq2和CTq的影响,必须使用波文比系数进行修正,并要考虑浮力对稳定度的影响。大孔径闪烁仪获取的CT2与结构函数法、相似理论法和频谱法获取的具有很好的相关性(R2为0.88以上),由于其空间代表性较强,对于较大尺度的感热通量测定更为适用。


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