塔克拉玛干沙漠腹地近地层湍流特征的观测研究

【摘要】： 大气边界层是地表提供物质和能量的主要扩散和消耗场所。沙漠边界层的研究对沙漠地区陆—气相互作用的模拟有着极其密切的关系。塔克拉玛干沙漠是世界第二大流动沙漠,同时也是我国沙漠的典型代表。对塔克拉玛干流动沙漠腹地近地层的研究,可为沙漠周边城市的发展起到一定作用,同时也加深了沙漠腹地近地层的理论研究。本文利用沙漠腹地大气环境监测站塔中的80m梯度探测资料以及10m高度的OPEC快速响应探测系统的湍流资料,对大气边界层低层的湍流动力特征进行了详细的研究,同时分析了沙尘暴天气下湍流的相关特性,得出以下主要结论: (1)不稳定层结条件和稳定层结条件下,沙漠腹地近地层无因次速度分量方差与稳定度z/L的关系在春季、夏季和冬季均符合相似理论的次幂规律,但最佳幂指数各有不同,并不是唯一的1/3次幂。不稳定层结条件下,无因次温度方差在夏季符合-1/3次幂规律,其余情况离散度较大,规律不明显。近中性层结条件下,三个方向无因次速度分量方差均接近常数,总体表现为:ｕ方向最大,v方向次之,w方向最小:湍流强度也有着同样的规律。 (2)沙漠腹地湍流动能、摩擦速度和特征温度均表现出明显的日变化特征。摩擦速度则随稳定或不稳定程度的增大而减小,但最大值出现在z/L=0.2处。 (3)沙漠腹地的湍流动能与季节变化有关。夏季略高与春季,冬季最小;湍流总动能中水平方向的动能占主导地位,铅直方向的影响较小;强不稳定层结条件下,热力湍能供给率明显强于机械湍能供给率,稳定层结条件下,两者作用相当。无因次扰动动能e/u_*~2随稳定或不稳定程度的增大而增大,同时离散度也增大。 (4)欧拉时间自相关系数则表现出强衰减、渐衰减和缓慢衰减三种类型,且不同层结条件,沙尘天气的欧拉时间自相关系数衰减总体上强于晴天。 (5)不稳定层结条件下,春季晴天近地层的铅直脉动以12-17s的周期为主,最小周期表现为1-1.5s,春季沙尘暴时最主要的周期则在6-10s左右,最小周期为0.3-0.5s。稳定层结条件下,春季晴天以周期10-16s的振荡为主,最短周期为0.7-1s,而沙尘暴则在11-20s的周期上振荡最强,最小周期振荡在0.4-0.6s左右。