塔克拉玛干沙漠塔中近地层湍流特征研究

【摘要】：塔克拉玛干沙漠是我国最大最典型的沙漠,也是世界第二大流动沙漠。对塔克拉玛干流动沙漠腹地近地层的研究,可为塔中油气资源的开发建设起到微气象方面的指导作用,同时进一步推进沙漠腹地大气边界层研究。涡度相关系统是目前测量地气之间湍流交换最有效、最直接、最准确的工具。本文利用沙漠腹地塔中大气环境监测站的32m高度和西面标校站3m的OPEC快速响应探测系统的湍流数据,对大气近地层的湍流特征进行了研究,同时分析了沙尘等典型天气下湍流的相关特性,得出以下主要结论: (1)大气稳定度不论是白天还是夜间峰值在±0.2以内,接近中性。水平风速的平均湍流强度为0.35,垂直风速的平均湍流强度为0.04,且有I_uI_vI_(w。)白天湍流强度高于夜间。湍流强度随风速呈指数衰减的趋势。欧拉时间自相关系数主要表现出强衰减、逐渐衰减和缓慢衰减三种类型。不同层结条件下,沙尘天气的欧拉时间自相关系数衰减总体上强于晴天。 (2)四季不同稳定层结条件下无因次速度方差均符合相似规律,相似函数与相关文献中荒漠戈壁地区的相似函数比较接近,都符合1/3规律。沙漠地区温度和水汽方差与其他地区相差较大。速度和标量无因次方差四个季节规律相似,差别不大。 (3)湍流摩擦速度日变化呈以13:00对称的单峰型分布;特征温度呈U字型对称分布。不稳定层结条件下,摩擦速度u*随稳定度缓慢增加;稳定层结条件时,摩擦速度随稳定度迅速减小。特征温度(T*)数据均分布在坐标轴的一、三象限,且越靠近(0,0)点数据点越集中。 (4)塔中地区地表热量输送以感热输送为主,潜热通量比感热通量通常要小一个量级。感热通量基本上是以当地时间12:00为对称的单峰型分布。四季日平均感热通量变幅大小依次为:夏季秋季春季冬季;感热通量最大值出现时间的先后顺序依次为:冬季、秋季、春季、夏季。沙尘天气过程中,感热通量和潜热通量都具有较大的波动性,数值也低于典型晴天。 (5)32m高度动量通量与气温日变化规律相似,呈明显的单峰型分布。日出后,动量通量开始增大,到13:30左右达到一天中的最大值,随后动量通量开始减小,一般到夜间的24:00达到一天中的最小值。白天变幅较大,夜间变幅很小。沙尘天气时湍流动量通量与晴天时明显不同。 (6)u方向湍流动能最大,v方向湍流动能与u方向相近。w方向湍流动能最小,其日极大值出现在午后14时左右,极小值多在夜间22～02时左右。各季节湍流动能:夏季春季秋季冬季。动量总体输送系数C_D的变化范围主要集中在10~(-4)～10~(-2)之间,不同稳定层结条件下C_D大小不同。