干旱區(qū)均勻裸土下墊面近地層能量平衡及中尺度運(yùn)動對湍流的影響

干旱區(qū)均勻裸土下墊面近地層能量平衡及中尺度運(yùn)動對湍流的影響地表能量不閉合及Monin-Obukhov相似理論普適性是邊界層和陸面過程發(fā)展中仍未解決的兩個關(guān)鍵問題,但現(xiàn)階段的研究中呈現(xiàn)出多種復(fù)雜影響因素交織在一起的現(xiàn)象,使這兩個問題的解決更加困難。為此,本文基于均勻裸土下墊面的邊界層和陸面過程觀測資料,在水平均勻且地表覆蓋簡單的下墊面上探究地表能量不閉合成因及Monin-Obukhov相似理論適用性。首先探討了均勻裸土下墊面的地表能量不閉合成因,然后研究了中尺度運(yùn)動對地表能量平衡和Monin-Obukhov相似性的影響,最后分析了中尺度運(yùn)動對湍流的影響在不同下墊面所表現(xiàn)出的一些共同特征。研究得到的主要結(jié)論如下:(1)儀器平行對比結(jié)果顯示,在大部分情況下(80%以上的樣本),風(fēng)速、溫度、相對濕度、輻射通量和湍流通量的觀測偏差較小,不同儀器的觀測結(jié)果具有較好的一致性,能夠滿足陸面過程觀測研究的基本要求。(2)均勻裸土下墊面的近地層能量平衡分析表明,不同季節(jié)都存在明顯的地表能量不閉合現(xiàn)象,能量平衡殘差日變化的峰值在33.6~65.8W/m~2之間,OLS閉合度的范圍在0.75~0.79之間,EBR閉合度的范圍在0.83~0.95之間。在Monin-Obukhov相似性方面,風(fēng)速通量方差關(guān)系基本符合1/3次率,溫度通量方差關(guān)系在大氣不穩(wěn)定時基本符合-1/3次率,而在大氣穩(wěn)定時的離散性較大。(3)均勻裸土下墊面近地層能量不閉合成因的分析顯示,地表能量閉合度決定于大氣運(yùn)動狀態(tài),能量閉合度隨湍流混合增強(qiáng)而增大。地表能量閉合度在大氣不穩(wěn)定的白天較高,而在大氣穩(wěn)定的夜間明顯偏低,這可能是由于湍流通量受到了中尺度運(yùn)動的影響。此外,不同方法計算地表土壤熱通量的差異也會顯著影響地表能量閉合度的大小,但不改變地表能量閉合度取決于大氣運(yùn)動狀態(tài)的規(guī)律。(4)在大氣層結(jié)穩(wěn)定的夜間,計算的湍流通量可能會摻雜中尺度運(yùn)動,導(dǎo)致地表能量閉合異常值(即EBR<0或EBR>1)偏多,并會影響地表能量閉合度的大小。采用MRD方法濾除中尺度運(yùn)動對湍流通量的影響后,能量閉合異常值的數(shù)量大幅下降,地表能量閉合度顯著提升。但相比于湍流混合較強(qiáng)的情形,湍流混合較弱時的能量閉合度仍然偏低,這很可能是由于弱湍流條件下的近地層能量傳輸并非完全由湍流輸送來承擔(dān),而中尺度運(yùn)動對近地層能量傳輸也具有重要貢獻(xiàn)。因此,在未考慮中尺度通量的情況下,夜間或弱湍流條件下的地表能量閉合度往往嚴(yán)重低于白天或強(qiáng)湍流時的觀測結(jié)果。(5)中尺度運(yùn)動不符合Monin-Obukhov相似理論,所以湍流特征量中包含中尺度運(yùn)動時,相似理論的適用性將受到影響,這會反映在通量方差關(guān)系和通量梯度關(guān)系中。濾除中尺度運(yùn)動后,通量方差關(guān)系的離散性減小,風(fēng)速的通量方差關(guān)系在穩(wěn)定和不穩(wěn)定條件下仍然符合1/3次率,而溫度的通量方差關(guān)系明顯偏離了-1/3次率,并且大氣穩(wěn)定時偏離程度較大。通量梯度關(guān)系的離散性同樣減小,特別是在穩(wěn)定條件下得到明顯改善,無量綱風(fēng)速梯度和無量綱溫度梯度的觀測值與不同普適函數(shù)的估計值在不穩(wěn)定條件下較為一致,而在穩(wěn)定條件下觀測值變得比不同普適函數(shù)的估計值明顯偏小,且偏小幅度隨著大氣穩(wěn)定度的增大而增大。(6)不同下墊面中尺度運(yùn)動對湍流的影響存在一些相同特征。第一,濾除中尺度運(yùn)動后,不同下墊面風(fēng)速和溫度通量方差關(guān)系的離散性都明顯下降。在大氣穩(wěn)定時,無量綱風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差和溫度標(biāo)準(zhǔn)差(σ_w/u_*和σ_T/T_*)變得獨(dú)立于大氣穩(wěn)定度(ζ),而溫度通量方差關(guān)系明顯偏離了-1/3次率。第二,中尺度運(yùn)動對通量的貢獻(xiàn)增大后,σ_w/u_*、|σ_T/T_*|和ζ將更大程度地偏離其真實(shí)值,對于大部分樣本來說,σ_w/u_*變得偏小,|σ_T/T_*|變得偏大,ζ向0靠攏。第三,通常中尺度運(yùn)動對湍流的影響在穩(wěn)定(不穩(wěn)定)條件下較大(小),但中尺度運(yùn)動