藏北高原大氣邊界層結(jié)構(gòu)和地表能量研究.pdf

1、青藏高原地區(qū)的陸氣相互作用因其在區(qū)域上和全球尺度上對(duì)我國(guó)、東亞乃至全球能量和水循環(huán)的影響而顯得非常重要，其氣候變化及其影響已越來越成為世界各國(guó)政府和科學(xué)家們關(guān)注的重大問題。氣候及其變化受到多種因素的影響，遠(yuǎn)非大氣系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)期平均所能反應(yīng)，而是大氣、海洋、陸地(包括冰雪)和生態(tài)系統(tǒng)相互作用的結(jié)果，還要包括外空(主要是太陽(yáng))的影響。因此，關(guān)于氣候變化的理論和動(dòng)力學(xué)機(jī)制必需在大氣科學(xué)、海洋學(xué)、地球物理學(xué)和生物學(xué)等多學(xué)科相互滲透和結(jié)合的情況下

2、，才能得到較深刻的認(rèn)識(shí)。亞洲季風(fēng)系統(tǒng)是全球氣候系統(tǒng)中能量和水分循環(huán)中的重要組成部分。因此，全球能量水循環(huán)試驗(yàn)(GEWEX)亞洲季風(fēng)之青藏高原試驗(yàn)(GAME—Tibet)和全球協(xié)調(diào)加強(qiáng)觀測(cè)期亞澳季風(fēng)之青藏高原試驗(yàn)(CAMP—Tibet)都將亞洲季風(fēng)系統(tǒng)作為其主要內(nèi)容來研究。 本論文首先利用CAMP-Tibet的野外觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析研究了藏北高原地區(qū)大氣邊界層結(jié)構(gòu)特征、近地層湍流特征和能量交換。然后利用耦合了NCARLSM陸面過程的中

3、尺度模式MM5V3.7對(duì)藏北高原地區(qū)地表能量和大氣邊界層結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)，并從區(qū)域尺度上分析地表能量分布，同時(shí)與CAMP—Tibet之2002年IOP期間的單站實(shí)測(cè)資料做比較，以期從微尺度到區(qū)域尺度上加深對(duì)藏北高原地表能量和大氣邊界層結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。得出的主要結(jié)論如下： (1)藏北高原大氣邊界層結(jié)構(gòu)特征 (a)藏北那曲地區(qū)邊界層高度、比濕等同變化大，邊界層較高。邊界層高度干季在2211米-4430米之間，雨季在1006米

4、-2212米之間，這主要是因?yàn)椴乇蹦乔貐^(qū)海拔高，日照強(qiáng)，日變化大，并且受亞洲季風(fēng)影響。干季的邊界層高度明顯高于雨季時(shí)的邊界層高度，主要因?yàn)橛昙究諝庵兴枯^大，抑制了邊界層的發(fā)展。 (b)干季的比濕明顯小于濕季比濕，且在干季和雨季都存在逆濕現(xiàn)象。 (c)干季時(shí)邊界層內(nèi)水平風(fēng)風(fēng)向基本以偏西風(fēng)為主，雨季時(shí)低層2500米以下基本以偏東風(fēng)為主，上層以偏西風(fēng)為主。干季近地層水平風(fēng)速都較小，隨高度增加風(fēng)速迅速增大。雨季邊界層內(nèi)風(fēng)

5、速都較小。 (2)藏北高原大氣湍流特征 通過研究藏北那曲地區(qū)歸一化風(fēng)速方差與穩(wěn)定度的關(guān)系，得到垂直風(fēng)速方差較水平風(fēng)速方差更滿足相似理論，三維風(fēng)速方差與穩(wěn)定度的關(guān)系都滿足1／3定律。歸一化溫度和濕度方差與穩(wěn)定度的關(guān)系在不穩(wěn)定條件下滿足一1／3定律，近中性條件下比較離散，穩(wěn)定條件下，歸一化溫度和濕度方差隨穩(wěn)定度增加而減小。 (3)藏北高原近地層能量交換 (a)分別用渦旋相關(guān)法和通量一歸一化方差法(Flux-v

6、arianceMethods)計(jì)算湍流通量，并進(jìn)行比較，兩種方法計(jì)算的感熱通量相差不到3﹪；通量歸一化方差法計(jì)算的潛熱通量大于渦旋相關(guān)法計(jì)算值。 (b)根據(jù)波文比的平均日變化將觀測(cè)期(2004年4月18日至6月12日)分為干期和濕期，5月26日之前波文比大于1稱為干期，之后波文比小于1稱為濕期。干、濕期通量日變化明顯，季節(jié)變化也有明顯的不同；干期感熱通量占主導(dǎo)，濕期潛熱通量大于感熱通量。動(dòng)量通量的日變化也是比較明顯：早晨逐漸增大

7、，午后達(dá)最大，然后逐漸減小。濕期與干期動(dòng)量通量相比，白天動(dòng)量通量較小，晚上時(shí)仍在增加，但干期動(dòng)量通量在晚上是減小的。 (c)輻射各分量有明顯的日變化，在不同季節(jié)具有不同的變化特征。太陽(yáng)短波輻射在季風(fēng)建立前后和季風(fēng)中變化不大；季風(fēng)盛行期大氣長(zhǎng)波向下輻射大于季風(fēng)建立前后的大氣長(zhǎng)波向下輻射值；不同季節(jié)地面長(zhǎng)波向上輻射有著明顯不同的變化規(guī)律，季節(jié)變化明顯，季風(fēng)前最大值大于季風(fēng)盛行期；季風(fēng)前地面短波向上輻射大于季風(fēng)盛行期的最大值；季風(fēng)期間

8、凈輻射增大，是因?yàn)榧撅L(fēng)盛行期凈長(zhǎng)波輻射值小于季風(fēng)前后凈長(zhǎng)波輻射值，同時(shí)季風(fēng)期比季風(fēng)前地表反照率減小了30﹪，反射輻射減小，也是季風(fēng)期間凈輻射增大的主要原因。 (4)藏北高原大氣邊界層結(jié)構(gòu)和近地層能量的數(shù)值模擬試驗(yàn) (a)中尺度模式MM5V3.7能較好的模擬該地區(qū)山谷風(fēng)環(huán)流，白天隨太陽(yáng)輻射加熱地面，形成谷風(fēng)；夜間地面冷卻增強(qiáng)，形成山風(fēng)。 (b)在區(qū)域尺度上，模擬的地表通量與NCAR／NCEP再分析資料得到的結(jié)果比較

9、吻合，同時(shí)可以得到雨季時(shí)藏北、藏東地區(qū)潛熱通量大于感熱通量，而高原西部感熱通量大于潛熱通量，這與觀測(cè)試驗(yàn)分析結(jié)果一致。與單站試驗(yàn)結(jié)果比較，模擬的感熱通量與實(shí)測(cè)值一致，潛熱通量的模擬值和實(shí)測(cè)值有一定差別。MM5能很好的模擬出風(fēng)速的日變化，模擬風(fēng)速小于實(shí)測(cè)風(fēng)速，模擬的摩擦速度偏大，顯示出模式中粗糙度較大從而降低了風(fēng)速。 (c)模擬的大氣邊界層位溫、比濕廓線與實(shí)測(cè)值比較，模擬的位溫廓線與實(shí)測(cè)的位溫廓線比較吻合，但模擬值在各高度上都大于

10、實(shí)測(cè)值，并且模擬的白天混合層高度高于實(shí)測(cè)值：模擬的比濕與實(shí)測(cè)的比濕都隨高度增加而減小，與位溫廓線相對(duì)應(yīng)，午后14：00時(shí)模擬值在1500米以下充分混合，實(shí)測(cè)值在1000米以下充分混合。 本論文用試驗(yàn)分析和數(shù)值模擬的方法分析討論了藏北高原地區(qū)大氣邊界層結(jié)構(gòu)和近地層能量交換，為該地區(qū)數(shù)值模擬的參數(shù)化提供了重要依據(jù)。長(zhǎng)期的湍流測(cè)量，局地平流的評(píng)估和通過衛(wèi)星遙感分析源匯分布的非均勻性，以及邊界層水熱廓線測(cè)量都有助于今后進(jìn)一步研究高原地區(qū)