干旱区均匀裸土下垫面近地层能量平衡及中尺度运动对湍流的影响

干旱区均匀裸土下垫面近地层能量平衡及中尺度运动对湍流的影响地表能量不闭合及Monin-Obukhov相似理论普适性是边界层和陆面过程发展中仍未解决的两个关键问题,但现阶段的研究中呈现出多种复杂影响因素交织在一起的现象,使这两个问题的解决更加困难。为此,本文基于均匀裸土下垫面的边界层和陆面过程观测资料,在水平均匀且地表覆盖简单的下垫面上探究地表能量不闭合成因及Monin-Obukhov相似理论适用性。首先探讨了均匀裸土下垫面的地表能量不闭合成因,然后研究了中尺度运动对地表能量平衡和Monin-Obukhov相似性的影响,最后分析了中尺度运动对湍流的影响在不同下垫面所表现出的一些共同特征。研究得到的主要结论如下:(1)仪器平行对比结果显示,在大部分情况下(80%以上的样本),风速、温度、相对湿度、辐射通量和湍流通量的观测偏差较小,不同仪器的观测结果具有较好的一致性,能够满足陆面过程观测研究的基本要求。(2)均匀裸土下垫面的近地层能量平衡分析表明,不同季节都存在明显的地表能量不闭合现象,能量平衡残差日变化的峰值在33.6~65.8W/m~2之间,OLS闭合度的范围在0.75~0.79之间,EBR闭合度的范围在0.83~0.95之间。在Monin-Obukhov相似性方面,风速通量方差关系基本符合1/3次率,温度通量方差关系在大气不稳定时基本符合-1/3次率,而在大气稳定时的离散性较大。(3)均匀裸土下垫面近地层能量不闭合成因的分析显示,地表能量闭合度决定于大气运动状态,能量闭合度随湍流混合增强而增大。地表能量闭合度在大气不稳定的白天较高,而在大气稳定的夜间明显偏低,这可能是由于湍流通量受到了中尺度运动的影响。此外,不同方法计算地表土壤热通量的差异也会显著影响地表能量闭合度的大小,但不改变地表能量闭合度取决于大气运动状态的规律。(4)在大气层结稳定的夜间,计算的湍流通量可能会掺杂中尺度运动,导致地表能量闭合异常值(即EBR<0或EBR>1)偏多,并会影响地表能量闭合度的大小。采用MRD方法滤除中尺度运动对湍流通量的影响后,能量闭合异常值的数量大幅下降,地表能量闭合度显著提升。但相比于湍流混合较强的情形,湍流混合较弱时的能量闭合度仍然偏低,这很可能是由于弱湍流条件下的近地层能量传输并非完全由湍流输送来承担,而中尺度运动对近地层能量传输也具有重要贡献。因此,在未考虑中尺度通量的情况下,夜间或弱湍流条件下的地表能量闭合度往往严重低于白天或强湍流时的观测结果。(5)中尺度运动不符合Monin-Obukhov相似理论,所以湍流特征量中包含中尺度运动时,相似理论的适用性将受到影响,这会反映在通量方差关系和通量梯度关系中。滤除中尺度运动后,通量方差关系的离散性减小,风速的通量方差关系在稳定和不稳定条件下仍然符合1/3次率,而温度的通量方差关系明显偏离了-1/3次率,并且大气稳定时偏离程度较大。通量梯度关系的离散性同样减小,特别是在稳定条件下得到明显改善,无量纲风速梯度和无量纲温度梯度的观测值与不同普适函数的估计值在不稳定条件下较为一致,而在稳定条件下观测值变得比不同普适函数的估计值明显偏小,且偏小幅度随着大气稳定度的增大而增大。(6)不同下垫面中尺度运动对湍流的影响存在一些相同特征。第一,滤除中尺度运动后,不同下垫面风速和温度通量方差关系的离散性都明显下降。在大气稳定时,无量纲风速标准差和温度标准差(σ_w/u_*和σ_T/T_*)变得独立于大气稳定度(ζ),而温度通量方差关系明显偏离了-1/3次率。第二,中尺度运动对通量的贡献增大后,σ_w/u_*、|σ_T/T_*|和ζ将更大程度地偏离其真实值,对于大部分样本来说,σ_w/u_*变得偏小,|σ_T/T_*|变得偏大,ζ向0靠拢。第三,通常中尺度运动对湍流的影响在稳定(不稳定)条件下较大(小),但中尺度运动