巴丹吉林沙漠北緣拐子湖近地層湍流能譜特征分析

鄭新倩,彭冬梅,吳 燁,周成龍,產(chǎn)秀媚,買(mǎi)買(mǎi)提艾力.買(mǎi)買(mǎi)提依明*

(1.新疆農(nóng)業(yè)氣象臺(tái),新疆烏魯木齊830002;2.中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所,新疆烏魯木齊830002;3.塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀(guān)測(cè)試驗(yàn)站,新疆塔中841000;4.布爾津縣氣象局,新疆布爾津836600)

巴丹吉林沙漠北緣拐子湖近地層湍流能譜特征分析

鄭新倩1,彭冬梅1,吳 燁2,3,周成龍2,3,產(chǎn)秀媚4,買(mǎi)買(mǎi)提艾力.買(mǎi)買(mǎi)提依明2,3*

(1.新疆農(nóng)業(yè)氣象臺(tái),新疆烏魯木齊830002;2.中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所,新疆烏魯木齊830002;3.塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境觀(guān)測(cè)試驗(yàn)站,新疆塔中841000;4.布爾津縣氣象局,新疆布爾津836600)

利用2013年6月巴丹吉林沙漠拐子湖地區(qū)流沙下墊面的陸氣通量觀(guān)測(cè)資料,計(jì)算并分析了該研究區(qū)不同大氣穩(wěn)定層結(jié)條件下的湍流速度各分量譜和溫度譜及湍流的局地各向同性特征.結(jié)果表明:該研究區(qū)風(fēng)速各分量的湍流強(qiáng)度隨平均風(fēng)速的增加而逐漸減小,當(dāng)平均風(fēng)速gt;2 m/s時(shí),風(fēng)速各分量的湍流強(qiáng)度逐漸穩(wěn)定且基本限定在0.5以?xún)?nèi).在不同大氣穩(wěn)定度下,湍流速度和溫度能譜曲線(xiàn)在慣性副區(qū)內(nèi)逐漸有合并趨勢(shì)且遵循Kolmogorov提出的-2/3定律,速度各分量譜在高頻段均滿(mǎn)足各向同性且符合低頻限制理論.隨著穩(wěn)定度的增加,風(fēng)速分量的能譜曲線(xiàn)逐漸降低且向高頻端移動(dòng),風(fēng)速分量和溫度能譜對(duì)應(yīng)的譜峰長(zhǎng)度則逐漸減小.該研究區(qū)水平湍流尺度范圍為9.0～600 m,垂直湍流譜峰波長(zhǎng)為10.79～75 m.該結(jié)果介于草地和森林下墊面之間,與塔克拉瑪干沙漠腹地的試驗(yàn)結(jié)果較為接近.

巴丹吉林沙漠;湍流;大氣穩(wěn)定度;能譜分析;局地各向同性

大氣湍流是一種高頻微尺度運(yùn)動(dòng),由許多不同大小的湍渦相互疊加而成[1,2],是大氣和地表之間的能量、物質(zhì)轉(zhuǎn)化與交換的最重要途徑,直接與大氣邊界層中的動(dòng)量、熱量、水汽、污染物的垂直和水平輸送密切相關(guān)[3-5].大氣湍流強(qiáng)度用湍流能譜密度表示,可描述湍渦的無(wú)序分布,不僅可以反應(yīng)湍流總能量和不同尺度湍渦對(duì)整體湍能貢獻(xiàn)的相對(duì)大小[6],還可用于確定渦度相關(guān)系統(tǒng)對(duì)高頻和低頻率信號(hào)的響應(yīng)能力,而且對(duì)于探討近地面層物質(zhì)、能量的輸送機(jī)制也有重要意義[4,7].

20世紀(jì)40年代,Kolmogorov提出了局地均勻各向同性理論,同時(shí)首次通過(guò)量綱分析得到湍流能譜與頻率之間的-5/3指數(shù)關(guān)系[8].在此之后,Monin和Obukhov給出了湍流相似理論[9].該階段由于監(jiān)測(cè)儀器響應(yīng)較慢,不能滿(mǎn)足相關(guān)要素湍流脈動(dòng)量的測(cè)量要求,很大程度上限制了湍流理論的進(jìn)一步發(fā)展.20世紀(jì)60年代以來(lái),隨著大氣探測(cè)手段和電子計(jì)算能力的不斷提高,使得對(duì)于大氣湍流特征的分析越來(lái)越深入.1968年,AFCRL(Air Force Cambridge Research Laboratories)開(kāi)展的Kansas試驗(yàn)是第一次大規(guī)模使用快速響應(yīng)探測(cè)儀器,給出了平坦均一下墊面風(fēng)速和溫度序列,并得到了很多標(biāo)志性的結(jié)果[10].Kaimal等利用熱線(xiàn)風(fēng)速計(jì)給出了湍流動(dòng)能與穩(wěn)定度之間的關(guān)系,同時(shí)指出地形對(duì)湍流譜的低頻擾動(dòng)可使其峰值產(chǎn)生位移[11,12].通過(guò)HEIFE和HUBEX試驗(yàn)分別得出了中國(guó)西北戈壁和淮河流域地區(qū)的湍流能譜特征[13,14].劉樹(shù)華等對(duì)長(zhǎng)白山森林冠層上下兩個(gè)高度的湍流譜結(jié)構(gòu)、局地各向同性和耗散率進(jìn)行分析,揭示了森林粗糙表面在湍流輸送過(guò)程中的動(dòng)力擾動(dòng)和對(duì)大渦的破碎作用[15].此后通過(guò)EBEX-2000試驗(yàn)分析了美國(guó)加州棉田湍流速度、溫度和濕度在不同穩(wěn)定度下的特征,并與Kansas和長(zhǎng)白山森林實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較.倪攀等針對(duì)科爾沁半干旱風(fēng)沙草原地區(qū)進(jìn)行了湍流譜和協(xié)譜的分析,發(fā)現(xiàn)半干旱風(fēng)沙草原下墊面相對(duì)森林,其湍渦在輸送過(guò)程中的破碎作用較小,物質(zhì)、能量主要以大渦形式輸送[4].溫雅婷等發(fā)現(xiàn)塔克拉瑪干沙漠腹地水平湍流尺度范圍介于森林和草地之間且不穩(wěn)定層結(jié)比穩(wěn)定層結(jié)的譜峰更偏向低頻端,峰值尺度更大[6].總體來(lái)說(shuō),針對(duì)沙漠下墊面湍流譜特征的研究相對(duì)較少,沙漠下墊面是否滿(mǎn)足湍流能譜與頻率之間的指數(shù)關(guān)系及渦度相關(guān)系統(tǒng)在該下墊面能否滿(mǎn)足對(duì)高頻和低頻率信號(hào)的響應(yīng)仍需開(kāi)展進(jìn)一步分析.

拐子湖位于巴丹吉林沙漠北緣,屬內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟額濟(jì)納旗地區(qū).這里自然條件異常惡劣,干旱、高溫、大風(fēng)、沙塵暴頻繁是這里的主要?dú)夂蛱攸c(diǎn).整體為典型的內(nèi)陸溫帶荒漠氣候,處于中國(guó)夏季風(fēng)邊緣區(qū),對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)十分敏感.干旱少雨,蒸發(fā)量較高,年均氣溫為9.2℃,最高溫度44.8℃,最低溫度-30.7℃.年均降水量?jī)H42.9 mm,潛在蒸發(fā)量高達(dá)4 217.9 mm[16,17].該區(qū)域風(fēng)沙災(zāi)害頻發(fā),是內(nèi)蒙古強(qiáng)和特強(qiáng)沙塵暴的主要多發(fā)區(qū)之一,同時(shí)也是我國(guó)沙塵暴北方路徑的必經(jīng)之地[18].主風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng),年均8級(jí)以上大風(fēng)約58次,沙塵暴30 d左右,歷史最高風(fēng)速為38 m/s.地表以大面積流沙覆蓋為主,平均粒徑為250～500 μm,與塔克拉瑪干、古爾班通古特、騰格里沙漠相比,其沙粒粒徑相對(duì)較粗.目前,針對(duì)巴丹吉林沙漠的研究多集中于高大沙山的形成和演化、湖泊-地下水關(guān)系、地表風(fēng)蝕起沙、沙漠氣候變化等問(wèn)題,而關(guān)于該地區(qū)陸氣相互作用的研究,特別是陸氣湍流能譜分析卻相對(duì)較少.本文利用位于巴丹吉林沙漠北緣拐子湖通量觀(guān)測(cè)站2013年6月的湍流通量資料,分析該地區(qū)流沙下墊面不同穩(wěn)定度條件下,湍流速度各分量譜和溫度譜及湍流的局地各向同性特征.這對(duì)進(jìn)一步了解沙漠地區(qū)湍流特征及物質(zhì)、能量的輸送機(jī)制有重要意義,并且為分析和評(píng)價(jià)沙漠下墊面不同大氣穩(wěn)定度下的渦度相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量提供參考依據(jù).

1 研究設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

所用資料來(lái)自于拐子湖氣象站以南1 km處的陸氣湍流通量觀(guān)測(cè)系統(tǒng)(41°22′N(xiāo),102°22′E,海拔960 m)(圖1).該觀(guān)測(cè)系統(tǒng)由中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所于2012年6月建成,整體位于平坦的流動(dòng)沙地之上.主要設(shè)備包括:10 m梯度風(fēng)、溫、濕探測(cè)系統(tǒng),渦度相關(guān)探測(cè)系統(tǒng),輻射及土壤溫、濕度觀(guān)測(cè)系統(tǒng).其中,渦度相關(guān)探測(cè)系統(tǒng)安裝在距地面3 m高度處,由三維超聲風(fēng)速儀(R3-50,GILL,UK)和紅外CO2/H2O分析儀(LI-COR7500A,Campbell Scientific,USA)組成.數(shù)據(jù)采集頻率為10 Hz,存儲(chǔ)于美國(guó)Campbell Scientific公司生產(chǎn)的CR1000型數(shù)據(jù)采集器中.

1.2 湍流譜分析理論基礎(chǔ)

在大氣邊界層中觀(guān)測(cè)到的湍渦是時(shí)間和空間上的廣闊結(jié)構(gòu),對(duì)其理想的分析方法是采用譜分析[2].根據(jù)Taylor湍流冰凍理論,利用傅里葉變換,可將時(shí)間序列的信號(hào)轉(zhuǎn)化成空間分布,可發(fā)現(xiàn)不同時(shí)間和空間尺度的湍渦在整個(gè)湍流狀態(tài)中所起的作用,確定渦度相關(guān)系統(tǒng)對(duì)高頻湍流信號(hào)的響應(yīng)能力,以此來(lái)檢測(cè)評(píng)估湍流數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞.湍流能譜一般分為3個(gè)部分:含能渦區(qū)、慣性副區(qū)和耗散區(qū).Kolmogorov提出在慣性副區(qū)中風(fēng)速的湍流能譜密度表達(dá)式[8]為:

圖1 拐子湖地理位置及通量觀(guān)測(cè)站示意圖

依據(jù)泰勒假設(shè),對(duì)湍流能譜密度函數(shù)積分,將波數(shù)空間轉(zhuǎn)化為頻率空間,即得到湍流能譜與頻率的關(guān)系.湍流的熱力和動(dòng)力生成主要發(fā)生在靠近譜峰的低頻區(qū)域,低頻湍渦所含能量逐漸向較高頻率的小尺度湍渦傳遞,最終完全被分子熱耗散.高頻部分存在一段慣性副區(qū).慣性副區(qū)屬于符合局地均勻和各向同性的小尺度湍流中尺度稍小的子區(qū),沒(méi)有顯著的湍流能量產(chǎn)生或耗散,且遵循-2/3定律向更小尺度傳遞,湍流能量只是通過(guò)慣性力從低波數(shù)(較大尺度湍渦)向高波數(shù)(較小尺度湍渦)輸送,并在壓力脈動(dòng)的作用下在空間均勻分布[11,19].這里以風(fēng)速分量α和溫度T為例:

式中,α分別為u、v、w分量;aα為風(fēng)速分量的Kolmogorov常數(shù),Kaimal給出au=0.51,av=aw=4au/3,數(shù)值為0.5～0.6;ε為湍流耗散率;為無(wú)因次頻率,f是周期頻率,z為觀(guān)測(cè)高度為平均風(fēng)速.

1.3 湍流譜的計(jì)算和處理

將2013年6月的10 Hz原始湍流通量數(shù)據(jù)分割成每30 min為一組數(shù)據(jù).通過(guò)Eddypro 4.0軟件對(duì)分割好的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的低頻濾波、各分量脈動(dòng)計(jì)算、快速傅里葉變換(FFT)等處理后得到相應(yīng)各分量的功率譜.在此基礎(chǔ)上,對(duì)得到的功率譜高頻區(qū)進(jìn)行低通濾波、滑動(dòng)平均及湍流譜歸一化等處理后得到最終的湍流譜,相應(yīng)處理的詳細(xì)步驟見(jiàn)劉樹(shù)華和溫雅婷等[2,6]分別對(duì)EBXB-2000實(shí)驗(yàn)和塔克拉瑪干沙漠腹地的湍流譜分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 湍流強(qiáng)度分析

湍流強(qiáng)度指被水平風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)化后的標(biāo)準(zhǔn)差[19],定義為Iα= σα/U,其中Iα為各風(fēng)速分量(u、v、w)的湍流強(qiáng)度,σα為相應(yīng)風(fēng)速分量的標(biāo)準(zhǔn)差,U為平均風(fēng)速.從2013年6月的通量觀(guān)測(cè)資料中選取天氣系統(tǒng)較為穩(wěn)定的14-17日和19-20日作為巴丹吉林沙漠拐子湖地區(qū)湍流強(qiáng)度的分析對(duì)象,分析結(jié)果如圖2所示.從圖中可以看出,整體上風(fēng)速各分量的湍流強(qiáng)度隨平均風(fēng)速的增加而逐漸減小,其中平均風(fēng)速在1 m/s左右時(shí),各風(fēng)速分量的湍流強(qiáng)度快速下降,當(dāng)平均風(fēng)速gt;2 m/s時(shí),風(fēng)速各分量的湍流強(qiáng)度逐漸穩(wěn)定,基本限定在0.5以?xún)?nèi).風(fēng)速各分量的湍流強(qiáng)度平均值依次為0.31、0.30和0.09,Iu和Iv大小相似且均大于Iw.整體上符合泰勒假說(shuō)的條件.

圖2 風(fēng)速各分量的湍流強(qiáng)度與平均風(fēng)速的關(guān)系

2.2 湍流譜分析及譜峰頻率和波長(zhǎng)

2.2.1 湍流譜分析

利用2013年6月的渦度相關(guān)通量數(shù)據(jù),從中選取天氣晴朗且湍流充分發(fā)展的6月20日作為重點(diǎn)研究對(duì)象,對(duì)其全天的大氣穩(wěn)定度((z-d)/L)進(jìn)行計(jì)算(圖3).大氣穩(wěn)定度((z-d)/L)的定義為:

其中,z為傳感器的安裝高度,此處為3.0 m;d為零平面位移,研究區(qū)為裸露的流沙下墊面,此處為0 cm;L為奧布霍夫長(zhǎng)度;為平均溫度的特征值;u為摩擦風(fēng)速;k為卡曼常數(shù),此處取0.4;g為重力加速度;為熱量通量.當(dāng)(時(shí),大氣處于不穩(wěn)定層結(jié);當(dāng)(z-d)/L=0時(shí),大氣處于近中性層結(jié);當(dāng)(z-d)/Lgt;0時(shí),大氣處于穩(wěn)定層結(jié).6月20日全天的大氣穩(wěn)定度變化如圖3所示,從中特選取11:30-12:00和12:00-12:30代表大氣層結(jié)的不穩(wěn)定狀態(tài),平均大氣穩(wěn)定度分別為-1.810和-1.402;5:00-5:30和9:00-9:30代表大氣層結(jié)處于近中性狀態(tài),平均穩(wěn)定度分別為0.011和0.010;23:00-23:30和00:00-00:30代表大氣層結(jié)處于穩(wěn)定狀態(tài),平均穩(wěn)定度分別為0.975和0.638,相應(yīng)的湍流通量數(shù)據(jù)進(jìn)行湍流能譜分析.

圖3 2013年6月20日拐子湖地區(qū)流沙下墊面大氣穩(wěn)定度日變化情況

在不同大氣穩(wěn)定度條件下,對(duì)巴丹吉林沙漠北緣拐子湖地區(qū)流沙下墊面3 m高度處的風(fēng)速分量和溫度進(jìn)行能譜分析.結(jié)果如圖4所示,其中橫坐標(biāo)為無(wú)因次頻率,縱坐標(biāo)為歸一化的湍流能譜在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下,速度能譜曲線(xiàn)在低頻區(qū)相對(duì)分散,在慣性副區(qū)內(nèi)逐漸有合并趨勢(shì)且歸一化湍流能譜在該區(qū)域內(nèi)大體遵循Kolmogorov提出的-2/3定律(圖4a、4b、4c).整體來(lái)看,在不同的大氣穩(wěn)定度下各風(fēng)速分量的低頻區(qū)均呈現(xiàn)能譜曲線(xiàn)隨大氣穩(wěn)定度逐漸增加而降低且向高頻端移動(dòng)的排列趨勢(shì).這一結(jié)果與Kansas實(shí)驗(yàn)得到的能譜曲線(xiàn)分布規(guī)律是一致的,但與之相比本研究中風(fēng)速能譜曲線(xiàn)依次排列的規(guī)律并不十分明顯.這是由于隨著穩(wěn)定度的增加,各風(fēng)速分量相應(yīng)的湍流能量逐漸減小,進(jìn)而造成能譜曲線(xiàn)隨之降低且湍流尺度減小,向高頻端移動(dòng).大氣不穩(wěn)定時(shí),譜峰能量偏向低頻端,那里存在更多能量且較大尺度的湍渦,同時(shí)也顯示了沙漠地區(qū)對(duì)湍流相對(duì)于其他下墊面較小的破碎作用.此外,與溫雅婷[6]和倪攀[4]分別對(duì)塔克拉瑪干沙漠和科爾沁草地湍流能譜的研究結(jié)果類(lèi)似,發(fā)現(xiàn)本研究中各風(fēng)速分量的能譜曲線(xiàn)在穩(wěn)定條件下,能譜的高頻端出現(xiàn)類(lèi)似的上翹現(xiàn)象,但相對(duì)微弱.這說(shuō)明此時(shí)的信號(hào)被噪聲干擾,需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的濾波處理.同時(shí),值得注意的是u譜和v譜在部分穩(wěn)定度下的低頻端具有上翹現(xiàn)象,以至于能譜曲線(xiàn)沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的譜峰.這種能譜曲線(xiàn)的低頻端上翹現(xiàn)象在Cava等利用南極Nansen Ice Sheet觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行湍流譜分析過(guò)程中也有發(fā)現(xiàn)[20],并且在倪攀針對(duì)科爾沁草地湍流能譜分析中也有所提及[4],但究其產(chǎn)生的原因還不是十分清楚,還有待進(jìn)一步研究.

對(duì)于溫度能譜來(lái)說(shuō),許多研究認(rèn)為,在不穩(wěn)定層結(jié)下,溫度能譜曲線(xiàn)在慣性副區(qū)遵從-2/3冪次率,無(wú)因次頻率大于0.3;在穩(wěn)定層結(jié)下,無(wú)因次頻率大于0.8時(shí),能譜曲線(xiàn)服從-2/3定律.同時(shí),在低頻的含能區(qū)域,溫度能譜曲線(xiàn)隨穩(wěn)定度參數(shù)呈現(xiàn)規(guī)則的依次變化.對(duì)照本研究中的溫度能譜,整體上其分布的規(guī)律性較弱.在不同穩(wěn)定度下,各溫度能譜曲線(xiàn)基本遵從-2/3冪次率.相比各風(fēng)速譜,溫度能譜在z/L為0.011和0.010兩個(gè)近中性層結(jié)下,分布整體較為分散.同時(shí)在各大氣穩(wěn)定度下,溫度能譜也沒(méi)有表現(xiàn)出如風(fēng)速能譜按照穩(wěn)定度不同依次排列的現(xiàn)象.

2.2.2 譜峰頻率和波長(zhǎng)

圖4 拐子湖地區(qū)流沙下墊面3 m高度處風(fēng)速分量和溫度在不同大氣穩(wěn)定度下的歸一化譜

譜峰頻率是湍流譜能量最大值對(duì)應(yīng)的頻率,譜峰波長(zhǎng)反映的是對(duì)湍流能量貢獻(xiàn)最大的渦的尺度,譜峰波長(zhǎng)越大,對(duì)應(yīng)的湍渦尺度也越大.根據(jù)Taylor假設(shè):λmα=(z-d)/nmα,其中nmα是風(fēng)速分量(u、v、w)和溫度(T)譜對(duì)應(yīng)的譜峰頻率;λmα為譜峰波長(zhǎng).從表1拐子湖地區(qū)流沙下墊面風(fēng)速分量和溫度在不同大氣穩(wěn)定度下,湍流能譜的譜峰頻率和譜峰波長(zhǎng)可見(jiàn),隨著大氣穩(wěn)定度的逐漸增加,風(fēng)速分量和溫度能譜對(duì)應(yīng)的譜峰頻率均有不同程度的增加,對(duì)應(yīng)的譜峰長(zhǎng)度則逐漸減小,其中在不穩(wěn)定層結(jié)下各分量譜峰波長(zhǎng)達(dá)到最大值.這說(shuō)明隨大氣穩(wěn)定度的增加,各分量對(duì)應(yīng)的湍渦尺度逐漸減小.同時(shí),通過(guò)橫向?qū)Ρ瓤砂l(fā)現(xiàn)w譜峰波長(zhǎng)整體上小于u譜和v譜.這符合一般垂直湍渦尺度相對(duì)較小的認(rèn)識(shí).

此外,與其他下墊面湍流尺度相比,Kansas實(shí)驗(yàn)得出典型平坦草原下墊面湍渦的水平尺度范圍為22～2200 m,垂直尺度為5～200 m;劉樹(shù)華等對(duì)長(zhǎng)白山原始森林進(jìn)行湍流觀(guān)測(cè)研究發(fā)現(xiàn),其水平尺度范圍為3～160 m,垂直尺度為1～50 m[15];EBEX-2000實(shí)驗(yàn)得出水平湍流譜峰波長(zhǎng)范圍為4～810 m,垂直湍流譜峰波長(zhǎng)為1.2～81 m[16];溫雅婷等對(duì)與本研究下墊面同為流動(dòng)沙漠的塔克拉瑪干沙漠腹地的湍流尺度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),水平湍流譜峰波長(zhǎng)范圍為15～909 m,垂直湍流譜峰波長(zhǎng)為5～76 m.本研究得出巴丹吉林沙漠北緣拐子湖地區(qū)水平湍流尺度范圍為9.01～600 m,垂直湍流譜峰波長(zhǎng)為10.79～75 m.該結(jié)果明顯小于Kansas實(shí)驗(yàn)結(jié)果,大于長(zhǎng)白山原始森林,與塔克拉瑪干沙漠和美國(guó)加州棉花下墊面結(jié)果較為接近.其中巴丹吉林沙漠拐子湖地區(qū)的水平湍流尺度的最高值小于塔克拉瑪干沙漠和美國(guó)加州棉花下墊面,垂直湍流譜峰波長(zhǎng)的最低值高于其二者.對(duì)湍流尺度的差異比較,證明了不同下墊面對(duì)湍渦的破碎作用,即下墊面越粗糙,對(duì)湍渦能量貢獻(xiàn)最大的渦的水平尺度越小.同時(shí),太陽(yáng)輻射及地表強(qiáng)迫的不同引起了垂直湍流尺度的差異.

2.3 局地各向同性

根據(jù)Kolmogorov湍流理論,在慣性副區(qū)各風(fēng)速分量(u、v、w)能譜滿(mǎn)足Sv(f)/Su(f)=Sw(f)/Su(f)=4/3條件,則說(shuō)明湍流符合各向同性.圖5為研究區(qū)3 m高度處不同大氣穩(wěn)定度條件下,橫向速度譜、垂直速度譜分別與縱向速度譜比值隨頻率的變化情況.整體來(lái)看,Sv(f)/Su(f)和Sw(f)/Su(f)在不同大氣穩(wěn)定條件下大體均處于4/3直線(xiàn)以下且低頻段曲線(xiàn)相對(duì)分散,高頻段集中收斂在4/3直線(xiàn)附近.隨著大氣穩(wěn)定度的增加,其中Sv(f)/Su(f)譜線(xiàn)穩(wěn)定達(dá)到各向同性條件對(duì)應(yīng)的頻率分別為0.040、0.173、0.249;對(duì)于Sw(f)/Su(f)譜線(xiàn)來(lái)說(shuō),對(duì)應(yīng)的頻率分別為0.084、0.619、0.622.可見(jiàn)在低頻段湍流譜各向同性較差,高頻段各向同性較好.這符合Kaimal提出的湍流各向同性的低頻限制理論[12].其中,Sv(f)/Su(f)的譜線(xiàn)隨著大氣穩(wěn)定度的增加相對(duì)更為遠(yuǎn)離4/3直線(xiàn)且到達(dá)4/3直線(xiàn)的頻率也逐漸增加.與其他下墊面的結(jié)果相比,本研究得到的各向同性數(shù)據(jù)在低頻段比Kansas實(shí)驗(yàn)、EBEX-2000實(shí)驗(yàn)及塔克拉瑪干腹地的結(jié)果分散的多.對(duì)比橫向速度譜和垂直速度譜分別與縱向速度譜的比值隨頻率的變化情況,其中Sw(f)/Su(f)譜線(xiàn)在低頻段更為遠(yuǎn)離4/3直線(xiàn)且達(dá)到4/3直線(xiàn)時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率相對(duì)更大,這種現(xiàn)象在大氣穩(wěn)定和近中性條件下表現(xiàn)的要比不穩(wěn)定條件更為明顯,這說(shuō)明Sw(f)/Su(f)譜線(xiàn)的低頻限制相對(duì)較強(qiáng),Sw(f)在低頻處能量更小.

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)巴丹吉林沙漠拐子湖地區(qū)流沙下墊面3 m高度的陸氣通量資料進(jìn)行分析,得到了研究區(qū)近地層湍流速度譜、溫度譜及局地各向同性特征,結(jié)果分析表明:

表1 拐子湖地區(qū)流沙下墊面3 m高度處風(fēng)速分量和溫度在不同大氣穩(wěn)定度下湍流能譜的譜峰頻率和譜峰波長(zhǎng)

圖5 拐子湖地區(qū)流沙下墊面3 m高度處不同大氣穩(wěn)定度條件下風(fēng)速譜的湍流各向同性特征

(1)在巴丹吉林沙漠北緣拐子湖地區(qū)流動(dòng)沙漠下墊面,風(fēng)速各分量的湍流強(qiáng)度隨平均風(fēng)速的增加而逐漸減小.平均風(fēng)速gt;2 m/s時(shí),風(fēng)速各分量的湍流強(qiáng)度逐漸穩(wěn)定,基本限定在0.5以?xún)?nèi),Iu和Iv大小相似且均大于Iw.整體上符合泰勒假設(shè).

(2)在不同大氣穩(wěn)定度條件下,速度和溫度能譜曲線(xiàn)在低頻區(qū)相對(duì)分散,在慣性副區(qū)內(nèi)逐漸有合并趨勢(shì)且大體遵循Kolmogorov提出的-2/3定律.風(fēng)速分量的能譜曲線(xiàn)隨著穩(wěn)定度增加逐漸降低且向高頻端移動(dòng),湍流能量和尺度均逐漸減小.大氣不穩(wěn)定時(shí),譜峰能量偏向低頻端,那里存在更多能量且較大尺度的湍渦,同時(shí)也顯示了沙漠地區(qū)對(duì)湍流相對(duì)于其他下墊面較小的破碎作用.溫度譜線(xiàn)整體較為分散,隨穩(wěn)定度參數(shù)的變化相應(yīng)的排列規(guī)律不明顯.

(3)隨著大氣穩(wěn)定度的逐漸增加,風(fēng)速分量和溫度能譜對(duì)應(yīng)的譜峰長(zhǎng)度則逐漸減小,即湍渦尺度逐漸減小.本研究得出研究區(qū)水平湍流尺度范圍為9.01～600 m,垂直湍流尺度范圍為10.79～75 m.該結(jié)果與其他下墊面的對(duì)比,進(jìn)一步證明了粗糙下墊面對(duì)湍渦的破碎作用.

(4)通過(guò)各向同性分析結(jié)果顯示,在不同大氣穩(wěn)定條件下,速度各分量譜在高頻段均能滿(mǎn)足各向同性,符合Kaimal提出的湍流各向同性的低頻限制理論.

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Characteristics of Surface-layer Turbulence Spectra under Different Atmospheric Stability in Guaizi Lake Region of Badain Jaran Desert

ZHENG Xinqian1,PENG Dongmei1,WU Ye2,3,ZHOU Chenglong2,3,CHAN Xiumei4,Ali Mamtimin2,3*
(1 Xinjiang Agro-Meteorolical Observatory,Urumqi 830002,China;2 Institute of Desert Meteorology,China Meteorological Administration,Urumqi 830002,China;3 Taklimakan Desert Atmosphere and Environment Station,Tazhong 841000,China;4 Burqin Meteorological Bureau,Burqin 836600,China)

In this paper,we analyzed the turbulence spectral characteristics of wind speed(u,v,w)and temperature and the turbulence spectral local isotropy of the Guaizi lake shifting sandy land in different atmospheric stable stratification condition by use of land-atmosphere turbulent flux data in June 2013.The result indicated that the turbulence intensity of wind speed(u,v,w)decreased with the increase of wind speed,which was gradually stabilized and less than 0.5 when average wind speedgt;2 m/s.Under different atmospheric stable stratification condition,the wind speed and temperature spectra had concentrated tendency and they followed the-2/3 law in the higher frequency.The wind speed (u,v,w)spectra fit lower frequency limit for isotropy.With the increase of atmospheric stable stratification condition,the curve of wind speed (u,v,w)spectra decreased gradually and then moved toward the region of higher frequency,and the peak wavelength of the wind speed and temperature spectra decreased gradually.In Guaizi lake shifting sandy land,the horizontal peak wavelength of the wind speed ranged from 9.01 to 600 m,and the vertical peak wavelength of the wind speed ranged from 10.79 to 75 m.The values of the peak wavelength were between the value in forest and in grassland,and they were similar to that of Taklimakan Desert.

Badain Jaran desert;turbulence;atmospheric stability;spectra analysis;local isotropy

P425.2

A

1002-0799(2017)05-0063-07

鄭新倩,彭冬梅,吳燁,等.巴丹吉林沙漠北緣拐子湖近地層湍流能譜特征分析[J].沙漠與綠洲氣象,2017,11(5):63-69.

10.12057/j.issn.1002-0799.2017.05.009

2017-03-01;

2017-04-01

國(guó)家自然科學(xué)基金(41505008、41575008、41305107).

鄭新倩(1987-),女,工程師,主要從事為農(nóng)業(yè)氣象服務(wù).

E-mail:zhengxinqian1987@126.com

買(mǎi)買(mǎi)提艾力.買(mǎi)買(mǎi)提依明(1978-),男,維吾爾族,副研究員,主要從事沙漠陸面過(guò)程研究.E-mail:ali@idm.cn