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沙漠地区近地层能量交换特征
姓名:马建勇
专业:自然地理
沙漠地区是陆地表面重要的地貌单元之一,而我国干旱地区面积超过100万km2, 占国土面积的11%, 荒漠是干旱区的主要景观。研究沙漠地区同大气间的能量交换机制对于探索大气边界层能量输送特征具有重要的实践意义。多年来各国学者对其进行了大量研究。大气边界层中离地面大约100 m左右最近地面的这一层称为近地面层, 在近地面层中, 大气受下垫面的影响最大, 气象要素的日变化最大, 湍流的变化也剧烈。注重近地面湍流的研究主要与这一层中大气与下垫面的相互作用非常强烈有关, 而且描述湍流动量、热量和水汽的输送比较容易; 近地层还可以看作大气最大的风洞, 许多在实验室难以研究的流体力学问题可以在近地层中研究 。已有的研究主要针对近地层地气间湍流能量交换, 尤其是热量水汽、动量等的输送, 沙漠特有的近地层湍流能量交换特征, 沙漠边界层逆湿现象 以及特殊的深厚大气边界层 , 辐射收支中的矿物气溶胶效应, 沙尘天气下的湍流特征的研究等等 。本文试图总结关于沙漠地区近地层大气湍流能量交换特征的研究成果, 对近几十年来前人在沙漠大气边界层内尤其是近地层湍流能量交换特征方面的工作以及结论做简单的回顾与总结。
1 国内外研究进展
沙漠地区大气边界层研究开始于20世纪70年代, 自20世纪80 年代始, 科学家们日渐关注沙漠陆面过程的研究, 开展了许多科学实验。这些实验虽然取得了巨大成就, 但对不同下垫面陆气之间物质与能量交换描述不精确, 也制约了数值预报的准确性。在我国, 20世纪80年代苏从先等首次发现了干旱区边界层绿洲/冷岛效应0结构特征 。20世纪80年代末至90年代初中日合作在甘肃黑河流域开展的/黑河地区地) 气相互作用野外观测实验研究 ,是真正以研究干旱地区热量和辐射平衡过程为主的陆面过程试验, 是国际上首次真正的干旱区陆面过程观测试验,并由此得出干旱荒漠地表典型晴天热量平衡和辐射平衡以感热为主。由于干旱地区缺少水分, 其陆面过程的物理机制同湿润地区有质的差异。对河西走廊黑河流域中段的近地面层湍流通量和行星边界层结构、地面辐射能收支和辐射物理性质、行星边界层的数值试验等方面进行的综合研究 ,胡隐樵等和张强首次发现了邻近绿洲的荒漠大气逆
湿, 并总结提出了绿洲与荒漠相互作用下热力内边界层的特征, 同时还对局地相似性理论在非均匀下垫面近地面层的适应性做了研究 。王俊勤、胡隐樵、陈家宜等于1991年8,10月在 实验区的3种下垫面(农田绿洲、戈壁和沙漠)上进行了边界层探测, 分析结果表明, 绿洲/冷岛效应明显 。刘树华利用二维大气边界层模式研究了平坦、均匀戈壁下垫面对流大气的位温和比湿廓线及其时间变化的垂直结构 。朱平、蒋瑞宾利用黑河实验所取得的资料, 对比分析了绿洲、沙漠及戈壁边界层中风、温、湿分布规律 。张强、赵鸣等对黑河计划IOP期间在戈壁站观测的湍流脉动资料及有关梯度资料进行了分析, 得到了湍流脉动强度、湍流感热、潜热通量和温、湿梯度等的若干特征。马志福,谭芳, 候勤东对塔克拉玛干沙漠地区地区冬、夏季平均温度、相对湿度、气压分布规律进行了系统研究,建立了冬季平均温度预测方程 。阎宇平, 王介民等采用区域大气模拟系统模拟了黑河实验区沙漠戈壁上空的/逆湿, 并研究了/逆湿发生时沙漠戈壁大气边界层结构 。李江风等对沙漠气候及其数值模拟等方面进行了综合性研究 。奥银焕、吕世华、陈玉春 张强等利用/ 我国西北干旱区陆) 气相互作用
试验 2000年5月 6月在甘肃敦煌进行的野外观测资料, 对西北干旱区临近绿洲荒漠戈壁大气湿度特征和在绿洲影响下大气的逆湿和负水汽通量与风向和大气稳定度的关系进行了分析研究。刘树华等建立了一个研究荒漠下垫面陆面物理过程与大气边界层相互作用的模式, 并模拟了荒漠下垫面的土壤环境物理、地面热量通量、蒸发、蒸散及大气边界层结构特征, 还对主要的环境物理参数进行了敏感性实验 。梅凡民利用风温廓线法在毛乌素沙漠的一块平坦沙地上进行了观测试验, 并分别计算了中性、稳定、不稳定大气层结的空气动力学粗糙度。何清等研究了沙漠绿洲交界处肖塘地区的空气动力学粗糙度, 得出粗糙度随下垫面性质变化明显, 与稳定度呈正相关, 与风速呈负相关, 摩擦速度随粗糙度增大而减小。
2 沙漠地区大气边界层特征
2. 1 边界层特征
沙漠边界层与湿润地区相比, 其边界层厚度、干燥和沙尘含量等都是非常独特的。首先沙漠地区少云, 地表干燥, 以致地表往往能达到很高的温度, 输送到大气中的感热通量很大,使得混合层加深, 由此沙漠边界层通常比较厚, 而且一般是白天比较深厚,夜间较低, 这是由地表热力和近地层大气运动所形成的独特的大气热力边界层结构决定的。绿洲的/冷岛效应和临近绿洲沙漠或隔壁的逆湿现象是绿洲与沙漠环境相互作用的结果 。沙漠地区近地层比湿是夜间大于白天, 阴天大于晴天; 普遍存在逆湿现象, 强逆湿则主要出现在夜间尤其是凌晨, 白天虽然也出现逆湿, 但强度普遍较弱 。在塔克拉玛干沙漠腹地, 晴天夜间比湿较大, 白天较小, 沙尘日夜间比湿变化平缓, 在沙尘暴发生时, 比湿急剧增大, 并有弱的逆湿现象存在。 2. 2 近地层特征
沙漠表层热量交换(也称沙漠表层热通量) 是沙漠地表面热量平衡中的主要影响因素。表征近地面层湍流发展强弱程度的物理量之一就是湍流交换系数, 湍流交换系数随高度的增加而增大 。干旱地区戈壁下垫面卡曼常数为: 0.39 + 0.01 ,就沙漠地区的动量和感热总体输送系数而言, 在沙漠裸露地表上, 其粗糙度随风速变化不明显, 因此可视为常数, 中性总体输送系数不随风速变化 。干旱地区不同类型地表近地层湍流输送的风速随地表粗糙度增大而变大, 湍流输送变强, 且湍流输送强度与地面粗糙元密度有关。沙漠湍流交换系数随 高度的升高而增大 。沙漠春季近地面层风速梯度依次增大, 湍流动量、热量交换系数依次减小 。干旱地区可能是一个水汽输送和热能的汇。沙漠地区蒸发量很小, 地表热量平衡中以感热为主, 潜热可以忽略不计, 而且干旱地区能量和物质湍流输送的参数化必须考虑层结影响, 否则将造成严重误差 。
沙漠地区的湍流能量交换具有明显的日变化特征。如塔克拉玛干沙漠腹地湍流能量平衡特征是:湍流各分量基本上以当地时间12:00时为中心, 呈对称分布。净辐射、土壤热通量、感热通量具有非常明显的日变化特征 , 且能量输送具有不同模式和日变化进程, 沙漠大气边界层中热量、水汽和动量的湍流混合对温度、水汽和风速的垂直廓线影响很大。
2. 3 大气和地表能量收支
沙漠特有的地表物理属性, 使得地表温度能达到很高, 因而大气能接收到
强度更大的红外辐射; 而少云和低水汽含量导致大气对红外辐射吸收较低;较高的地表温度导致通过对流引起的大气感热较大; 地表少水导致通过蒸发产生的地面热支出较少。大气中的低水汽含量和少云, 导致大气中凝结潜热较低; 大气中的低水汽含量导致大气对地表和空间的红外射较弱; 沙质地表所具有的较高反照率导致地表的太阳辐射的反射率较大; 云量少导致大气反射较少; 稀疏植被导致通过蒸腾作用的支出热量较少, 并且无植被区反照率较高; 潜在的大气粉尘浓度较高在很大程度上改变了能量收支各过程。而绿洲附近沙漠地表能量收支有其特殊性, 即绿洲效应。荒漠吹来的干空气使得绿洲地表蒸发率很大, 热量损失迅速, 形成绿洲/冷岛; 绿洲周围近地表水汽通量向下。
不同沙质条件下的沙层热量昼夜变化分明, 反馈效应不同。如有短波辐射时, 沙漠吸热以感热交换为主, 夜间沙漠释放热量以潜热交换为主。所以在沙漠地区, 当沙层温度明显上升时, 在该区低空形成浅薄的热低压, 促使沙漠对大气的反馈作用形成了昼夜分明的感热和潜热交换机制, 使干旱沙漠的气候效应更为显著。撒哈拉沙漠具有较低的反照率。流动沙丘下垫面湍流输送的无量纲速度分量方差及无量纲温度、湿度脉动方差在不稳定层结下, 均满足莫宁) 奥布霍夫相似理论, 但存在近地面层能量不平衡现象。 沙漠辐射收支还受到矿物气溶胶、沙尘的影响。由于沙漠地表缺少植被, 贴地层风速很大,干燥的贴地层缺水使土壤粒子不容易附着, 沙尘很容易被扬起进入大气, 造成沙漠边界层沙尘含量高。大气矿物气溶胶、沙尘使地面射出红外辐射的吸收和再发射增加, 从而导致地面的冷却增强 , 即沙尘对太阳辐射起到增强加热的作用, 对红外辐射起到增强冷却的作用。例如, 塔克拉玛干沙漠腹地的沙尘使总辐射降低较为显著。动量、热量交换系数均呈现出沙尘暴天气条件下最大, 扬沙次之, 浮尘最小的特点; 在近地层, 湍流感热交换为主导 。
2. 4 湍流通量特征
沙漠空气动力学粗糙度影响着近地面热量、水汽和动量的湍流通量。地表越粗糙, 风速越大, 湍流输送越强, 且湍流输送强度与地面粗糙元密度有关。感热、潜热通量的大小受诸如下垫面、天气、季节等因素的影响, 因此不同下垫面的感热和潜热通量有很大的差异, 受不同天气过程影响时的感热、潜热通量也有很大的差异。沙漠地表潜热通量的分布存在较大的季节和区域性差异。温带沙漠下垫面不同沙尘天气状况下的各通量, 春季无降水的晴空天气状况下, 白天以热力湍流为主, 在近地层以湍流感热交换为主。在扬沙和沙尘暴天气过程中, 动量通量有明显的增加, 感热通量有不同程度的降低 。浮尘天气条件下, 近地层湍流输送较晴空天气条件下弱; 扬沙天气条件下, 近地层湍流感热交换和湍流动量交换都很重要, 并且湍流动量通量的峰值较晴空峰值大将近一个量级; 沙尘暴天气条件下, 湍流动量通量和感热通量都是最重要的湍流交换, 湍流交换强于扬沙天气, 强的感热对沙漠地区局地性沙尘暴的产生和加强起着重要作用。
沙漠大部分净辐射用于感热通量的散失, 另一部分用于向地下传输, 少部分则用于潜热输送: 炎热干燥的夏季, 感热交换是沙漠下垫面能量交换的主要形式, 也是影响沙漠气候变化的主要热力因素, 部分热量通过分子热交换的形式将热量传递到沙漠深层, 很少一部分热量则用于潜热交换 , 即沙漠地区地面得到的热量主要是通过感热通量的方式消耗。沙漠大部分净辐射能以感热和