云南大理干湿季近地层湍流特征对比分析.doc

云南大理干湿季近地层湍流特征对比分析中日JICA合作项目,云南省气象局青年研究基金,云南省气象局短平快项目(D200807)共同资助
作者简介：杨智,男,1983年生,学士,助理工程师,从事边界层气象研究。Email:[e-mail]
收稿日期：

杨智1,2刘劲松1朱以维1董保举1
（1大理国家气候观象台，大理671003;2云南省气象局科技减灾处，昆明，650034）
摘要：利用大理国家气候观象台2007年3月～2008年1月观测资料，采用涡动相关法等计算方法分析了该地区湍流强度、湍流方差、湍流通量等特征量的日变化规律和干湿季变化特征。结果表明，湍流强度干季大于湿季。湍流方差与稳定度满足1/3次方定律，风速方差在稳定条件下比不稳定条件下离散，水平方向比垂直方向离散。湍流通量有明显日变化特征，感热、动量通量干季大于湿季，潜热通量湿季大于干季，干湿季热量交换以潜热为主。
关键词：大理涡动相关法近地层湍流特征

引言：
下垫面与大气相互作用主要发生在近地层，并以湍流方式进行物质和能量交换。大气中的湍流交换结果造成了动量、热量、水汽等的重新分布，因而也决定了风、温、湿等诸要素的分布[1]。因此，对近地层湍流特征的分析显得尤为重要，分析确定动量、热量和水汽等湍流参数的变化特征，将有助于改进西南地区的边界层参数化方案[2]。
大理位于云贵高原西部，受东亚季风和西南季风交替影响，具有明显的干湿季[3]，该特征与云贵高原大部分地区相似，有较好的代表性，因此，研究大理地区干湿季近地层湍流特征既可以了解山谷盆地这一特殊边界层的湍流输送过程，又有助于揭示云贵高原山地地形的地气物理过程。自20世纪70年代以来，国内外气象学家就开始不断致力于这方面的研究，到目前为止，有关青藏高原近地层湍流特征的研究已经取得了重大的进展[4][5],郭建侠[6]对华北平原湍流特征也作了较深刻的研究。但是关于云贵高原山谷盆地地形农田下垫面湍流特征的研究还鲜见报道。
大理国家气候观象台新安装的近地层通量观测系统于2007年3月正式投入使用，该仪器采用国内外先进的边界层探测仪器，可实现对风速、声学虚温、CO2和水汽脉动值的直接测定，从而将人们对地气相互作用的定量认识提高到一个新的水平，也使精确描述陆气物质和能量交换成为可能[6]。本文利用大理2007年3月～2008年1月的观测资料（由于2008年2月仪器故障，故资料不足一年），采用涡动相关法[5]，计算分析了动量、感热和潜热通量及有关的湍流特征参数，以期为云贵高原西部边界层参数化方案提供参考。
1、观测站环境
大理地处金沙江、元江和澜沧江三大水系分水岭地段，是孟加拉湾西南季风带的迎风区，属亚热带高原季风气候类型。大理近地层通量观测系统位于大理国家气候观象台内，25°42′N,100°11′E,海拔1990.5m。观测场下垫面较为平坦，满足了试验要求盛行风向的风浪区长度[7]。观测场四周环境基本可代表云贵高原西部山谷盆地地形地貌和植被特征[8]。
2、观测仪器
观测仪器安装在20m高的铁塔上，分别在铁塔2，4，10，20m安装风向风速传感器(METONE034B)，在5m处安装超声风速温度仪(CSAT3)和CO2/H2O红外气体分析仪(Li-Cor,LI7500)。三维超声风速仪用于测量三个方向脉动风速和声学虚温，采样频率10Hz，水平、垂直风速分辨率分别为10-3m/s和0.5×10-3m/s，测量精度分别为±4.0cm/s和±2.0cm/s;CO2/H2O红外气体分析仪，用于测量大气中CO2和水汽密度，采样频率10Hz，分辨率分别为10-3mg/m3，和10-4g/m3，测量精度分别为±0.3microppm和±0.15mmol/mol。铁塔西面约2m处安装高1.5m的辐射架，其上分别安装太阳总辐射、大气逆辐射、地面反射短波辐射、地表长波辐射传感器(Kipp&Zonen,CNR1)。
3、资料处理和计算方法
在湍流资料处理中，平均时间尺度采用30分钟，计算前先进行噪声剔除[9]和坐标系二次旋转修正[10][11]。
由处理后的湍流脉动量序列，用涡动相关法直接计算湍流强度（I）、动量通量（τ）、感热通量（Hs）、潜热通量（LE）、莫宁-奥布霍夫长度(L)等参数。它们的表达式如下：
Iα=σα/(1)
τ=ρ(2)
Hs=ρCp(3)
LE=ρL(4)
(5)
式中θv和ρ分别为位温和空气密度，由同步实测气压和温度求取，Iα为三个风速分量的湍流强度(α=u，v，w)，σα为相应风速分量的标准差，为平均风速，k为Karman常数（k=0.4），g为重力加速度，Cp为定压比热，Lv为水汽的汽化热系数,u*为摩擦速度。
通过对大理2007年3～2008年1月降水量分析发现，1、3、4、11、1