基于观测的巴丹吉林沙漠地—气水热交换研究

发布时间：2020-07-26 11:14

【摘要】：巴丹吉林沙漠(BJD)是世界上沙丘高度最大的沙漠,其东南部分布着大量湖泊,形成沙山与湖泊相间分布的地貌格局。由于受交通与环境的限制,在沙漠腹地进行观测试验难度较大,相关科研资料缺乏,导致湍流特征及蒸发量研究存在不足。本文选择在沙山与湖泊,利用涡动相关系统观测近地层湍流运动,从湍流的角度分析地-气之间湍流输送及物质交换特征,并计算沙山和湖面蒸发量。以期能补充该地区相关研究,为巴丹吉林沙漠湖泊水循环研究提供基础依据。针对湖-山相间分布的地貌格局下湍流输送特征,选取沙山和湖面上同期观测到的湍流资料,对比研究了两种下垫面上近地层湍流相关参数和输送特点。结果表明陆面和湖面上的摩擦速度具有明显的昼夜变化,湖面上的摩擦速度要小于陆面。近地层大气湍流场有昼夜及季节变化,大气稳定度存在一定的差异。由于湖泊的存在,使局地大气层不稳定性加剧,加强了大气湍流强度,改变了局地大气流场。感热输送系数(CH)和动量输送系数(Cd)有明显的日变化,在同一种下垫面上,感热输送系数大于动量输送系数,在沙漠腹地地-气湍流通量交换中,感热交换比较活跃,湖-气界面上感热输送比动量输送重要。陆面和湖面湍流三维风速的标准差与稳定度之间均满足1/3次方律,满足普适函数,但湖面和陆面函数系数存在差异。湍流的Monin-Obukov相似理论在沙漠腹地基本能适用,局地各向同性理论同样满足。湍流协谱分析表明湖泊和周围沙山之间存在热量和水汽交换,并且均存在水汽向下输送的现象；湖面上各尺度湍涡对水汽通量输送的贡献大,而陆面则反之,各种尺度湍涡对感热通量输送的贡献大。湖一山相间的地貌格局对湍流输送产生影响。为了进一步探讨地-气之间能量与热量交换,通过分析观测数据发现,陆面和湖面辐射收支和湍流热通量存在差异。由于陆面和湖面性质不同,地表短波辐射(UR)和地表长波辐射(ULR)存在明显不同,导致辐射能量分配出现差异。湖泊储存能量的能力远大于裸露的陆面,加剧本地区地表能量分布的不均。除去两站的海拔的差异,巴丹吉林沙漠腹地这些湖泊得到的净辐射比裸露的陆面要大,湖泊在能量收支中的“绿洲效应”明显。在陆面上是感热通量大,潜热通量小,感热通量和潜热通量变化趋势一致；而湖面则是以潜热通量传输为主,感热通量小,感热通量和潜热通量呈负向变化。从能量平衡的角度来说,陆面吸收的太阳辐射主要用来加热大气和地表的土壤,而湖面吸收的太阳辐射热量主要是用来湖水蒸发。巴丹吉林沙漠中这些湖泊与沙山相间分布,在局地环流的作用下,有利于湖泊的水汽向沙山上输送,同时周围的沙山的存在,也有利于水汽的截留。陆面的土壤热通量占太阳净辐射很大的比例,土壤热储存的作用不可忽视,陆面上能量平衡能达80.90%；湖面平均湍流热通量要大于湖泊获得的净太阳辐射能,湖泊补给带来的能量不可忽视。两种下垫面上地-气间能量及热量交换存在明显差异。湖面和沙山蒸发速率差异较大。在湖.山地貌格局下,湖泊对局地水汽产生“绿洲效应”,湖面上的暖湿气流输送到周围的沙山,能加强了沙山的降水,但湖泊并不能直接增加湖面的降水量和降水强度。沙山的降水决定了其蒸发量的大小,沙山的降水入渗对地下水和湖泊补给贡献不大,湖泊补给主要是靠地下水补给。湖面上一年蒸发量累计可达1450 mm,是同期降水的十几倍,湖泊蒸发量可以用互补模型进行估算。对湖泊日蒸发量进行回归分析,最佳拟合方程是E=e0.1+0.24*(1-RH2)1/2*VPD*u[0.85*u/(u+2)]。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P339;P422.4

【参考文献】