Page 207 - 《高原气象》2022年第1期

1 期 杨 斌等：青藏高原东部拉萨河下游地区大气湍流交换特征研究 205
的主要研究内容。近地表边界层的湍流运动是由 自然资源要素，以及不同生长时期下的湍流谱特
许多不同空间尺度且不断变化的湍涡相互叠加而 征，本研究在蔡公堂地区建立闭路涡度相关系统，
成，可以通过频谱来表征不同尺度的湍涡变化强 作为青藏高原东部拉萨河流域自然资源要素观测
度。地-气之间能量和物质交换主要通过小湍流进 网络的一部分，初步分析该区域湍流微气象变化特
行流动，同时湍流经过下垫面植被或其他障碍物， 征。旨在为今后建立青藏高原典型流域自然资源
其速度和方向都会发生变化，进而造成了能量和物 要素的全面监测网络，评估涡度相关技术对青藏高
质流动的不确定性（Yue et al，2015）。Taylor（1938） 原区域通量观测的适用性，最后为建立青藏高原
首次利用气球和风杯观测湍流运动，量化了湍流中 陆-气相互作用系统研究方法提供技术支持，并为
的动量通量；Kaimal et al（1972）在 Kannas草原均一 陆面模式参数化方案提供依据，促进青藏高原区域
平坦下垫面上利用三维超声风速仪首次得出了湍 地面通量观测空间代表性和时空分辨率的提高。
流的归一化谱，得出湍流动量各向同性的性质（侧 2 研究区概况与研究方法
向风速谱和垂向风速谱是纵向风速谱的 4/3 倍）。
Kolmogorov（1991）研究其能谱并提出了惯性副区， 2. 1 研究区概况
该区域的能谱与频率之间的斜率满足-5/3 关系（归 研究区地处青藏高原东部拉萨河下游地区的
一化谱为-2/3 关系），其结果与 Kaimal et al（1972） 高 山 河 谷 区 ，位 于 拉 萨 市 蔡 公 堂 一 带 ，海 拔 为
的结果一致；Monin and Obukhov（1954）提出了湍 3600~3700 m。气候类型为青藏高原温带半干旱气
流的相似理论。Raupach et al（1996）研究得出湍流 候，夏季温暖，降水较多，冬季寒冷干燥。太阳辐
速度的标准差与大气稳定度的之间的关系满足 1/3 射强，日照时间长，气温日变化的温差较大，全年
的规律。当前可通过判断不同变量的归一化谱的 平均气温为8 ℃，最高气温28 ℃，最低气温-14 ℃。
惯性副区斜率、谱峰值及其对应频率，以及湍流的 拉萨地区降水少，年平均降水量 320~520 mm，多
相似性特征，可有效评价涡度相关系统仪器观测质 集中在 6-9 月，占全年降水量的 85% 以上，空间分
量（倪攀等，2009）。 布东多西少。年蒸发量达 1369. 2 mm，平均相对湿
青藏高原（下称高原）具有特殊的热力学和动 度 45%。平均气压 650 hPa，平均最大风速为 16. 3
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力学的特征，其环境效应在气候变化中占据了非常 m·s 。因海拔高且日晴夜雨型特点突出，有"日光
重要的地位（李家伦和洪钟祥，2000）。祁永强和王 城"之美誉（李春花等，2014）。下垫面类型主要为
介民（1996）初步分析了青藏高原五道梁近地层湍 高寒草甸。
流强度和湍流谱特征。苗曼倩等（1998）研究了拉 2. 2 研究资料
萨和林芝两地的总体输送情况，得出青藏高原的总 本研究使用蔡公堂通量站的闭路涡度相关系
体输送系数（Bulk transfer coefficient，C ）较平原具 统架设于 2020 年 8 月，测量 2. 5 m 高度处的 H O、
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有更显著的日变化特征。王寅钧等（2015）研究了 CO 、潜热和感热通量。其中使用三维超声风速仪
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青藏高原东南缘湍流特征，揭示了湍能强弱依赖于 （CSAT3A，Campbell Scientific，USA）测定三维风
下垫面植被的变化状况以及局地稳定度特征。段 速（u，v 和 w 方向，单位：m·s ）和超声虚温（单
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丽君等（2017）研究了青藏高原西南部狮泉河站、东 位：℃），使用近红外气体分析仪（EC155，Camp‐
南部林芝站的湍流通量具有明显的日变化特征，两 bell Scientific，USA）测量空气 H O 和 CO 的浓度
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站湍流平均动能与平均风速呈正相关关系，垂直动 （单位分别为 μmolCO·mol 和 mmolH O·mol ），
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量表现为向下传输，热量和水汽表现为向上传输。 仪 器 测 量 频 率 为 10 Hz，最 后 使 用 数 据 采 集 器
马耀明等（2002）对青藏高原湍流强度研究指出地 （CR6，Campbell Scientific，USA）进行数据存储和
表与大气之间热量交换驱动了青藏高原热力和动 在线订正，订正方法主要有峰值剔除，延时校正，
力效应。这些研究揭示了青藏高原不同下垫面的 坐标旋转，超声温度校正和 WPL 密度校正（徐自为
湍流特征及其空间异质性，但对同一区域不同植被 等，2008）。最后输出高频原始数据和 30 min 间隔
生长时期环境下的湍流特征的观测研究较少，并且 的通量数据。
缺乏流域尺度中自然资源要素的系统观测，这关系 2. 3 湍流谱计算
到青藏高原典型流域中碳水通量的精确观测。 涡度相关系统测得的湍流是具有不同时空尺
综上，为了揭示青藏高原典型流域尺度下的 度的湍涡叠加后的结果，通过傅里叶变换可以得出
地-气相互作用特征，并在该尺度下更全面的监测 不同频率下的湍流谱密度分布。谱密度反映了不