西北地区非均匀下垫面湍流间歇性特征及对湍流输送通量的影响研究

The understanding on turbulence in the atmospheric boundary layer plays an importance role in the simulation of land-atmosphere interaction. The turbulent intermittency over heterogeneous terrains has an effect on the flux transport between land and air, while the horizontal heterogeneity of topography, vegetative cover, and soil heat flux enhances the complexity of turbulent intermittency, especially in the stable boundary layer. The existing theory can hardly describe the flux transport over heterogeneous terrain. Furthermore, the turbulent characteristics under stable conditions, where intermittency is more frequent, is one of the difficult points in the study of atmospheric boundary layer. Prior study has been done to reveal the relationship between non-turbulent motions and intermittency over homogeneous terrains. Thus, this study will focus on the turbulent structure, intermittency characteristics and flux transport over heterogeneous terrain in the northeastern area in China and revise the Monin-Obukhov Similarity Theory (MOST). Here, the adaptive Hilbert-Huang Transform (HHT) is applied to analyze turbulent intermittency and modes of the terrain and the revised MOST is more applicable to the case of heterogeneous terrains. This study is of important use to the improvement of model parameterization and simulation of regionally and globally land-atmosphere interaction.

正确理解大气边界层湍流运动特征和规律对地-气相互作用的模拟具有重要意义。非均匀下垫面多发的湍流间歇性会严重影响地气间水热和物质输送，而地形特征、地表植被和土壤热通量等要素的水平非均匀性会增加湍流间歇性（特别是稳定边界层）的复杂性，对此，现有理论很难准确描述。同时，稳定边界层的湍流特征更是大气边界层研究的难点，间歇性湍流亦更加频繁。本申请依托前期均匀下垫面湍流间歇性的研究基础，考虑复杂下垫面对边界层非湍流运动与间歇性关系的影响，拟针对我国西北地区，开展非均匀下垫面大气边界层湍流结构、间歇性特征和水热输送的分析，并研究Monin-Obukhov相似性理论（MOST）的适用性和修正方法。本申请的创新之处在于采用自适应的希尔伯特黄-变换技术，研究间歇性湍流特征及下垫面的影响模态，同时修正现有的MOST。研究成果有助于改进模式边界层参数化方案，提高区域乃至全球地-气相互作用模拟的准确性和精度。

湍流输送是大气边界层最重要的特征之一，受到下垫面的强烈影响，非均匀下垫面边界层湍流结构是现代大气科学研究的一个重要和前沿领域。深入认识和理解非均匀下垫面条件下边界层湍流运动规律对区域地-气相互作用的模拟有着极其重要的作用，有助于改进模式性能，进而提高区域乃至全球气候模拟的准确性和精度。本项目针对我国西北非均匀下垫面典型区域（张掖-绿洲下垫面，敦煌-戈壁下垫面，塔中-沙漠下垫面），在对湍流基本结构进行分析的基础上，采用自适应的分析手段和最新的信号分析技术（Hilbert-Huang Transform），对不同下垫面湍流间歇性特征及其对通量的影响开展重点研究，并对复杂下垫面条件下MOST的适用性进行了系统性研究。研究结果发现：在不同层结条件下固有模态函数IMF平均频率的斜率存在很大差异。联合概率密度函数显示：弱稳定层结，瞬时振幅随着频率的增大逐渐减小，湍涡能量随着涡旋尺度的减小而降低；极强稳定层结，因浮力抑制作用导致的涡旋尺度较小，随着涡旋尺度的减小振幅（或能量）不断增大。夜间弱稳定层结的湍流主要由下垫面的拖曳作用产生，二阶希尔伯特谱在惯性副区的斜率最接近-5/3，湍流运动发展最为充分；强稳定层结，随着湍涡尺度的增大，涡旋所含能量逐渐增加，且大尺度波动和小尺度湍流之间存在“谱隙”；极强稳定层结下湍流运动受到抑制，二阶希尔伯特谱完全不遵从三维各项同性湍流的特征。归一化标准差结果显示：剔除了非湍流运动的影响，重构数据的水平/垂直风速归一化标准差随稳定度的关系有了很大改善。相关系数分析表明：垂直温度梯度和湍流强度导致较小的通量数值发生在近中性和强稳定层结下；同时，upside-down边界层结构使得强稳定层结的湍流通量出现反向输送。整体上，白天近地面层湍流运动充分发展，三维希尔伯特谱在时域和频域上均表现出能量均匀分布的特征；夜间近地面层湍流运动呈现明显的间歇性。