非均匀下垫面湍流相干结构特征及其对近地层通量传输贡献

Turbulent coherent structures are organized flow form usually observed in atmospheric surface layer, which play an important role in the transport of energy and fluxes in the interaction between land and air. In this research, we will carry out a field observation over a heterogeneous underlying surface which is covered by shrubs and located in the area of South China. A 70m tower with five-level gradient observation and three-level Eddy Covariance CO2/H2O analyzer, a wind profiler and the array of supersonic anemometers are used to obtain turbulent coherent structures. By means of coherent structure theory and statistical methods, we will focus on the following four questions: 1) to establish a method for recognizing coherent structures over the heterogeneous underlying surface. 2) to reveal the characteristics of multi-scales and intermittency of coherent structures and its dependence on meteorological elements. 3) to discover the interaction mechanisms of the coherent structures at different levels, and 4) to quantify the contribution of coherent structures to the momentum, sensible heat, latent heat and carbon dioxide fluxes. Therefore, this research is significant for the theory and application of coherent structures over heterogeneous underlying surface. We will try to get the better knowledge for the contribution of coherent structures to the fluxes transport.

湍流相干结构是大气近地面层普遍存在的有组织流动形态，在陆气相互作用过程中对能量及物质传输有重要贡献。本申请拟选取华南地区典型丘陵灌木非均匀下垫面为野外观测试验场，在70米气象塔上设置3层涡动系统及二氧化碳和水汽吸收仪、5层气象要素梯度、风廓线雷达及超声风速仪阵列，垂直和水平探测相结合，获取非均匀下垫面湍流相干结构信息，取得不少于一年的长时间序列观测资料，通过理论和统计分析，建立适用于非均匀下垫面湍流相干结构的多因子识别方法，揭示湍流相干结构的影响因子及多尺度性和间歇性特征，解释湍流相干结构相互作用机制，量化湍流相干结构多尺度特性对近地面层动量、感热、水汽和二氧化碳通量传输贡献及高度差异性机理。通过本研究，可望丰富非均匀下垫面湍流相关结构研究的理论和方法体系，深化湍流相干结构对通量传输贡献的认识，并在非均匀下垫面陆面过程研究中取得具有突破性的研究成果。

相干结构是湍流运动中的有组织流动形态，在陆气或海气相互作用过程中对能量及物质输送有重要贡献。本项目从野外观测入手，通过理论和模式分析，重点研究近地面层湍流相干结构的识别方法及其对通量传输贡献。项目执行期内主要进行了以下研究：首先，优化野外设计方案获取多年多源大气边界层及陆面过程三维探测数据。其次，利用水平和垂直探测资料，探讨相干结构识别方法、特征、影响因子以及对湍流通量输送贡献。第三，利用激光雷达走航观测数据，研究南海北部大气边界层和气溶胶光学特性。最后，采用数值模式方法，分析城市化对近地面气温影响。取得的重要结果和关键数据及其意义为：.1.已获取长时间序列高频次多源探测数据集，不仅为本项目大气边界层及湍流相干结构研究提供重要保障，也可应用于陆面过程和地表能量平衡研究，进而服务于天气、气候和环境预测模式验证和改进。依托本项目观测基地，获批立项广东省野外科学观测研究站（500万元）。.2.研究发现近地面层湍流相干结构特征（持续时间、出现频次和时间份数）不依赖于气象因子，也与稳定度无关，但相干结构的斜坡强度受稳定度、摩擦速度和湍流动能影响。该发现对湍流扩散引起的物质和能量传输有重要意义。.3.利用改进的象限分析方法，探讨湍流相干结构（上冲和下扫）对通量传输贡献，结果显示相干结构具有很高的传输效率，在30min时间尺度内以约33%的出现时间贡献了约75%的湍流通量。.4.不稳定层结时非局地大涡导致通量传输非相似性减弱，主要原因为非局地风剪切和位相差减小致使不同高度间相互作用加强，揭示了不同高度间湍流相干结构相互作用的内在机制，丰富了近地面层湍流相干结构理论。.5.开展南海北部走航探测，揭示大气边界层时空变化规律及气溶胶消光系数、后向散射系数、退偏比和传输路径特征。.6.模拟城市化和温室气体排放对气温影响的相对贡献，研究结果表明应更加关注京津冀地区未来可能发生的低温事件和粤港澳大湾区的高温事件。