半干旱地区非均匀下垫面湍流输送效应及总体输送系数研究

大气线性热力学的理论结果为研究非均匀下垫面湍流输送和陆面过程参数化奠定了理论基础。但这些结果在经典大气边界层物理研究中均未曾涉及，需要更加丰富的观测实验来证明。本项目依据定西干旱基地、兰州大学黄土高原站、张掖国家气候观象台及以往HEIFE、NWC-ALIEX等资料，利用非平衡态线性热力学理论，确定半干旱地区非均匀下垫面交叉耦合系数和湍流输送系数，研究非均匀大气边界层线性唯象系数和湍流输送系数之间的关系及非均匀下垫面湍流输送特征；建立适合大气模式的非均匀下垫面陆面过程参数化方案，研究主要陆面非均匀因子的非均匀性对交叉耦合系数及线性唯象系数和湍流输送系数的影响，确定非均匀下垫面湍流总体输送系数；并通过陆面模式校验非均匀下垫面湍流总体输送系数对模拟结果的影响。这项研究对丰富大气湍流理论具有科学意义，对解决半干旱地区非均匀下垫面陆面过程参数化具有现实意义，对提高大气模式的模拟能力具有参考价值。

1）讨论了不同稳定度条件黄土高原非均匀下垫面湍流通量“源区”，分析了风速梯度对能量闭合度的影响，揭示了地形的非均匀性对湍流强度的特征。给出了黄土高原主要陆面特征参数的参数化结果。确定了总体输送系数、地面粗糙度和土壤热力参数等主要陆面参数，分析了其变化特征和影响规律，建立了上述陆面特征量的参数化公式。2）建立了总体输送系数与近地层风速的关系：分析了水平风速影响总体输送系数的物理机制，建立了动量和感热总体输送系数与近地层全风速、不同稳定度条件下的非线性关系。研究结果拓展了总体输送系数与近地层风速之间的关系，对其作用规律有了全新认识。3）研究了云和降水的扰动对辐射收支各分量的削弱作用及对地表能量平衡的影响规律。年平均结果表明，多云状况可以作为年平均的气候背景；云和降水对短波辐射削弱最强。生长季，多云状况的能量闭合度最好，非生长季受积雪影响，能量不闭合差额明显大于生长季。4）分析了黄土高原和蒙古高原陆面过程特征。研究了黄土高原榆中地区和蒙古高原锡林郭勒草原的陆面辐射、热量特征和其它陆面物理量的特征及其气候特征。5）利用CABLE陆面模式模拟了我国黄土高原地区陆面能量平衡分量的基本特征。