半干旱区大气边界层湍流相干结构对地表能量平衡的贡献

There has been imbalance in surface energy in recent years. Coherent structure is coherent flow in turbulence and plays an important role in turbulent transfer. The coherent structure can transfer energy by its own movement as well as by fluctuations of its fluid elements constituting it. However, its own movement is always beyond detection when turbulent data quality control and averaging are applied, which will in some degree result in underestimating sensible heat flux and latent heat flux of surface energy, and then in part cause the problem of surface energy imbalance. This project uses wavelet analysis technique and Hilbert-Huang transform to extract the coherent structure from the originally observed turbulent data and then use the ideal average value which is an inverse-calculation result, to correct its signals. After those, study the characteristics and rules of numbers of coherent structures at each 30-min time series data, time cover fraction, event duration, Taylor length scale, ramp intensity and Hilbert spectrum under different atmospheric stratifications in combination with conditional average method; study the contribution of coherent structure to turbulent energy flux through decomposing the flux into coherent structure part and non-coherent structure part; study its effect on the eddy covariance technique and attempt to introduce the effect into the technique; study its contribution to surface energy balance. This is significant in the study of the problem of surface energy balance and in the understanding of coherent structure of atmospheric turbulence.

地表能量近年一直存在不平衡问题，相干结构是湍流中的拟序流动，它对湍流输送具有重要作用。相干结构除以构成它的流体微元的脉动输送之外，其自身的迁移也是输送的重要方式，而后者在进行湍流资料质量控制和平均时往往不能被测到，在一定程度上会造成感热和潜热的低估，进而部分引起地表能量的不平衡。本项目采用小波分析与希尔伯特--黄变换两种方法从原始湍流观测数据中提取相干结构信号，然后再以反得的理想情况的均值对之进行订正，接着结合条件平均法研究不同稳定度条件下半干旱区相干结构的数目、占时比、持续时间、斜坡强度、Taylor长度尺度以及希尔伯特谱的特征与规律；通过将通量分解为相干结构与非相干结构贡献之和的方法，研究其在湍流能量通量中的贡献；研究相干结构对涡动相关法的影响，并尝试在该法中考虑相干结构的贡献；研究相干结构对地表能量平衡的贡献。这对地表能量平衡问题的研究和对半干旱区大气湍流相干结构的认识具有重要意义。

地表能量不平衡近30-40年来在微气象学界普遍发现的现象。相干结构在湍流中占有重要地位，它对湍动能与雷诺应力的产生、质量和能量的输送具有重要作用。相干结构形成后，就会对流动产生组织，这将改变流场结构，并对流动分离产生重要影响，进而对以Reynolds平均为基础的各种方法(比如涡动相关法)产生重要影响。因此，研究相干结构对地表能量不平衡的作用有重要意义。.本课题首先编写了以小波变换提取湍流相干结构的程序，该程序不止可以提取单个，而且还可以提取连发的相干结构。本课题分析了相干结构数目、持续时间、间隔时间、Taylor长度尺度、间歇因子、斜坡强度、猝发扫掠支的关系等特征。然后研究了相干结构在物质能量交换中的方法，针对目前文献中主要存在的估算其通量贡献方法的缺陷，我们提出了第三种方法：CL法。利用观测数据分析显示，CL法给出的动量、热量和水汽密度的通量贡献分别是7%, 11%和11%。接着，我们对线性的Reynolds平均方法进行了质疑，认为正是由于相干结构的出现导致Reynolds平均方法在流动分离上出现了致命的缺陷，这也正是大涡模拟等其他技术出现的根本原因。我们为此提出了相干结构平均方法，结果显示，基于该方法，湍流谱更接近于理论值。而且，采用该方法，感热与潜热明显比原有方法提高13%左右，地表能量平衡度也由原来的0.92、0.90和0.91（四边形法，分别对应上半天、下半天和全天）提高到1.01、1.01、1.01（四边形法）。显然，如果选用精度较高的四边形法计算地表土壤热通量，则地表能量可以获得基本完美的平衡，地表能量不平衡也因此基本得以解决。