中國西北干旱區(qū)戈壁下墊面夏季的熱力輸送

周德剛，黃剛，馬耀明

(1.中國科學(xué)院大氣物理研究所，北京100029;2.中國科學(xué)院青藏高原研究所，北京100085)

0 引言

我國西北干旱區(qū)，一般指我國106°E以西、35°N以北的內(nèi)陸區(qū)域，面積約占我國國土面積的四分之一。由于地處大陸腹地，同時受多種因素的影響，如青藏高原動力和熱力過程(徐國昌和張志銀，1983)、ENSO(王國榮等，2007)等，西北干旱區(qū)大部分地區(qū)的年降水量在200 mm以下。這致使此區(qū)域地表主要為沙漠、戈壁和稀疏植被所占據(jù)。在春夏季，到達地表的太陽輻射很強，地—氣間的感熱交換也非常強烈，此區(qū)域是整個歐亞大陸的高感熱區(qū)(布和朝魯?shù)龋?002;周連童，2010)。初步研究表明，西北干旱區(qū)地表的高感熱輸送及其變化，對東亞夏季風(fēng)環(huán)流以及我國華北地區(qū)和長江流域的氣候異常有重要影響(周連童和黃榮輝，2006)。

由于對西北干旱區(qū)陸面熱力輸送過程認識的不夠，氣候模式尚不足以重現(xiàn)此區(qū)域的水熱循環(huán)過程。為此，自20世紀80年代末以來，在西北干旱區(qū)相繼開展了一些觀測試驗，如1987—1993年開展了“黑河地區(qū)地氣相互作用野外觀測試驗研究”(HEIFE);此后，為了進一步加深對典型干旱區(qū)陸面過程的理解，自2000年起，又在敦煌戈壁、藏北高原五道梁和巴丹吉林臨則設(shè)站進行了“中國西北干旱區(qū)陸—氣相互作用觀測試驗”(NWC－ALIEX)，該試驗已經(jīng)連續(xù)觀測10多年。通過這些觀測試驗，在干旱區(qū)典型下墊面的輻射收支、地表參數(shù)等方面取得了許多非常有意義的研究成果(胡隱樵等，1994;張強等，2002;張強和曹曉彥，2003;張強等，2005;韋志剛等，2006)。

戈壁下墊面是西北干旱區(qū)主要的下墊面之一。在夏季時，此下墊面地—氣間存在較大的溫度差異和很強的感熱交換(張強等，2005)。再分析資料和氣候模式不能再現(xiàn)出西北地氣如此大的地氣溫差，其中，不合理的熱力學(xué)參數(shù)化方案是一個重要的原因(Yang et al.，2007)。因此，需要進一步分析戈壁下墊面的湍流輸送過程，特別是與感熱輸送相關(guān)的近地面大氣活動。NWC－ALIEX試驗在敦煌雙墩子戈壁設(shè)站對戈壁下墊面進行觀測，該站觀測對認識西北干旱區(qū)戈壁下墊面的一般湍流輸送特征具有一定的代表性。為此，本研究以敦煌雙墩子戈壁站為例，分析戈壁下墊面近地表的湍流動量和熱力輸送過程，這將有助于進一步認識戈壁下墊面地表特征參數(shù)的變化規(guī)律和進行參數(shù)化。

1 觀測資料和分析方法

所用觀測資料來自NWC－ALIEX試驗敦煌雙墩子戈壁微氣象站(以下簡稱戈壁站，94°31’E，40°10’N)，該站地處敦煌綠洲西部的雙墩子戈壁灘，海拔高度為1 150 m，下墊面主要由沙、礫石、礫砂和中粗沙組成。測站周圍為平坦的沙石戈壁，在觀測站正南部255 m左右為敦煌市第二水廠，距東部最近的綠洲為7 km。在夏季時，白天的主要風(fēng)向為東偏北風(fēng)和西風(fēng)，夜間的主要風(fēng)向為東偏北風(fēng)和西南風(fēng)(圖1)。因此白天的觀測對戈壁下墊面基本上有較好的代表性，夜間可能在一定程度上會受到觀測站南部建筑物的干擾。觀測站周圍詳細的下墊面分布和footprint模擬評價詳見Zhou and Huang(2011)?？偟膩碚f，該站基本上能較好地觀測戈壁下墊面的大氣湍流過程。

敦煌戈壁站目前已有10多年的觀測資料，主要為常規(guī)觀測資料?？紤]到超聲儀器觀測的湍流通量比常規(guī)觀測有更高的精度和質(zhì)量，這里取2004年6月和2008年8月這兩個同時擁有常規(guī)觀測和超聲觀測的時段。常規(guī)觀測包括4層(18、8、2、1 m)風(fēng)溫濕梯度資料、地表溫度和6層(地下5、10、20、40、80、180 cm)土壤溫度資料，以及向上向下的四分量輻射通量觀測(約1.5 m高度處)資料、4層(地下5、10、20、80 cm)土壤濕度觀測資料和2層(2.5、7.5 cm)土壤熱通量觀測資料。常規(guī)觀測每30 min記錄一次。超聲觀測儀器包括CSAT3(Campbell)三維超聲風(fēng)溫儀和KH20(Campbell)水汽分析儀，觀測頻率為10 Hz，觀測應(yīng)頭在2004年設(shè)置超南，距離地面2.5 m高，在2008年設(shè)置為超北，距離地面3.0 m高。考慮資料的連續(xù)性，舍棄每次超聲觀測期開始幾天的資料，實際分析時分別選取2004年6月10—30日和2008年8月10—25日的觀測數(shù)據(jù)。

圖1 戈壁站在2004—2009年夏季白天(a)和夜間(b)的風(fēng)向風(fēng)速頻次統(tǒng)計(N為樣本數(shù))Fig.1 Statistics of wind direction and wind speed in summer of 2004—2009 at the Gobi site during(a)the daytime and(b)the nighttime(N is the sample number)

超聲觀測所采用的渦度相關(guān)法是目前對地表能量和物質(zhì)輸送通量觀測的一種比較好的方法，具有很高的觀測精度，被廣泛應(yīng)用于Ameriflux、EUROFLUX和Asia Flux通量網(wǎng)(Baldocchi et al.，2001)。隨著質(zhì)量控制和測站代表性分析軟件的發(fā)展，這種觀測方法不僅可以在均勻下墊面進行觀測，也逐漸應(yīng)用于復(fù)雜下墊面。超聲儀器配套的湍流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(如CR5000)也可以處理并輸出通量資料，并且對湍流觀測也進行了質(zhì)量訂正(如:超聲溫度交叉風(fēng)訂正、氧交叉訂正、WPL訂正、二次旋轉(zhuǎn)坐標訂正和超聲溫度訂正等)，但是缺乏相應(yīng)的質(zhì)量評價。質(zhì)量評價和質(zhì)量控制有助于減少觀測分析的不確定性，如Zhou and Huang(2011)在基于質(zhì)量評價和質(zhì)量控制下確定的戈壁下墊面的動量粗糙度小于此前對其的認識(Zhang et al.，2002)。這里應(yīng)用德國Bayreuth大學(xué)發(fā)展的綜合處理軟件TK3(Marder and Foken，2011)進行質(zhì)量控制和質(zhì)量評價(Foken and Wichura，1996;Foken et al.，2004)，選取平面訂正以消除可能存在的儀器安裝傾斜對觀測的影響，獲得了相應(yīng)的高質(zhì)量的能量通量數(shù)據(jù)集。在此基礎(chǔ)上，進一步分析敦煌戈壁下墊面的地表熱力輸送過程和參數(shù)特征。

2 湍流通量的質(zhì)量評價和地表能量的日變化特征

通過TK3軟件對原始超聲資料的后處理，得到了每半小時平均的動量通量、能量通量以及相應(yīng)的質(zhì)量等級。在這兩次觀測期，動量通量和感熱通量的觀測質(zhì)量有相似的日變化過程。圖2給出了2004年6月10—30日超聲觀測的動量通量和感熱通量的質(zhì)量評價。評價標準采用了Rebmann et al.(2005)的質(zhì)量評價方法，綜合考慮了湍流的平穩(wěn)性和湍流發(fā)展充分性，質(zhì)量等級在1—2表示觀測的質(zhì)量很好，該數(shù)據(jù)可以用作進一步的基礎(chǔ)研究，質(zhì)量等級為3—4表示質(zhì)量一般，質(zhì)量等級為5表示質(zhì)量很差，應(yīng)當(dāng)舍棄。圖2a表明，動量通量(摩擦速度)的質(zhì)量總體較好，但是在白天也存在質(zhì)量一般甚至質(zhì)量很差的觀測結(jié)果。圖2b表明，雖然感熱通量在夜間的觀測質(zhì)量不高，但是在白天特別是在10:00—17:30這段時間內(nèi)的觀測質(zhì)量總體非常好。在白天(取向下短波輻射大于30)時，動量通量質(zhì)量等級為5的一共有17個，其中10個與風(fēng)速的平穩(wěn)性有關(guān)，與風(fēng)向沒有明確的統(tǒng)計關(guān)系，出現(xiàn)的時刻也沒有特別的規(guī)律。白天感熱通量的質(zhì)量等級為5的一共有36個，主要分布在日出后/日落前的一段時間內(nèi)，其中有10個質(zhì)量標識為差的只是與感熱輸送的總體湍流特性(即湍流的發(fā)展狀況)有關(guān)，另有24個受湍流的平穩(wěn)性和湍流發(fā)展充分性的共同影響，這可能是由于此時(日出后/日落前)的感熱通量(摩擦溫度)較小從而導(dǎo)致偏離湍流統(tǒng)計特征。在2008年湍流通量觀測中，也有相似的現(xiàn)象(圖略)。湍流發(fā)展可能受環(huán)流系統(tǒng)調(diào)整、湍流組織結(jié)構(gòu)、自由對流等現(xiàn)象的影響(Eigenmann et al.，2009)，對于戈壁站觀測的湍流輸送在白天出現(xiàn)質(zhì)量較差的現(xiàn)象，可能還與戈壁下墊面的特性有一定關(guān)系。

圖2 2004年6月10—30日超聲觀測的動量通量(a)和感熱通量(b)質(zhì)量評價Fig.2 Quality assessment of(a)momentum flux and(b)sensible heat flux in supersonic measurements during 10—30 June 2004

圖3 戈壁站在2004年6月10—30日(a)和2008年8月10—25日(b)兩個觀測期的地表能量通量封閉率Fig.3 Surface energy flux closure ratios of measurements at the Gobi site during two periods of(a)10—30 June 2004 and(b)10—25 August 2008

分析了這兩個觀測期的地表能量通量的封閉率(圖3)。對于土壤熱通量，考慮到熱通量板觀測的土壤熱通量與實際值一般存在偏差(Sauer et al.，2003)，所以采用陽坤和王介民(2008)的TDEC法，利用土壤溫度和濕度觀測來計算地表的土壤熱通量。結(jié)果顯示，2004年6月的能量通量封閉率可以達到0.975，2008年8月為0.857。2008年8月的能量通量封閉率相對略低，除了可能存在的觀測誤差外，可能主要受土壤熱通量計算方法的影響，需要進一步研究。能量不閉合是地面觀測中的一個普遍現(xiàn)象，在青藏高原上能量不閉合率甚至可以高達33%(Tanaka et al.，2001)。因此，戈壁站這兩次的觀測結(jié)果表明，動量通量和感熱通量的觀測質(zhì)量在白天總體較好，且觀測系統(tǒng)總體能夠較好地觀測到戈壁下墊面的能量通量，觀測資料可以用來進一步分析戈壁下墊面的一般湍流輸送特性。

對TK3軟件計算的2004年6月和2008年8月的感熱通量和潛熱通量日變化取平均，同樣地對輻射通量和土壤熱通量日變化取平均，則戈壁下墊面近地表能量通量的平均日變化見圖4。結(jié)果顯示，戈壁站在夏季不同月份的地表能量通量基本具有相似的日變化特征。向下短波輻射在近中午時十分強烈，多日平均值可超過800 W·m－2，在晴好天氣下，觀測到的向下短波輻射最大值可達1 043 W·m－2(2004年6月13日12:00)。在2008年8月15 d的觀測中，塔站8 m處觀測的風(fēng)速日平均值有4 d超過6 m·s－1，這使得向下短波輻射可能受局地沙塵的影響;此外，由于云對輻射的影響，圖4b中平均的向下短波輻射在近中午時存在起伏變化。由于向下短波輻射強烈，向上短波輻射在近中午平均超過180 W·m－2。向上長波輻射具有較大的日變化，在白天中午時可超過600 W·m－2，在夜間最低值小于400 W·m－2。在地表能量通量中，可以看到向上長波輻射的日平均值最大，這是干旱區(qū)輻射輸送的一個典型特征(張強和曹曉彥，2003)。相對向上長波輻射而言，向下長波輻射的日變化較小，基本在330～400 W·m－2之間。凈輻射在2004年6月中午的平均值超過380 W·m－2，2008年8月中午的平均值達420 W·m－2以上，這種差異可能與觀測月份以及云的影響有關(guān)。在凈輻射能的地表分配中，感熱通量明顯處于支配地位，大于表層土壤熱通量和潛熱通量。潛熱通量基本接近于0，變化很小，可以忽略不計。感熱通量的最大值出現(xiàn)在當(dāng)?shù)貢r間12:30左右，平均達250 W·m－2以上，在2008年8月其值高達300 W·m－2以上;感熱通量在夜間略小于0。土壤熱通量的最大值出現(xiàn)在上午10:00左右，多日平均的日最大值達120 W·m－2以上;在夜間，土壤釋放熱量以平衡地表向大氣的長波輻射冷卻。此外，計算了兩個觀測期平均的凈輻射通量和感熱通量，在2004年6月它們分別為77.6和76.0 W·m－2，在2008年8月分別為95.6和83.0 W·m－2;地表土壤熱通量相對很小(小于2 W·m－2)。這表明，在日、月的時間尺度上，凈輻射通量主要轉(zhuǎn)變?yōu)楦袩嵬恳约訜岽髿狻?/p>

3 典型晴天的湍流輸送

圖4 戈壁下墊面夏季能量通量的平均日變化(單位:W·m－2;、、、Rn、H、λE、G0分別為向下短波輻射、向上短波輻射、向下長波輻射、向上長波輻射、凈輻射、感熱、潛熱、地表土壤熱通量)a.2004年6月10—30日;b.2008年8月10—25日Fig.4 Daily variations of energy fluxes over Gobi surface in summer(units:W·m－2;，，，，Rn，H，λE，G0mean downward solar radiation，upward solar radiation，downward longwave radiation，upward longwave radiation，net radiation，sensible heat flux，latent heat flux and surface soil heat flux，respectively)a.during 10—30 June 2004;b.during 10—25 August 2008

圖2顯示，動量通量在白天的觀測質(zhì)量存在著等級較差的現(xiàn)象。挑選了一個典型晴天(2004年6月30日)進行分析，如圖5所示，其中a—f分別為這一天的穩(wěn)定度ζ、風(fēng)向、向下短波輻射、感熱和潛熱通量、摩擦速度、動量通量觀測質(zhì)量的日變化。這里的穩(wěn)定度、風(fēng)向、感熱和潛熱以及摩擦速度均為每5 min的統(tǒng)計值，以辨認大氣活動的細微變化過程。結(jié)果表明，在整個白天出現(xiàn)了很多次自由對流活動(ζ＜－1)，即圖5a中的灰色豎線所示。自由對流反映了在湍流的發(fā)展中，湍流從地面加熱中獲得的能量超過從平流中獲得的能量，換言之，主要是由地面的強烈加熱來驅(qū)動湍流的發(fā)展。Foken(2008)指出，當(dāng)滿足ζ＜－1的條件時，地面超聲儀器可以觀測到近地面的自由對流現(xiàn)象。向下短波輻射的變化(圖5c)顯示，當(dāng)天是一個典型的晴天，基本可以忽略云對太陽輻射的影響，因而不存在由于太陽輻射急劇變化而觸發(fā)局地環(huán)流的情況。當(dāng)天風(fēng)向(圖5b)在夜間為南風(fēng)，在白天主要為西風(fēng)，風(fēng)向存在小的變動，這也顯示出自由對流不是局地的較大尺度環(huán)流調(diào)整的結(jié)果。白天的摩擦速度(圖5e)平均約在0.2 m·s－1附近，存在很大的波動;同樣地，感熱通量也存在很大的波動(圖5d)。當(dāng)戈壁近地面自由對流觸發(fā)時，摩擦速度較小，而且動量輸送的質(zhì)量一般較差(圖5f)。在這一天的白天，當(dāng)自由對流觸發(fā)時動量通量的質(zhì)量等級多數(shù)為4，而且大多與湍流的發(fā)展非充分有關(guān)。而在接近傍晚時分(17:00—18:00)，自由對流發(fā)生時的質(zhì)量等級為5，此時的風(fēng)向存在北向西和南向西的轉(zhuǎn)換，并且較差的質(zhì)量等級與湍流運動的平穩(wěn)性相關(guān)，即可能存在著微小尺度環(huán)流的調(diào)整;由于戈壁觀測站離綠洲較遠，風(fēng)向和風(fēng)速的變化顯然不是綠洲與戈壁之間局地環(huán)流系統(tǒng)的調(diào)整，這種尺度應(yīng)當(dāng)小于綠洲戈壁間的尺度。因此，在白天的大部分時間(除去日出不久以及日落前的一小段時間)中，自由對流發(fā)生時不是由一個持續(xù)的風(fēng)向轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€持續(xù)的風(fēng)向，即自由對流活動不是由于系統(tǒng)環(huán)流調(diào)整觸發(fā)，這意味著，自由對流活動是由于湍流在數(shù)分鐘內(nèi)的迅速發(fā)展變化或?qū)α麽尫哦|發(fā)，這可能與近地面不同大小的小尺度大氣活動相關(guān)，例如很小尺度的對流渦旋或局地自組織結(jié)構(gòu)。這種小尺度大氣活動對動量通量的輸送有較大影響，然而對感熱通量的影響不大。因此，盡管此時的動量通量質(zhì)量較差，仍建議保留而非舍棄。這種自由對流現(xiàn)象在戈壁下墊面應(yīng)當(dāng)具有普遍性，它是西北干旱區(qū)湍流發(fā)展和熱力輸送的一個典型特征，區(qū)別于Eigenmann et al.(2009)和Zhou et al.(2011)指出的由于局地環(huán)流系統(tǒng)調(diào)整而觸發(fā)的自由對流現(xiàn)象。

圖5 2004年6月30日典型晴天下能量輸送的日變化特征(圖中灰色豎線表示有自由對流發(fā)生)a.穩(wěn)定度;b.風(fēng)向(°);c.向下短波輻射(W·m－2);d.感熱和潛熱通量(W·m－2);e.摩擦速度(m·s－1);f.動量通量觀測質(zhì)量Fig.5 Daily variations of energy transport in a typical fair day(on 30 June 2004.the free convections are indicated by the gray dotted lines in each plot)a.the stability parameter;b.the wind direction(°);c.the downward shortwave radiation(W·m－2);d.the sensible and latent heat fluxes(W·m－2);e.the friction velocity(m·s－1);f.the quality flags of momentum

由于戈壁下墊面在夏季白天有很強的感熱輸送，明顯大于季風(fēng)區(qū)同季節(jié)的感熱輸送，在此背景下的自由對流活動可以有效地將地表能量輸送到較高層的大氣中，影響大氣邊界層的結(jié)構(gòu)，并有助于該地區(qū)形成超厚的大氣邊界層。觀測發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)在夏季的大氣邊界層可以高達4 000 m以上(張強和王勝，2008;韋志剛等，2010)，明顯高于季風(fēng)區(qū)的大氣邊界層高度。因此，近地面的高感熱和熱力的這種湍流輸送活動，可以影響局地的大氣環(huán)流，進而影響周圍區(qū)域的氣候變化。

4 地表粗糙度特征

動量粗糙度和熱力粗糙度是表征陸面過程的基本參量，動量粗糙度是指由相似理論外推出風(fēng)速為零的高度，熱力粗糙度則是由相似理論外推出空氣溫度等于地表溫度的高度，它們均不能直接觀測，常常通過風(fēng)溫觀測資料來推算。動量粗糙度受地表摩擦和形狀曳力的共同影響，而熱力學(xué)粗糙度則主要受地表摩擦的影響(Chamberlain，1968)，它們的大小因此存在一定差異。Zhou and Huang(2011)根據(jù)2004年6月的湍流資料分析了戈壁下墊面的粗糙度特征，這里只利用2008年8月的湍流通量資料計算地表粗糙度，并與2004年6月的結(jié)果進行比較。

動量粗糙度z0m可根據(jù)相似理論方程由高度z處的風(fēng)速u計算

式中:u*為摩擦速度;L為Monin－Obukhov長度尺度，u*和L均由TK3軟件計算得到;κ為Karman常數(shù);ψm(ζ)為動量的穩(wěn)定度修正函數(shù);穩(wěn)定度ζ=z/L。考慮到非戈壁下墊面(即形狀曳力)可能會干擾對戈壁下墊面z0m的確定，選擇白天盛行風(fēng)向(東北風(fēng)和西風(fēng))時的湍流資料進行計算。結(jié)果顯示，在2008年8月，計算的動量粗糙度大約為0.63 mm(圖6a)，這與2004年6月的結(jié)果(0.59 mm)基本相當(dāng)(Zhou and Huang，2011)。

同樣地，熱力粗糙度z0h可以根據(jù)溫度的相似理論來計算

圖6 戈壁下墊面的粗糙度特征a.ln(z0m)的頻次分布;b.白天附加阻尼的變化Fig.6 The characteristic of roughness length over the Gobi surfacea.frequency distribution of ln(z0m);b.variation of additional resistance during the daytime

式中:θa為高度z處的氣溫;θs為地表溫度;θ*為摩擦溫度;ψh(ζ)為熱力的穩(wěn)定度修正函數(shù)。一般常用附加阻尼κB－1=ln(z0m/z0h)來表征熱力粗糙度的大小特征。由于夜間感熱通量的觀測質(zhì)量普遍較差，這里只分析在白天盛行風(fēng)向下附加阻尼的特征。結(jié)果顯示，附加阻尼在白天的值比較離散(圖6b)，并沒有發(fā)現(xiàn)Yang et al.(2008)指出的明顯的日變化規(guī)律。附加阻尼的平均值約為2.4，這與Zhou and Huang(2011)根據(jù)2004年6月觀測計算的結(jié)果(3.1)差別不是很大，與Brutsaert(1982)對均一植被表面的研究結(jié)果大致相當(dāng)。賈立等(2000)分析了黑河試驗化音站(戈壁下墊面)的κB－1，由于其研究中動量粗糙度的取值(約3 mm)高于本文，κB－1的值也相應(yīng)大于本文的結(jié)果?？赡艿慕忉屖?1)由于兩站的降水量存在差異(敦煌戈壁和化音戈壁的年降水量分別在40 mm和150 mm左右)，下墊面可能因此也有差異，例如化音戈壁站存在稀疏駱駝刺等植被;2)敦煌戈壁站計算的動量粗糙度剔除了形狀曳力對動量粗糙度計算的影響，化音戈壁站觀測中如果存在地形和稀疏植被(如稀疏駱駝刺等)的影響，計算的動量粗糙度可能會大一些，并將影響κB－1的大小。這兩種不同的動量粗糙度和對應(yīng)的κB－1都可用來計算感熱通量。而實際上，由于局地感熱的輸送基本不受形狀曳力的影響，選用只受地表摩擦作用的動量粗糙度可能更有助于估算感熱通量?？傊?，根據(jù)敦煌戈壁站計算的戈壁下墊面附加阻尼的大小特征基本與目前對戈壁下墊面熱力輸送特征的認識相一致，即熱力學(xué)粗糙度比動量粗糙度小一個量級(Braud et al.，1993)，這樣的初步結(jié)果同樣適用于西北干旱區(qū)。一般認為，附加阻尼依賴于表面的性質(zhì)，與粗糙度、雷諾數(shù)有密切的關(guān)系，但在本文的研究中，并沒有發(fā)現(xiàn)它們之間存在很好的統(tǒng)計關(guān)系。因此，還需要更多的觀測并結(jié)合對微氣象過程的模擬，以進一步理解典型戈壁下墊面的熱力學(xué)特征。

5 結(jié)論和討論

以敦煌戈壁站2004年6月和2008年8月的常規(guī)觀測和超聲觀測為例，分析了西北干旱區(qū)戈壁下墊面在夏季湍流輸送的一般過程和粗糙度特征。對敦煌戈壁站觀測資料的質(zhì)量評價和質(zhì)量控制顯示，動量通量的觀測質(zhì)量在白天總體較好，但也存在一些質(zhì)量等級較差的觀測，這主要是受地表大氣活動的影響;感熱通量的觀測除了在日出后以及日落前的一段時間存在較差的質(zhì)量等級外，白天大部分時間的質(zhì)量都非常好。此外，觀測系統(tǒng)能夠較好觀測地表各能量通量，2004年6月和2008年8月的能量封閉率分別為0.975和0.857。因此，該站對戈壁下墊面有較好的觀測，該站的湍流輸送過程和特征對西北干旱區(qū)戈壁下墊面而言具有一定的代表性。

戈壁站地表能量通量的平均日變化顯示，潛熱通量整天都很小，可以忽略。白天時，到達地面的向下短波輻射很強(中午可達800 W·m－2以上)，地表向上長波輻射也非常強烈(中午平均可達600 W·m－2以上)，平均的凈輻射(中午時可達380 W·m－2以上)主要用于感熱的輸送(中午時可達250 W·m－2以上);夜間時，土壤釋放熱量以平衡地表向大氣的輻射冷卻，感熱通量在夜間略小于0。在日、月尺度上，凈輻射主要轉(zhuǎn)化為感熱輸送，這是干旱區(qū)戈壁下墊面夏季的典型熱力輸送特征。此外，由于白天的高感熱輸送，以及地表經(jīng)常觸發(fā)的自由對流活動，使得大氣邊界層在白天發(fā)展很快，有助于形成超厚大氣邊界層。分析了戈壁站下墊面的動量粗糙度和熱力粗糙度。根據(jù)這兩個時期的觀測，在剔除非戈壁下墊面對觀測的干擾后，戈壁下墊面的動量粗糙度約為0.6 mm，附加阻尼在白天的變化比較離散，初步表明熱力學(xué)粗糙度比動量粗糙度小一個量級，這符合當(dāng)前對戈壁下墊面熱力輸送特征的初步認識。

本文的分析只是選取了一個戈壁站點的觀測，如果對西北干旱區(qū)戈壁下墊面進行更多的觀測試驗和熱力輸送特征分析，將有助于進一步認識戈壁下墊面的粗糙度特征。盡管如此，本研究所示的能量日變化特征、地表大氣活動對湍流輸送的影響和粗糙度特征，對戈壁下墊面應(yīng)當(dāng)具有一定的共性。賈立等(2000)計算了黑河地區(qū)化音戈壁站的動量粗糙度和附加阻尼，均大于本研究的結(jié)果，這可能是由于動量粗糙度沒有剔除地形等形狀曳力和非戈壁下墊面對計算的干擾。這種差異在數(shù)值模擬應(yīng)用時，選取較大的動量粗糙度可能使計算的摩擦速度偏大，進而影響感熱的模擬。例如ERA－40、NCEP/NCAR、NCEP/DOE、JRA－25等再分析資料，由于考慮地形的不同影響，各再分析資料中的動量粗糙度大小設(shè)置各異且明顯高于野外的觀測值，感熱通量也因此存在顯著差異，而實際上地形等形狀曳力基本不影響局地的感熱輸送，這是它們不能很好再現(xiàn)西北干旱區(qū)能量循環(huán)的一個重要原因。鮑艷等(2004)結(jié)合站點實測的動量粗糙度對我國展開氣候模式模擬，結(jié)果表明，選取實際的較小的動量粗糙度對西北干旱區(qū)的模擬有明顯改進。這意味著，對我國西北干旱區(qū)(戈壁下墊面)進行氣候模擬時，與動量輸送相關(guān)的計算建議用大尺度的動量粗糙度(包括地形)，而與熱力輸送相關(guān)的計算建議選取實際的局地動量粗糙度(即只考慮地表摩擦對粗糙度的影響)，并考慮戈壁下墊面的熱力粗糙度特征，將會有助于改進對此區(qū)域感熱通量的模擬。這有待于未來的數(shù)值模擬驗證。

致謝:韋志剛研究員和侯旭宏高工為本研究提供了資料，謹致謝忱!

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