巴丹吉林沙漠北緣拐子湖近地層湍流能譜特征分析

鄭新倩,彭冬梅,吳 燁,周成龍,產秀媚,買買提艾力.買買提依明*

(1.新疆農業氣象臺,新疆烏魯木齊830002;2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所,新疆烏魯木齊830002;3.塔克拉瑪干沙漠大氣環境觀測試驗站,新疆塔中841000;4.布爾津縣氣象局,新疆布爾津836600)

巴丹吉林沙漠北緣拐子湖近地層湍流能譜特征分析

鄭新倩1,彭冬梅1,吳 燁2,3,周成龍2,3,產秀媚4,買買提艾力.買買提依明2,3*

(1.新疆農業氣象臺,新疆烏魯木齊830002;2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所,新疆烏魯木齊830002;3.塔克拉瑪干沙漠大氣環境觀測試驗站,新疆塔中841000;4.布爾津縣氣象局,新疆布爾津836600)

利用2013年6月巴丹吉林沙漠拐子湖地區流沙下墊面的陸氣通量觀測資料,計算并分析了該研究區不同大氣穩定層結條件下的湍流速度各分量譜和溫度譜及湍流的局地各向同性特征.結果表明:該研究區風速各分量的湍流強度隨平均風速的增加而逐漸減小,當平均風速gt;2 m/s時,風速各分量的湍流強度逐漸穩定且基本限定在0.5以內.在不同大氣穩定度下,湍流速度和溫度能譜曲線在慣性副區內逐漸有合并趨勢且遵循Kolmogorov提出的-2/3定律,速度各分量譜在高頻段均滿足各向同性且符合低頻限制理論.隨著穩定度的增加,風速分量的能譜曲線逐漸降低且向高頻端移動,風速分量和溫度能譜對應的譜峰長度則逐漸減小.該研究區水平湍流尺度范圍為9.0～600 m,垂直湍流譜峰波長為10.79～75 m.該結果介于草地和森林下墊面之間,與塔克拉瑪干沙漠腹地的試驗結果較為接近.

巴丹吉林沙漠;湍流;大氣穩定度;能譜分析;局地各向同性

大氣湍流是一種高頻微尺度運動,由許多不同大小的湍渦相互疊加而成[1,2],是大氣和地表之間的能量、物質轉化與交換的最重要途徑,直接與大氣邊界層中的動量、熱量、水汽、污染物的垂直和水平輸送密切相關[3-5].大氣湍流強度用湍流能譜密度表示,可描述湍渦的無序分布,不僅可以反應湍流總能量和不同尺度湍渦對整體湍能貢獻的相對大小[6],還可用于確定渦度相關系統對高頻和低頻率信號的響應能力,而且對于探討近地面層物質、能量的輸送機制也有重要意義[4,7].

20世紀40年代,Kolmogorov提出了局地均勻各向同性理論,同時首次通過量綱分析得到湍流能譜與頻率之間的-5/3指數關系[8].在此之后,Monin和Obukhov給出了湍流相似理論[9].該階段由于監測儀器響應較慢,不能滿足相關要素湍流脈動量的測量要求,很大程度上限制了湍流理論的進一步發展.20世紀60年代以來,隨著大氣探測手段和電子計算能力的不斷提高,使得對于大氣湍流特征的分析越來越深入.1968年,AFCRL(Air Force Cambridge Research Laboratories)開展的Kansas試驗是第一次大規模使用快速響應探測儀器,給出了平坦均一下墊面風速和溫度序列,并得到了很多標志性的結果[10].Kaimal等利用熱線風速計給出了湍流動能與穩定度之間的關系,同時指出地形對湍流譜的低頻擾動可使其峰值產生位移[11,12].通過HEIFE和HUBEX試驗分別得出了中國西北戈壁和淮河流域地區的湍流能譜特征[13,14].劉樹華等對長白山森林冠層上下兩個高度的湍流譜結構、局地各向同性和耗散率進行分析,揭示了森林粗糙表面在湍流輸送過程中的動力擾動和對大渦的破碎作用[15].此后通過EBEX-2000試驗分析了美國加州棉田湍流速度、溫度和濕度在不同穩定度下的特征,并與Kansas和長白山森林實驗結果進行比較.倪攀等針對科爾沁半干旱風沙草原地區進行了湍流譜和協譜的分析,發現半干旱風沙草原下墊面相對森林,其湍渦在輸送過程中的破碎作用較小,物質、能量主要以大渦形式輸送[4].溫雅婷等發現塔克拉瑪干沙漠腹地水平湍流尺度范圍介于森林和草地之間且不穩定層結比穩定層結的譜峰更偏向低頻端,峰值尺度更大[6].總體來說,針對沙漠下墊面湍流譜特征的研究相對較少,沙漠下墊面是否滿足湍流能譜與頻率之間的指數關系及渦度相關系統在該下墊面能否滿足對高頻和低頻率信號的響應仍需開展進一步分析.

拐子湖位于巴丹吉林沙漠北緣,屬內蒙古自治區阿拉善盟額濟納旗地區.這里自然條件異常惡劣,干旱、高溫、大風、沙塵暴頻繁是這里的主要氣候特點.整體為典型的內陸溫帶荒漠氣候,處于中國夏季風邊緣區,對全球氣候變化的響應十分敏感.干旱少雨,蒸發量較高,年均氣溫為9.2℃,最高溫度44.8℃,最低溫度-30.7℃.年均降水量僅42.9 mm,潛在蒸發量高達4 217.9 mm[16,17].該區域風沙災害頻發,是內蒙古強和特強沙塵暴的主要多發區之一,同時也是我國沙塵暴北方路徑的必經之地[18].主風向為西風,年均8級以上大風約58次,沙塵暴30 d左右,歷史最高風速為38 m/s.地表以大面積流沙覆蓋為主,平均粒徑為250～500 μm,與塔克拉瑪干、古爾班通古特、騰格里沙漠相比,其沙粒粒徑相對較粗.目前,針對巴丹吉林沙漠的研究多集中于高大沙山的形成和演化、湖泊-地下水關系、地表風蝕起沙、沙漠氣候變化等問題,而關于該地區陸氣相互作用的研究,特別是陸氣湍流能譜分析卻相對較少.本文利用位于巴丹吉林沙漠北緣拐子湖通量觀測站2013年6月的湍流通量資料,分析該地區流沙下墊面不同穩定度條件下,湍流速度各分量譜和溫度譜及湍流的局地各向同性特征.這對進一步了解沙漠地區湍流特征及物質、能量的輸送機制有重要意義,并且為分析和評價沙漠下墊面不同大氣穩定度下的渦度相關實測數據質量提供參考依據.

1 研究設備及方法

1.1 試驗設備

所用資料來自于拐子湖氣象站以南1 km處的陸氣湍流通量觀測系統(41°22′N,102°22′E,海拔960 m)(圖1).該觀測系統由中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所于2012年6月建成,整體位于平坦的流動沙地之上.主要設備包括:10 m梯度風、溫、濕探測系統,渦度相關探測系統,輻射及土壤溫、濕度觀測系統.其中,渦度相關探測系統安裝在距地面3 m高度處,由三維超聲風速儀(R3-50,GILL,UK)和紅外CO2/H2O分析儀(LI-COR7500A,Campbell Scientific,USA)組成.數據采集頻率為10 Hz,存儲于美國Campbell Scientific公司生產的CR1000型數據采集器中.

1.2 湍流譜分析理論基礎

在大氣邊界層中觀測到的湍渦是時間和空間上的廣闊結構,對其理想的分析方法是采用譜分析[2].根據Taylor湍流冰凍理論,利用傅里葉變換,可將時間序列的信號轉化成空間分布,可發現不同時間和空間尺度的湍渦在整個湍流狀態中所起的作用,確定渦度相關系統對高頻湍流信號的響應能力,以此來檢測評估湍流數據質量的好壞.湍流能譜一般分為3個部分:含能渦區、慣性副區和耗散區.Kolmogorov提出在慣性副區中風速的湍流能譜密度表達式[8]為:

圖1 拐子湖地理位置及通量觀測站示意圖

依據泰勒假設,對湍流能譜密度函數積分,將波數空間轉化為頻率空間,即得到湍流能譜與頻率的關系.湍流的熱力和動力生成主要發生在靠近譜峰的低頻區域,低頻湍渦所含能量逐漸向較高頻率的小尺度湍渦傳遞,最終完全被分子熱耗散.高頻部分存在一段慣性副區.慣性副區屬于符合局地均勻和各向同性的小尺度湍流中尺度稍小的子區,沒有顯著的湍流能量產生或耗散,且遵循-2/3定律向更小尺度傳遞,湍流能量只是通過慣性力從低波數(較大尺度湍渦)向高波數(較小尺度湍渦)輸送,并在壓力脈動的作用下在空間均勻分布[11,19].這里以風速分量α和溫度T為例:

式中,α分別為u、v、w分量;aα為風速分量的Kolmogorov常數,Kaimal給出au=0.51,av=aw=4au/3,數值為0.5～0.6;ε為湍流耗散率;為無因次頻率,f是周期頻率,z為觀測高度為平均風速.

1.3 湍流譜的計算和處理

將2013年6月的10 Hz原始湍流通量數據分割成每30 min為一組數據.通過Eddypro 4.0軟件對分割好的數據進行相應的低頻濾波、各分量脈動計算、快速傅里葉變換(FFT)等處理后得到相應各分量的功率譜.在此基礎上,對得到的功率譜高頻區進行低通濾波、滑動平均及湍流譜歸一化等處理后得到最終的湍流譜,相應處理的詳細步驟見劉樹華和溫雅婷等[2,6]分別對EBXB-2000實驗和塔克拉瑪干沙漠腹地的湍流譜分析.

2 結果與分析

2.1 湍流強度分析

湍流強度指被水平風速標準化后的標準差[19],定義為Iα= σα/U,其中Iα為各風速分量(u、v、w)的湍流強度,σα為相應風速分量的標準差,U為平均風速.從2013年6月的通量觀測資料中選取天氣系統較為穩定的14-17日和19-20日作為巴丹吉林沙漠拐子湖地區湍流強度的分析對象,分析結果如圖2所示.從圖中可以看出,整體上風速各分量的湍流強度隨平均風速的增加而逐漸減小,其中平均風速在1 m/s左右時,各風速分量的湍流強度快速下降,當平均風速gt;2 m/s時,風速各分量的湍流強度逐漸穩定,基本限定在0.5以內.風速各分量的湍流強度平均值依次為0.31、0.30和0.09,Iu和Iv大小相似且均大于Iw.整體上符合泰勒假說的條件.

圖2 風速各分量的湍流強度與平均風速的關系

2.2 湍流譜分析及譜峰頻率和波長

2.2.1 湍流譜分析

利用2013年6月的渦度相關通量數據,從中選取天氣晴朗且湍流充分發展的6月20日作為重點研究對象,對其全天的大氣穩定度((z-d)/L)進行計算(圖3).大氣穩定度((z-d)/L)的定義為:

其中,z為傳感器的安裝高度,此處為3.0 m;d為零平面位移,研究區為裸露的流沙下墊面,此處為0 cm;L為奧布霍夫長度;為平均溫度的特征值;u為摩擦風速;k為卡曼常數,此處取0.4;g為重力加速度;為熱量通量.當(時,大氣處于不穩定層結;當(z-d)/L=0時,大氣處于近中性層結;當(z-d)/Lgt;0時,大氣處于穩定層結.6月20日全天的大氣穩定度變化如圖3所示,從中特選取11:30-12:00和12:00-12:30代表大氣層結的不穩定狀態,平均大氣穩定度分別為-1.810和-1.402;5:00-5:30和9:00-9:30代表大氣層結處于近中性狀態,平均穩定度分別為0.011和0.010;23:00-23:30和00:00-00:30代表大氣層結處于穩定狀態,平均穩定度分別為0.975和0.638,相應的湍流通量數據進行湍流能譜分析.

圖3 2013年6月20日拐子湖地區流沙下墊面大氣穩定度日變化情況

在不同大氣穩定度條件下,對巴丹吉林沙漠北緣拐子湖地區流沙下墊面3 m高度處的風速分量和溫度進行能譜分析.結果如圖4所示,其中橫坐標為無因次頻率,縱坐標為歸一化的湍流能譜在雙對數坐標系下,速度能譜曲線在低頻區相對分散,在慣性副區內逐漸有合并趨勢且歸一化湍流能譜在該區域內大體遵循Kolmogorov提出的-2/3定律(圖4a、4b、4c).整體來看,在不同的大氣穩定度下各風速分量的低頻區均呈現能譜曲線隨大氣穩定度逐漸增加而降低且向高頻端移動的排列趨勢.這一結果與Kansas實驗得到的能譜曲線分布規律是一致的,但與之相比本研究中風速能譜曲線依次排列的規律并不十分明顯.這是由于隨著穩定度的增加,各風速分量相應的湍流能量逐漸減小,進而造成能譜曲線隨之降低且湍流尺度減小,向高頻端移動.大氣不穩定時,譜峰能量偏向低頻端,那里存在更多能量且較大尺度的湍渦,同時也顯示了沙漠地區對湍流相對于其他下墊面較小的破碎作用.此外,與溫雅婷[6]和倪攀[4]分別對塔克拉瑪干沙漠和科爾沁草地湍流能譜的研究結果類似,發現本研究中各風速分量的能譜曲線在穩定條件下,能譜的高頻端出現類似的上翹現象,但相對微弱.這說明此時的信號被噪聲干擾,需要對數據進行相應的濾波處理.同時,值得注意的是u譜和v譜在部分穩定度下的低頻端具有上翹現象,以至于能譜曲線沒有表現出明顯的譜峰.這種能譜曲線的低頻端上翹現象在Cava等利用南極Nansen Ice Sheet觀測數據進行湍流譜分析過程中也有發現[20],并且在倪攀針對科爾沁草地湍流能譜分析中也有所提及[4],但究其產生的原因還不是十分清楚,還有待進一步研究.

對于溫度能譜來說,許多研究認為,在不穩定層結下,溫度能譜曲線在慣性副區遵從-2/3冪次率,無因次頻率大于0.3;在穩定層結下,無因次頻率大于0.8時,能譜曲線服從-2/3定律.同時,在低頻的含能區域,溫度能譜曲線隨穩定度參數呈現規則的依次變化.對照本研究中的溫度能譜,整體上其分布的規律性較弱.在不同穩定度下,各溫度能譜曲線基本遵從-2/3冪次率.相比各風速譜,溫度能譜在z/L為0.011和0.010兩個近中性層結下,分布整體較為分散.同時在各大氣穩定度下,溫度能譜也沒有表現出如風速能譜按照穩定度不同依次排列的現象.

2.2.2 譜峰頻率和波長

圖4 拐子湖地區流沙下墊面3 m高度處風速分量和溫度在不同大氣穩定度下的歸一化譜

譜峰頻率是湍流譜能量最大值對應的頻率,譜峰波長反映的是對湍流能量貢獻最大的渦的尺度,譜峰波長越大,對應的湍渦尺度也越大.根據Taylor假設:λmα=(z-d)/nmα,其中nmα是風速分量(u、v、w)和溫度(T)譜對應的譜峰頻率;λmα為譜峰波長.從表1拐子湖地區流沙下墊面風速分量和溫度在不同大氣穩定度下,湍流能譜的譜峰頻率和譜峰波長可見,隨著大氣穩定度的逐漸增加,風速分量和溫度能譜對應的譜峰頻率均有不同程度的增加,對應的譜峰長度則逐漸減小,其中在不穩定層結下各分量譜峰波長達到最大值.這說明隨大氣穩定度的增加,各分量對應的湍渦尺度逐漸減小.同時,通過橫向對比可發現w譜峰波長整體上小于u譜和v譜.這符合一般垂直湍渦尺度相對較小的認識.

此外,與其他下墊面湍流尺度相比,Kansas實驗得出典型平坦草原下墊面湍渦的水平尺度范圍為22～2200 m,垂直尺度為5～200 m;劉樹華等對長白山原始森林進行湍流觀測研究發現,其水平尺度范圍為3～160 m,垂直尺度為1～50 m[15];EBEX-2000實驗得出水平湍流譜峰波長范圍為4～810 m,垂直湍流譜峰波長為1.2～81 m[16];溫雅婷等對與本研究下墊面同為流動沙漠的塔克拉瑪干沙漠腹地的湍流尺度進行分析發現,水平湍流譜峰波長范圍為15～909 m,垂直湍流譜峰波長為5～76 m.本研究得出巴丹吉林沙漠北緣拐子湖地區水平湍流尺度范圍為9.01～600 m,垂直湍流譜峰波長為10.79～75 m.該結果明顯小于Kansas實驗結果,大于長白山原始森林,與塔克拉瑪干沙漠和美國加州棉花下墊面結果較為接近.其中巴丹吉林沙漠拐子湖地區的水平湍流尺度的最高值小于塔克拉瑪干沙漠和美國加州棉花下墊面,垂直湍流譜峰波長的最低值高于其二者.對湍流尺度的差異比較,證明了不同下墊面對湍渦的破碎作用,即下墊面越粗糙,對湍渦能量貢獻最大的渦的水平尺度越小.同時,太陽輻射及地表強迫的不同引起了垂直湍流尺度的差異.

2.3 局地各向同性

根據Kolmogorov湍流理論,在慣性副區各風速分量(u、v、w)能譜滿足Sv(f)/Su(f)=Sw(f)/Su(f)=4/3條件,則說明湍流符合各向同性.圖5為研究區3 m高度處不同大氣穩定度條件下,橫向速度譜、垂直速度譜分別與縱向速度譜比值隨頻率的變化情況.整體來看,Sv(f)/Su(f)和Sw(f)/Su(f)在不同大氣穩定條件下大體均處于4/3直線以下且低頻段曲線相對分散,高頻段集中收斂在4/3直線附近.隨著大氣穩定度的增加,其中Sv(f)/Su(f)譜線穩定達到各向同性條件對應的頻率分別為0.040、0.173、0.249;對于Sw(f)/Su(f)譜線來說,對應的頻率分別為0.084、0.619、0.622.可見在低頻段湍流譜各向同性較差,高頻段各向同性較好.這符合Kaimal提出的湍流各向同性的低頻限制理論[12].其中,Sv(f)/Su(f)的譜線隨著大氣穩定度的增加相對更為遠離4/3直線且到達4/3直線的頻率也逐漸增加.與其他下墊面的結果相比,本研究得到的各向同性數據在低頻段比Kansas實驗、EBEX-2000實驗及塔克拉瑪干腹地的結果分散的多.對比橫向速度譜和垂直速度譜分別與縱向速度譜的比值隨頻率的變化情況,其中Sw(f)/Su(f)譜線在低頻段更為遠離4/3直線且達到4/3直線時對應的頻率相對更大,這種現象在大氣穩定和近中性條件下表現的要比不穩定條件更為明顯,這說明Sw(f)/Su(f)譜線的低頻限制相對較強,Sw(f)在低頻處能量更小.

3 結論

通過對巴丹吉林沙漠拐子湖地區流沙下墊面3 m高度的陸氣通量資料進行分析,得到了研究區近地層湍流速度譜、溫度譜及局地各向同性特征,結果分析表明:

表1 拐子湖地區流沙下墊面3 m高度處風速分量和溫度在不同大氣穩定度下湍流能譜的譜峰頻率和譜峰波長

圖5 拐子湖地區流沙下墊面3 m高度處不同大氣穩定度條件下風速譜的湍流各向同性特征

(1)在巴丹吉林沙漠北緣拐子湖地區流動沙漠下墊面,風速各分量的湍流強度隨平均風速的增加而逐漸減小.平均風速gt;2 m/s時,風速各分量的湍流強度逐漸穩定,基本限定在0.5以內,Iu和Iv大小相似且均大于Iw.整體上符合泰勒假設.

(2)在不同大氣穩定度條件下,速度和溫度能譜曲線在低頻區相對分散,在慣性副區內逐漸有合并趨勢且大體遵循Kolmogorov提出的-2/3定律.風速分量的能譜曲線隨著穩定度增加逐漸降低且向高頻端移動,湍流能量和尺度均逐漸減小.大氣不穩定時,譜峰能量偏向低頻端,那里存在更多能量且較大尺度的湍渦,同時也顯示了沙漠地區對湍流相對于其他下墊面較小的破碎作用.溫度譜線整體較為分散,隨穩定度參數的變化相應的排列規律不明顯.

(3)隨著大氣穩定度的逐漸增加,風速分量和溫度能譜對應的譜峰長度則逐漸減小,即湍渦尺度逐漸減小.本研究得出研究區水平湍流尺度范圍為9.01～600 m,垂直湍流尺度范圍為10.79～75 m.該結果與其他下墊面的對比,進一步證明了粗糙下墊面對湍渦的破碎作用.

(4)通過各向同性分析結果顯示,在不同大氣穩定條件下,速度各分量譜在高頻段均能滿足各向同性,符合Kaimal提出的湍流各向同性的低頻限制理論.

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Characteristics of Surface-layer Turbulence Spectra under Different Atmospheric Stability in Guaizi Lake Region of Badain Jaran Desert

ZHENG Xinqian1,PENG Dongmei1,WU Ye2,3,ZHOU Chenglong2,3,CHAN Xiumei4,Ali Mamtimin2,3*
(1 Xinjiang Agro-Meteorolical Observatory,Urumqi 830002,China;2 Institute of Desert Meteorology,China Meteorological Administration,Urumqi 830002,China;3 Taklimakan Desert Atmosphere and Environment Station,Tazhong 841000,China;4 Burqin Meteorological Bureau,Burqin 836600,China)

In this paper,we analyzed the turbulence spectral characteristics of wind speed(u,v,w)and temperature and the turbulence spectral local isotropy of the Guaizi lake shifting sandy land in different atmospheric stable stratification condition by use of land-atmosphere turbulent flux data in June 2013.The result indicated that the turbulence intensity of wind speed(u,v,w)decreased with the increase of wind speed,which was gradually stabilized and less than 0.5 when average wind speedgt;2 m/s.Under different atmospheric stable stratification condition,the wind speed and temperature spectra had concentrated tendency and they followed the-2/3 law in the higher frequency.The wind speed (u,v,w)spectra fit lower frequency limit for isotropy.With the increase of atmospheric stable stratification condition,the curve of wind speed (u,v,w)spectra decreased gradually and then moved toward the region of higher frequency,and the peak wavelength of the wind speed and temperature spectra decreased gradually.In Guaizi lake shifting sandy land,the horizontal peak wavelength of the wind speed ranged from 9.01 to 600 m,and the vertical peak wavelength of the wind speed ranged from 10.79 to 75 m.The values of the peak wavelength were between the value in forest and in grassland,and they were similar to that of Taklimakan Desert.

Badain Jaran desert;turbulence;atmospheric stability;spectra analysis;local isotropy

P425.2

A

1002-0799(2017)05-0063-07

鄭新倩,彭冬梅,吳燁,等.巴丹吉林沙漠北緣拐子湖近地層湍流能譜特征分析[J].沙漠與綠洲氣象,2017,11(5):63-69.

10.12057/j.issn.1002-0799.2017.05.009

2017-03-01;

2017-04-01

國家自然科學基金(41505008、41575008、41305107).

鄭新倩(1987-),女,工程師,主要從事為農業氣象服務.

E-mail:zhengxinqian1987@126.com

買買提艾力.買買提依明(1978-),男,維吾爾族,副研究員,主要從事沙漠陸面過程研究.E-mail:ali@idm.cn