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塔克拉玛干沙漠塔中近地层湍流特征研究

作　者: 李振杰
导　师: 何清
学　校: 新疆师范大学
专　业: 自然地理学
关键词: 塔克拉玛干沙漠腹地近地层湍流统计特征
分类号: P425.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

塔克拉玛干沙漠是我国最大最典型的沙漠,也是世界第二大流动沙漠。对塔克拉玛干流动沙漠腹地近地层的研究,可为塔中油气资源的开发建设起到微气象方面的指导作用,同时进一步推进沙漠腹地大气边界层研究。涡度相关系统是目前测量地气之间湍流交换最有效、最直接、最准确的工具。本文利用沙漠腹地塔中大气环境监测站的32m高度和西面标校站3m的OPEC快速响应探测系统的湍流数据,对大气近地层的湍流特征进行了研究,同时分析了沙尘等典型天气下湍流的相关特性,得出以下主要结论:（1）大气稳定度不论是白天还是夜间峰值在±0.2以内,接近中性。水平风速的平均湍流强度为0.35,垂直风速的平均湍流强度为0.04,且有I_u>I_v>I_w。白天湍流强度高于夜间。湍流强度随风速呈指数衰减的趋势。欧拉时间自相关系数主要表现出强衰减、逐渐衰减和缓慢衰减三种类型。不同层结条件下,沙尘天气的欧拉时间自相关系数衰减总体上强于晴天。（2）四季不同稳定层结条件下无因次速度方差均符合相似规律,相似函数与相关文献中荒漠戈壁地区的相似函数比较接近,都符合1/3规律。沙漠地区温度和水汽方差与其他地区相差较大。速度和标量无因次方差四个季节规律相似,差别不大。（3）湍流摩擦速度日变化呈以13:00对称的单峰型分布;特征温度呈U字型对称分布。不稳定层结条件下,摩擦速度u*随稳定度缓慢增加;稳定层结条件时,摩擦速度随稳定度迅速减小。特征温度（T*）数据均分布在坐标轴的一、三象限,且越靠近（0,0）点数据点越集中。（4）塔中地区地表热量输送以感热输送为主,潜热通量比感热通量通常要小一个量级。感热通量基本上是以当地时间12:00为对称的单峰型分布。四季日平均感热通量变幅大小依次为:夏季>秋季>春季>冬季;感热通量最大值出现时间的先后顺序依次为:冬季、秋季、春季、夏季。沙尘天气过程中,感热通量和潜热通量都具有较大的波动性,数值也低于典型晴天。（5）32m高度动量通量与气温日变化规律相似,呈明显的单峰型分布。日出后,动量通量开始增大,到13:30左右达到一天中的最大值,随后动量通量开始减小,一般到夜间的24:00达到一天中的最小值。白天变幅较大,夜间变幅很小。沙尘天气时湍流动量通量与晴天时明显不同。（6）u方向湍流动能最大,v方向湍流动能与u方向相近。w方向湍流动能最小,其日极大值出现在午后14时左右,极小值多在夜间22～02时左右。各季节湍流动能:夏季>春季>秋季>冬季。动量总体输送系数C_D的变化范围主要集中在10^-4～10^-2之间,不同稳定层结条件下C_D大小不同。

全文目录

中文摘要  3-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-13
  1.1 选题依据和研究意义  9
    1.1.1 选题依据  9
    1.1.2 研究意义  9
  1.2 国内外研究进展  9-13
    1.2.1 国外大气湍流研究进展  10-11
    1.2.2 国内大气湍流研究进展  11
    1.2.3 国内沙漠边界层湍流研究进展  11-13
2 研究区概况  13-18
  2.1 塔克拉玛干沙漠概况  13-16
    2.1.1 地理位置及特点  13-14
    2.1.2 气候特征  14
    2.1.3 地质和地貌特征  14-15
    2.1.4 水文特征  15
    2.1.5 植被与土壤  15
    2.1.6 自然资源与人文概况  15-16
  2.2 塔中地区概况  16-18
    2.2.1 气候特征  17
    2.2.2 下垫面特征  17-18
3 研究区数据采集和处理  18-30
  3.1 仪器及观测项目  18-22
    3.1.1 80m 梯度观测系统  18-19
    3.1.2 近地层湍流探测系统  19-22
  3.2 数据处理及计算方法  22-25
    3.2.1 地表辐射数据处理  22-23
    3.2.2 涡动相关系统资料处理  23-25
  3.3 不同坐标旋转方法的应用与对比  25-30
    3.3.1 不同旋转方法热通量比较  25-26
    3.3.2 不同校正方法C0_2通量比较  26-28
    3.3.3 PF 方法对垂直速度的校正效果  28-30
4 塔中湍流统计特征  30-61
  4.1 平均场特征  30-34
    4.1.1 风速风向  30-32
    4.1.2 气温、气压、水汽  32-33
    4.1.3 天气现象  33
    4.1.4 大气稳定度  33-34
  4.2 湍流强度分析  34-40
    4.2.1 湍流强度  34-36
    4.2.2 湍流强度与风速  36-37
    4.2.3 湍流强度与稳定度  37-39
    4.2.4 湍流强度与沙尘暴天气  39-40
  4.3 湍流脉动的欧拉时间自相关系数  40-48
    4.3.1 稳定层结  41-44
    4.3.2 近中性层结  44-46
    4.3.3 不稳定层结  46-48
  4.4 湍流方差的相似规律  48-56
    4.4.1 湍流无因次速度方差  48-54
    4.4.2 湍流温度方差的相似性  54-55
    4.4.3 无因次水汽方差的相似性  55-56
  4.5 湍流摩擦速度和特征温度  56-59
    4.5.1 湍流摩擦速度和特征温度年变化  56-57
    4.5.2 湍流摩擦速度和特征温度日变化  57-58
    4.5.3 湍流摩擦速度和特征温度与稳定度关系  58-59
  4.6 本章小结  59-61
5 塔中近地层湍流通量特征  61-75
  5.1 塔中感热通量与潜热通量  61-66
    5.1.1 塔中四季近地面层感热通量、潜热通量的平均日变化特征  62-63
    5.1.2 塔中一次沙尘天气过程净辐射、感热通量、潜热通量变化  63-66
  5.2 塔中动量通量  66-68
    5.2.1 塔中四季动量通量日变化特征  66-67
    5.2.2 塔中一次沙尘天气过程动量通量变化分析  67-68
  5.3 塔中湍流动能和无因次扰动动能  68-71
    5.3.1 塔中湍流动能  68-70
    5.3.2 塔中湍流无因次扰动动能  70-71
  5.4 塔中近地层通量整体输送系数  71-73
  5.5 本章小结  73-75
6 结论与展望  75-77
  6.1 本文研究内容总结  75-76
  6.2 展望  76-77
附录  77-81
参考文献  81-87
在读期间发表的论文  87-88
后记  88

塔克拉玛干沙漠塔中近地层湍流特征研究

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