珠峰北坡地区近地层大气湍流与地气能量交换特征

第21卷第12期2006年12月

地球科学进展

A DVANCE S I N E AR TH S C I ENC E

V o l.21　N o.12

D e c.，2006

文章编号：1001-8166（2006）12-1293-11

珠峰北坡地区近地层大气湍流与地气能量交换特征

仲雷1，2，3，马耀明1，4，苏中波5，刘　新1，李茂善3，4，马伟强3，4，王永杰1，3

（1.中国科学院青藏高原研究所，北京　100085；2.中国气象局成都高原气象研究所高原气象开放实验室，四川　成都　610071；3.中国科学院研究生院，北京　100039；4.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，甘肃　兰州　730000；5. I n t er na ti o nal I n s tit u t e f o r G e o-I n f o r m a t i o n S c i e n c e a nd

E a r t h O b serv a ti o n，E n sc h e de7500，t he N e t h er l ands）

摘　要：利用珠峰北坡曲宗地区连续一年的大气观测资料（2005年4月至2006年3月），分析了珠峰北坡地区近地层大气湍流宏观统计特征和西南季风爆发前后地气能量交换特征。研究表明在珠峰北坡地区M o n i n-O bukh o v相似定律同样适用。拟合得到了珠峰北坡曲宗地区近地层无因次风速分量方差以及温度和湿度归一化标准差和静力学稳定度的函数关系。研究得出曲宗地区能量平衡各分量（净辐射通量、感热通量、潜热通量和土壤热通量）以及地面加热场具有明显的季节变化和日变化规律。尤其是在西南季风的影响下，曲宗地区感热通量和潜热通量在季风爆发前后具有明显相反的变化趋势。其它特征参数（波文比和地表反射率）在西南季风爆发前后的变化规律也十分明显。

关　键　词：近地层；大气湍流；能量通量；珠峰；曲宗

中图分类号：P425.2 文献标识码：A

1　引　言

青藏高原地处我国西部，约占国土面积的四分之一，平均海拔在4000m以上。高原热力、动力作用以及地—气间的物质能量交换过程对我国、亚洲乃至全球的气候变化均有重大影响。青藏高原对大气的动力和热力作用主要是通过下垫面与大气的相互作用，并以湍流方式进行物质和能量交换而实现的。开展高原上地气系统物理过程的观测，分析确定热量、水汽等湍流参数的变化特征，将有助于改进全球气候模式和区域天气、气候模式在该地区的参数化方案。因此，对青藏高原的研究愈来愈受到中外学者的关注。20世纪50年代以来科学家进行了多次关于青藏高原的气象科学试验，如第一、第二次青藏高原大气科学实验（Q X P M E X，1979年5～8月，T I P E X，1998年5～8月），全球能量水分循环亚洲季风之青藏高原试验研究（G E W E X/G A M E-T i b e t，1996—2000年），“全球协调加强观测计划之亚澳季风青藏高原试验”（C EO P/C A M P-T i b e t，2001—2005年），积累了大量的宝贵资料，并且取得了丰硕的科研成果［1～10］。但是青藏高原特殊的地理条件和恶劣的气候环境给野外观测试验造成极大困难，使得很多试验只能在现有城市附近和交通相对便利的地区展开，不足以了解像珠穆朗玛峰（以下简称珠峰）这样的大地形对大气环流的影响。喜马拉雅山脉山体是北半球地表与对流层大气物质交换的重要通

　收稿日期：2006-10-11；修回日期：2006-10-24.

*基金项目：科技部社会公益研究专项“珠穆朗玛峰地区对全球变化的响应”（编号：2005D I A3J106）；中国气象局成都高原气象研究所高原气象开放基金课题“青藏高原地表特征参数卫星遥感反演研究”（编号：L P M2006011）；中国科学院知识创新工程重要方向项目“喜马拉雅山北坡地区地面大气与对流层大气交换研究”（编号：K ZCX3-S W-231）；国家自然科学基金项目“西藏高原能量水循环降雨共同观测研究”（编号：40520140126）资助.

　作者简介：仲雷（1979-），男，安徽蚌埠人，博士生，主要从事大气边界层观测和卫星遥感应用研究.E-m a i l：z hongl＠i t pca s. a c. c n

*通讯作者：马耀明（1964-），男，山西夏县人，研究员，博导，主要从事陆面过程和遥感应用研究.E-m a i l：y m m a ＠i t pcas. a c. c n

道，平均海拔6000 ～

7000 m 的山体通过山谷风等多种大气环流系统将青藏高原地面的大气与其上空的自由大气相联系。珠峰地区人烟稀少，交通十分不便，是良好的大气环境观测的本底区域。因此对珠峰北坡的陆气相互作用过程进行观测，对西藏和珠峰地区陆气物质和能量交换的研究具有重要意义。

2　实验场地、观测仪器和资料处理

中国科学院珠峰地区大气观测站于2005

年4月建立，试验场地位于珠峰北坡第一个自然村曲宗

附近（28.310° N ，86.896° E ，海拔高度为4475 m ），距珠峰大本营约40 k m ，下垫面为高原河谷草甸，试

验场地四周平坦开阔，其地形和下垫面特征基本上代表了珠峰北坡地区典型的环境特征。

大气观测于2005 年4月开始，对珠峰曲宗地区

大气状况进行了连续一年的观测，取得了宝贵的大气物理资料。

观测仪器由一套开路涡动协方差测量系统组

成，该系统由

C R 5000 数据采集器、 C S A T3 超声风速仪、 L I 7500 C O 2、水汽分析仪组成。 C R 5000 控制测量、运算及数据存储； C S A T3 测量三维风速和超声虚温； L I 7500 测量C O 2

和水汽通量。系统工作时计算在线通量，并存储通量数据和时间系列数据。其

它传感器还有：

1个 H M P45 C 温度/相对湿度探头，1个 H FP01 热通量板（热通量传感器），1套测量净辐射的理想仪器 K i pp ＆ Z o n e n C N R -1 （由2个短波和2个长波辐射组成，包括2个日辐射计和2个地面

辐射计）。 L I 7500 C O 2

、水汽分析仪、超声

C S A T3 和 H M P45 C 温度/相对湿度探头均安装在距离地面约

3m 高度处； C N R -1 距离地面约1.5 m ；热通量板水平置于距地表10

c m 处土壤中。湍流观测系统的数据采集为同步采集，采样频

率为10 H z ，不间断连续采集，数据全部存储在1G 的PC 卡上，从

C R 5000 数据采集器中取出PC 卡后直接将湍流数据拷入电脑即可。本次研究采用

2005 年4月至2006 年3月的数据进行分析，全部数据都进行了“野点”剔除，然后取30分钟数据段进行

平均量、方差、通量等一系列湍流统计运算。为了保

证数据质量，均去除湍流资料

［11］

：①风向与水平面夹

角＞±3°；②平均风速＜1.5 m / s ；③摩擦速度＜0.05 m / s ；④感热通量H s ＜5 W / m 2，以及非定常、明显存

在错误的数据，以保证湍流的均一性条件。

湍流数据的处理采用涡旋相关法，本文分析所用到的主要计算公式如下：

三维风速脉动量：

u ′＝ u －珔u ， v ′＝ v －珋v ， w ′＝

w －珔w （1）特征尺度：

u

*

＝（ u ′ w ′2

＋v ′ w ′2

）

1/4

（2）T *＝－ w ′

T ′u

*（3）q

*

＝－ w ′ q ′u

*

（4）

M o n i n- O bukh o v 长度：

L ＝－u 3*/（

k g

θ

θ′ w ′）

（5）

风脉动标准差：

σu σv σw （6）湍流强度：

I u ＝σu /u *，I v ＝σv /u *，I w ＝σw /u

*

（7）超声感热通量：

H

s

＝ρc p θ′ w ′

（8）潜热通量：

L e ＝L v ρ w ′

q ′（9）

式中，u *、v 和w 分别为超声风速仪所测得的三维风速瞬时值，u 、v 和w 为三维风速平均值；θ和ρ分别为位温和空气密度，由同步实测气压和温度求取；k 为 K a r m a n 常数（ k ＝0.4 ），g 为重力加速度，c p 为定压比热，

L v 为水汽的汽化热系数。3　结果分析

3.1　湍流宏观统计特征的分析

3.1.1　风速归一化标准差随稳定度的变化关系

近地层中风速分量和温度方差随稳定度的变化

多年来一直受到人们的关注，

1976 年 A r y a 等［12］

利

用 K a n s a s 实验数据研究表明在不稳定条件下σu ，v 在用摩擦速度u *无量纲化后，会随着稳定度

z / L 的增加而明显增大；

1977 年 P a n o f s ky 等［13］

研究指出在平

坦下垫面上有如下的函数关系：

σu /u *≈σv

/u *＝（12－0.5 z / L ）

1/3

（10）σw

/u *＝1.3（1－3 z / L ）1/3

（11）

1993

王介民等［14］

研究指出在中性条件下的

σw /u *

随着观测高度的增加而增大；2002 年马耀明等［

15］

利用 G A M E / T i b e t 加强观测期（

I n t e n s i v e O b- s e r va ti o n P e r i o d ， I O P ）安多地区湍流观测资料研究了无量纲化风速标准差随稳定度参数

z / L 的变化。近地层三维风速脉动方差σu ，σv ，σw 经过摩擦

风速归一化处理后应为稳定度参数 z / L 的函数，即

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