巴丹吉林沙漠北缘拐子湖近地层湍流能谱特征分析

郑新倩,彭冬梅,吴 烨,周成龙,产秀媚,买买提艾力.买买提依明*

(1.新疆农业气象台,新疆乌鲁木齐830002;2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所,新疆乌鲁木齐830002;3.塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站,新疆塔中841000;4.布尔津县气象局,新疆布尔津836600)

巴丹吉林沙漠北缘拐子湖近地层湍流能谱特征分析

郑新倩1,彭冬梅1,吴 烨2,3,周成龙2,3,产秀媚4,买买提艾力.买买提依明2,3*

(1.新疆农业气象台,新疆乌鲁木齐830002;2.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所,新疆乌鲁木齐830002;3.塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站,新疆塔中841000;4.布尔津县气象局,新疆布尔津836600)

利用2013年6月巴丹吉林沙漠拐子湖地区流沙下垫面的陆气通量观测资料,计算并分析了该研究区不同大气稳定层结条件下的湍流速度各分量谱和温度谱及湍流的局地各向同性特征.结果表明:该研究区风速各分量的湍流强度随平均风速的增加而逐渐减小,当平均风速gt;2 m/s时,风速各分量的湍流强度逐渐稳定且基本限定在0.5以内.在不同大气稳定度下,湍流速度和温度能谱曲线在惯性副区内逐渐有合并趋势且遵循Kolmogorov提出的-2/3定律,速度各分量谱在高频段均满足各向同性且符合低频限制理论.随着稳定度的增加,风速分量的能谱曲线逐渐降低且向高频端移动,风速分量和温度能谱对应的谱峰长度则逐渐减小.该研究区水平湍流尺度范围为9.0～600 m,垂直湍流谱峰波长为10.79～75 m.该结果介于草地和森林下垫面之间,与塔克拉玛干沙漠腹地的试验结果较为接近.

巴丹吉林沙漠;湍流;大气稳定度;能谱分析;局地各向同性

大气湍流是一种高频微尺度运动,由许多不同大小的湍涡相互叠加而成[1,2],是大气和地表之间的能量、物质转化与交换的最重要途径,直接与大气边界层中的动量、热量、水汽、污染物的垂直和水平输送密切相关[3-5].大气湍流强度用湍流能谱密度表示,可描述湍涡的无序分布,不仅可以反应湍流总能量和不同尺度湍涡对整体湍能贡献的相对大小[6],还可用于确定涡度相关系统对高频和低频率信号的响应能力,而且对于探讨近地面层物质、能量的输送机制也有重要意义[4,7].

20世纪40年代,Kolmogorov提出了局地均匀各向同性理论,同时首次通过量纲分析得到湍流能谱与频率之间的-5/3指数关系[8].在此之后,Monin和Obukhov给出了湍流相似理论[9].该阶段由于监测仪器响应较慢,不能满足相关要素湍流脉动量的测量要求,很大程度上限制了湍流理论的进一步发展.20世纪60年代以来,随着大气探测手段和电子计算能力的不断提高,使得对于大气湍流特征的分析越来越深入.1968年,AFCRL(Air Force Cambridge Research Laboratories)开展的Kansas试验是第一次大规模使用快速响应探测仪器,给出了平坦均一下垫面风速和温度序列,并得到了很多标志性的结果[10].Kaimal等利用热线风速计给出了湍流动能与稳定度之间的关系,同时指出地形对湍流谱的低频扰动可使其峰值产生位移[11,12].通过HEIFE和HUBEX试验分别得出了中国西北戈壁和淮河流域地区的湍流能谱特征[13,14].刘树华等对长白山森林冠层上下两个高度的湍流谱结构、局地各向同性和耗散率进行分析,揭示了森林粗糙表面在湍流输送过程中的动力扰动和对大涡的破碎作用[15].此后通过EBEX-2000试验分析了美国加州棉田湍流速度、温度和湿度在不同稳定度下的特征,并与Kansas和长白山森林实验结果进行比较.倪攀等针对科尔沁半干旱风沙草原地区进行了湍流谱和协谱的分析,发现半干旱风沙草原下垫面相对森林,其湍涡在输送过程中的破碎作用较小,物质、能量主要以大涡形式输送[4].温雅婷等发现塔克拉玛干沙漠腹地水平湍流尺度范围介于森林和草地之间且不稳定层结比稳定层结的谱峰更偏向低频端,峰值尺度更大[6].总体来说,针对沙漠下垫面湍流谱特征的研究相对较少,沙漠下垫面是否满足湍流能谱与频率之间的指数关系及涡度相关系统在该下垫面能否满足对高频和低频率信号的响应仍需开展进一步分析.

拐子湖位于巴丹吉林沙漠北缘,属内蒙古自治区阿拉善盟额济纳旗地区.这里自然条件异常恶劣,干旱、高温、大风、沙尘暴频繁是这里的主要气候特点.整体为典型的内陆温带荒漠气候,处于中国夏季风边缘区,对全球气候变化的响应十分敏感.干旱少雨,蒸发量较高,年均气温为9.2℃,最高温度44.8℃,最低温度-30.7℃.年均降水量仅42.9 mm,潜在蒸发量高达4 217.9 mm[16,17].该区域风沙灾害频发,是内蒙古强和特强沙尘暴的主要多发区之一,同时也是我国沙尘暴北方路径的必经之地[18].主风向为西风,年均8级以上大风约58次,沙尘暴30 d左右,历史最高风速为38 m/s.地表以大面积流沙覆盖为主,平均粒径为250～500 μm,与塔克拉玛干、古尔班通古特、腾格里沙漠相比,其沙粒粒径相对较粗.目前,针对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-地下水关系、地表风蚀起沙、沙漠气候变化等问题,而关于该地区陆气相互作用的研究,特别是陆气湍流能谱分析却相对较少.本文利用位于巴丹吉林沙漠北缘拐子湖通量观测站2013年6月的湍流通量资料,分析该地区流沙下垫面不同稳定度条件下,湍流速度各分量谱和温度谱及湍流的局地各向同性特征.这对进一步了解沙漠地区湍流特征及物质、能量的输送机制有重要意义,并且为分析和评价沙漠下垫面不同大气稳定度下的涡度相关实测数据质量提供参考依据.

1 研究设备及方法

1.1 试验设备

所用资料来自于拐子湖气象站以南1 km处的陆气湍流通量观测系统(41°22′N,102°22′E,海拔960 m)(图1).该观测系统由中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所于2012年6月建成,整体位于平坦的流动沙地之上.主要设备包括:10 m梯度风、温、湿探测系统,涡度相关探测系统,辐射及土壤温、湿度观测系统.其中,涡度相关探测系统安装在距地面3 m高度处,由三维超声风速仪(R3-50,GILL,UK)和红外CO2/H2O分析仪(LI-COR7500A,Campbell Scientific,USA)组成.数据采集频率为10 Hz,存储于美国Campbell Scientific公司生产的CR1000型数据采集器中.

1.2 湍流谱分析理论基础

在大气边界层中观测到的湍涡是时间和空间上的广阔结构,对其理想的分析方法是采用谱分析[2].根据Taylor湍流冰冻理论,利用傅里叶变换,可将时间序列的信号转化成空间分布,可发现不同时间和空间尺度的湍涡在整个湍流状态中所起的作用,确定涡度相关系统对高频湍流信号的响应能力,以此来检测评估湍流数据质量的好坏.湍流能谱一般分为3个部分:含能涡区、惯性副区和耗散区.Kolmogorov提出在惯性副区中风速的湍流能谱密度表达式[8]为:

图1 拐子湖地理位置及通量观测站示意图

依据泰勒假设,对湍流能谱密度函数积分,将波数空间转化为频率空间,即得到湍流能谱与频率的关系.湍流的热力和动力生成主要发生在靠近谱峰的低频区域,低频湍涡所含能量逐渐向较高频率的小尺度湍涡传递,最终完全被分子热耗散.高频部分存在一段惯性副区.惯性副区属于符合局地均匀和各向同性的小尺度湍流中尺度稍小的子区,没有显著的湍流能量产生或耗散,且遵循-2/3定律向更小尺度传递,湍流能量只是通过惯性力从低波数(较大尺度湍涡)向高波数(较小尺度湍涡)输送,并在压力脉动的作用下在空间均匀分布[11,19].这里以风速分量α和温度T为例:

式中,α分别为u、v、w分量;aα为风速分量的Kolmogorov常数,Kaimal给出au=0.51,av=aw=4au/3,数值为0.5～0.6;ε为湍流耗散率;为无因次频率,f是周期频率,z为观测高度为平均风速.

1.3 湍流谱的计算和处理

将2013年6月的10 Hz原始湍流通量数据分割成每30 min为一组数据.通过Eddypro 4.0软件对分割好的数据进行相应的低频滤波、各分量脉动计算、快速傅里叶变换(FFT)等处理后得到相应各分量的功率谱.在此基础上,对得到的功率谱高频区进行低通滤波、滑动平均及湍流谱归一化等处理后得到最终的湍流谱,相应处理的详细步骤见刘树华和温雅婷等[2,6]分别对EBXB-2000实验和塔克拉玛干沙漠腹地的湍流谱分析.

2 结果与分析

2.1 湍流强度分析

湍流强度指被水平风速标准化后的标准差[19],定义为Iα= σα/U,其中Iα为各风速分量(u、v、w)的湍流强度,σα为相应风速分量的标准差,U为平均风速.从2013年6月的通量观测资料中选取天气系统较为稳定的14-17日和19-20日作为巴丹吉林沙漠拐子湖地区湍流强度的分析对象,分析结果如图2所示.从图中可以看出,整体上风速各分量的湍流强度随平均风速的增加而逐渐减小,其中平均风速在1 m/s左右时,各风速分量的湍流强度快速下降,当平均风速gt;2 m/s时,风速各分量的湍流强度逐渐稳定,基本限定在0.5以内.风速各分量的湍流强度平均值依次为0.31、0.30和0.09,Iu和Iv大小相似且均大于Iw.整体上符合泰勒假说的条件.

图2 风速各分量的湍流强度与平均风速的关系

2.2 湍流谱分析及谱峰频率和波长

2.2.1 湍流谱分析

利用2013年6月的涡度相关通量数据,从中选取天气晴朗且湍流充分发展的6月20日作为重点研究对象,对其全天的大气稳定度((z-d)/L)进行计算(图3).大气稳定度((z-d)/L)的定义为:

其中,z为传感器的安装高度,此处为3.0 m;d为零平面位移,研究区为裸露的流沙下垫面,此处为0 cm;L为奥布霍夫长度;为平均温度的特征值;u为摩擦风速;k为卡曼常数,此处取0.4;g为重力加速度;为热量通量.当(时,大气处于不稳定层结;当(z-d)/L=0时,大气处于近中性层结;当(z-d)/Lgt;0时,大气处于稳定层结.6月20日全天的大气稳定度变化如图3所示,从中特选取11:30-12:00和12:00-12:30代表大气层结的不稳定状态,平均大气稳定度分别为-1.810和-1.402;5:00-5:30和9:00-9:30代表大气层结处于近中性状态,平均稳定度分别为0.011和0.010;23:00-23:30和00:00-00:30代表大气层结处于稳定状态,平均稳定度分别为0.975和0.638,相应的湍流通量数据进行湍流能谱分析.

图3 2013年6月20日拐子湖地区流沙下垫面大气稳定度日变化情况

在不同大气稳定度条件下,对巴丹吉林沙漠北缘拐子湖地区流沙下垫面3 m高度处的风速分量和温度进行能谱分析.结果如图4所示,其中横坐标为无因次频率,纵坐标为归一化的湍流能谱在双对数坐标系下,速度能谱曲线在低频区相对分散,在惯性副区内逐渐有合并趋势且归一化湍流能谱在该区域内大体遵循Kolmogorov提出的-2/3定律(图4a、4b、4c).整体来看,在不同的大气稳定度下各风速分量的低频区均呈现能谱曲线随大气稳定度逐渐增加而降低且向高频端移动的排列趋势.这一结果与Kansas实验得到的能谱曲线分布规律是一致的,但与之相比本研究中风速能谱曲线依次排列的规律并不十分明显.这是由于随着稳定度的增加,各风速分量相应的湍流能量逐渐减小,进而造成能谱曲线随之降低且湍流尺度减小,向高频端移动.大气不稳定时,谱峰能量偏向低频端,那里存在更多能量且较大尺度的湍涡,同时也显示了沙漠地区对湍流相对于其他下垫面较小的破碎作用.此外,与温雅婷[6]和倪攀[4]分别对塔克拉玛干沙漠和科尔沁草地湍流能谱的研究结果类似,发现本研究中各风速分量的能谱曲线在稳定条件下,能谱的高频端出现类似的上翘现象,但相对微弱.这说明此时的信号被噪声干扰,需要对数据进行相应的滤波处理.同时,值得注意的是u谱和v谱在部分稳定度下的低频端具有上翘现象,以至于能谱曲线没有表现出明显的谱峰.这种能谱曲线的低频端上翘现象在Cava等利用南极Nansen Ice Sheet观测数据进行湍流谱分析过程中也有发现[20],并且在倪攀针对科尔沁草地湍流能谱分析中也有所提及[4],但究其产生的原因还不是十分清楚,还有待进一步研究.

对于温度能谱来说,许多研究认为,在不稳定层结下,温度能谱曲线在惯性副区遵从-2/3幂次率,无因次频率大于0.3;在稳定层结下,无因次频率大于0.8时,能谱曲线服从-2/3定律.同时,在低频的含能区域,温度能谱曲线随稳定度参数呈现规则的依次变化.对照本研究中的温度能谱,整体上其分布的规律性较弱.在不同稳定度下,各温度能谱曲线基本遵从-2/3幂次率.相比各风速谱,温度能谱在z/L为0.011和0.010两个近中性层结下,分布整体较为分散.同时在各大气稳定度下,温度能谱也没有表现出如风速能谱按照稳定度不同依次排列的现象.

2.2.2 谱峰频率和波长

图4 拐子湖地区流沙下垫面3 m高度处风速分量和温度在不同大气稳定度下的归一化谱

谱峰频率是湍流谱能量最大值对应的频率,谱峰波长反映的是对湍流能量贡献最大的涡的尺度,谱峰波长越大,对应的湍涡尺度也越大.根据Taylor假设:λmα=(z-d)/nmα,其中nmα是风速分量(u、v、w)和温度(T)谱对应的谱峰频率;λmα为谱峰波长.从表1拐子湖地区流沙下垫面风速分量和温度在不同大气稳定度下,湍流能谱的谱峰频率和谱峰波长可见,随着大气稳定度的逐渐增加,风速分量和温度能谱对应的谱峰频率均有不同程度的增加,对应的谱峰长度则逐渐减小,其中在不稳定层结下各分量谱峰波长达到最大值.这说明随大气稳定度的增加,各分量对应的湍涡尺度逐渐减小.同时,通过横向对比可发现w谱峰波长整体上小于u谱和v谱.这符合一般垂直湍涡尺度相对较小的认识.

此外,与其他下垫面湍流尺度相比,Kansas实验得出典型平坦草原下垫面湍涡的水平尺度范围为22～2200 m,垂直尺度为5～200 m;刘树华等对长白山原始森林进行湍流观测研究发现,其水平尺度范围为3～160 m,垂直尺度为1～50 m[15];EBEX-2000实验得出水平湍流谱峰波长范围为4～810 m,垂直湍流谱峰波长为1.2～81 m[16];温雅婷等对与本研究下垫面同为流动沙漠的塔克拉玛干沙漠腹地的湍流尺度进行分析发现,水平湍流谱峰波长范围为15～909 m,垂直湍流谱峰波长为5～76 m.本研究得出巴丹吉林沙漠北缘拐子湖地区水平湍流尺度范围为9.01～600 m,垂直湍流谱峰波长为10.79～75 m.该结果明显小于Kansas实验结果,大于长白山原始森林,与塔克拉玛干沙漠和美国加州棉花下垫面结果较为接近.其中巴丹吉林沙漠拐子湖地区的水平湍流尺度的最高值小于塔克拉玛干沙漠和美国加州棉花下垫面,垂直湍流谱峰波长的最低值高于其二者.对湍流尺度的差异比较,证明了不同下垫面对湍涡的破碎作用,即下垫面越粗糙,对湍涡能量贡献最大的涡的水平尺度越小.同时,太阳辐射及地表强迫的不同引起了垂直湍流尺度的差异.

2.3 局地各向同性

根据Kolmogorov湍流理论,在惯性副区各风速分量(u、v、w)能谱满足Sv(f)/Su(f)=Sw(f)/Su(f)=4/3条件,则说明湍流符合各向同性.图5为研究区3 m高度处不同大气稳定度条件下,横向速度谱、垂直速度谱分别与纵向速度谱比值随频率的变化情况.整体来看,Sv(f)/Su(f)和Sw(f)/Su(f)在不同大气稳定条件下大体均处于4/3直线以下且低频段曲线相对分散,高频段集中收敛在4/3直线附近.随着大气稳定度的增加,其中Sv(f)/Su(f)谱线稳定达到各向同性条件对应的频率分别为0.040、0.173、0.249;对于Sw(f)/Su(f)谱线来说,对应的频率分别为0.084、0.619、0.622.可见在低频段湍流谱各向同性较差,高频段各向同性较好.这符合Kaimal提出的湍流各向同性的低频限制理论[12].其中,Sv(f)/Su(f)的谱线随着大气稳定度的增加相对更为远离4/3直线且到达4/3直线的频率也逐渐增加.与其他下垫面的结果相比,本研究得到的各向同性数据在低频段比Kansas实验、EBEX-2000实验及塔克拉玛干腹地的结果分散的多.对比横向速度谱和垂直速度谱分别与纵向速度谱的比值随频率的变化情况,其中Sw(f)/Su(f)谱线在低频段更为远离4/3直线且达到4/3直线时对应的频率相对更大,这种现象在大气稳定和近中性条件下表现的要比不稳定条件更为明显,这说明Sw(f)/Su(f)谱线的低频限制相对较强,Sw(f)在低频处能量更小.

3 结论

通过对巴丹吉林沙漠拐子湖地区流沙下垫面3 m高度的陆气通量资料进行分析,得到了研究区近地层湍流速度谱、温度谱及局地各向同性特征,结果分析表明:

表1 拐子湖地区流沙下垫面3 m高度处风速分量和温度在不同大气稳定度下湍流能谱的谱峰频率和谱峰波长

图5 拐子湖地区流沙下垫面3 m高度处不同大气稳定度条件下风速谱的湍流各向同性特征

(1)在巴丹吉林沙漠北缘拐子湖地区流动沙漠下垫面,风速各分量的湍流强度随平均风速的增加而逐渐减小.平均风速gt;2 m/s时,风速各分量的湍流强度逐渐稳定,基本限定在0.5以内,Iu和Iv大小相似且均大于Iw.整体上符合泰勒假设.

(2)在不同大气稳定度条件下,速度和温度能谱曲线在低频区相对分散,在惯性副区内逐渐有合并趋势且大体遵循Kolmogorov提出的-2/3定律.风速分量的能谱曲线随着稳定度增加逐渐降低且向高频端移动,湍流能量和尺度均逐渐减小.大气不稳定时,谱峰能量偏向低频端,那里存在更多能量且较大尺度的湍涡,同时也显示了沙漠地区对湍流相对于其他下垫面较小的破碎作用.温度谱线整体较为分散,随稳定度参数的变化相应的排列规律不明显.

(3)随着大气稳定度的逐渐增加,风速分量和温度能谱对应的谱峰长度则逐渐减小,即湍涡尺度逐渐减小.本研究得出研究区水平湍流尺度范围为9.01～600 m,垂直湍流尺度范围为10.79～75 m.该结果与其他下垫面的对比,进一步证明了粗糙下垫面对湍涡的破碎作用.

(4)通过各向同性分析结果显示,在不同大气稳定条件下,速度各分量谱在高频段均能满足各向同性,符合Kaimal提出的湍流各向同性的低频限制理论.

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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

郑新倩,彭冬梅,吴烨,等.巴丹吉林沙漠北缘拐子湖近地层湍流能谱特征分析[J].沙漠与绿洲气象,2017,11(5):63-69.

10.12057/j.issn.1002-0799.2017.05.009

2017-03-01;

2017-04-01

国家自然科学基金(41505008、41575008、41305107).

郑新倩(1987-),女,工程师,主要从事为农业气象服务.

E-mail:zhengxinqian1987@126.com

买买提艾力.买买提依明(1978-),男,维吾尔族,副研究员,主要从事沙漠陆面过程研究.E-mail:ali@idm.cn