黄土高原复杂地形对近地层湍流尺度的影响

Correctly parameterized turbulence in the surface layer is one of the key issues to evaluate the land-atmosphere interaction, to develop boundary layer parameterization scheme, and to improve the accuracy of the numerical simulations. Currently, it is studied more fully over the flat underlying, and the theory is relatively mature. However, the knowledge about the effects of complex terrain on turbulence structure is very insufficient, and the observation is rarely used in turbulence parametric study. To gain an insight into the characteristics of turbulence in the surface layer over complex terrain, this project will execute field experiments about the surface turbulence at the Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University (SACOL) as the representative site of the complex terrain in the semiarid region of the Loess Plateau, by using boundary layer meteorological measurements system, eddy covariance system; analysis the contribution of large eddies generated by complex terrain to turbulent kinetic energy; study the relationship between the scales of turbulence and terrain; reveal the impact of the complex terrain on the scale of turbulence and the distribution of turbulent kinetic energy in the surface layer, by compared with the turbulent characteristics collected at sites with flat and homogeneous underlying; study the change of turbulent kinetic energy scale distribution along with the atmospheric state; categorize the turbulence over complex terrain into different regimes; investigate the validity of the Monin-Obukhov similarity theory (MOST) in the surface layer over complex terrain; and improve the flux-gradient relationship. This project surely has important scientific senses on understanding regional land-atmosphere interactions, improving the parameterization schemes of the surface layer in numerical models, and enhancing the accuracy of numerical simulation in this region.

正确认识近地层湍流结构是评价地气相互作用、发展边界层参数化方案、提高模式模拟精度的关键问题之一。目前对平坦地形上湍流研究较多，有较好共识，而关于复杂地形对湍流结构的影响认识还很不足，观测结果在湍流参数化研究中的应用十分有限。本项目拟利用边界层气象要素梯度观测、涡动相关观测等，在兰州大学半干旱气候与环境观测站为代表的黄土高原复杂地形上典型站点开展近地层湍流连续综合观测，分析地形引发的大涡对湍流动能的贡献，研究湍流尺度与地形尺度的关系，通过与平坦均匀站点湍流特征对比，揭示复杂地形对湍流尺度和湍流动能的影响，根据湍流尺度随大气平均状态的变化对黄土高原复杂地形上湍流进行分类，考察莫宁-奥布霍夫相似理论的适用范围，优化通量-梯度关系。为构建复杂地形上边界层参数化方案、提高大气模型在黄土高原半干旱区的模拟能力、认识气候变化背景下该地区地气相互作用提供观测资料和理论依据，具有重要的科学意义。

依托兰州大学半干旱气候与环境观测站进行定点连续观测和加强期外场实验，获得了黄土高原半干旱区复杂地形上边界层湍流、陆气相互作用和边界层结构的第一手资料，利用观测资料和数值模拟研究复杂地形对近地层湍流尺度的影响。湍流垂直尺度主要受通量印痕区内地表特性影响，地形起伏越大，湍流垂直尺度越大；湍流水平尺度同时受上风向印痕区以外的地形影响，上风向地形起伏越大，湍流水平尺度越大。不稳定边界层中，湍流纵横比Ar =σw/σu变化不大；稳定边界层中，Ar随稳定性增加而减小，湍流是准二维的。.通过湍流尺度分解，把复杂地形上边界层湍流分为非平稳的大涡运动和小尺度的局地湍流，大涡运动受复杂地形影响产生，主要发生在稳定边界层中。其对湍动能的贡献主要在水平方向上，从平均来看，非平稳运动不会造成感热通量的系统性差异，但造成不同时次之间湍流通量的巨大差异。地气之间的感热输送主要由局地湍流实现，但局地湍流的形态受大涡运动的影响。稳定边界层中，U < 3.0 m s-1时，大涡运动频发，其剪切作用生成的局地湍流具有更小的纵横比，在垂直方向上的输送能力弱，导致地表能量闭合比率降低。复杂地形上稳定边界层湍流分为三类：（1）U > 3.0 m s-1，平稳湍流，湍流满足相似理论的假设前提；（2）Ut < U < 3.0 m s-1，湍流非平稳，线性通量梯度关系可用以描述局地湍流，相似理论能够用以描述局地湍流但不能描述非平稳运动过程；（3）U < Ut，弱风情形，湍流与平均气流无关，相似理论失效。.项目的开展，积累了黄土高原半干旱区陆气相互作用和边界层湍流的观测资料，增加了复杂地形对近地层湍流影响的认识，为天气气候模式在该地区的参数化提供了基础。依托本项目，目前完成论文6篇，其中，发表SCI论文3篇，待刊中文核心论文1篇，投稿中SCI论文2篇，完成了项目的论文考核指标，仍有部分研究成果正在整理尚未发表。