中国西北干旱区均匀下垫面上稳定边界层非湍运动和湍流相互作用的观测研究

It is shown that the interaction between nonturbulent motion and turbulent motion exists in the stable boundary layer. These nonturbulent motions are mainly small and mesoscale motions of the atmosphere, such as gravity waves, nocturnal flows, solitary waves, etc.. Since non-turbulent motion does not conform to Monin-Obukhov similarity theory, it can lead to the deterioration or even failure of the applicability of the similar theory, and the observation results show that the universal function of stable boundary layer is different widely and the energy closed degree is unusually small. This project is to study the interaction between nonturbulent and turbulence motion in the stable boundary layer in the arid area of Northwest china. Firstly, the stable boundary layer is analyzed by clustering, and the characteristics of the stable boundary layer are classified, such as the energy balance of the near formation, the Monin-Obukhov similarity and the difference of the turbulence spectrum. After that, turbulent flux, mesoscale flux, turbulent flow and non turbulent flow are gotten By using Multi-Resolution Decomposition and Ensemble Empirical Mode Decomposition; and further the interaction mechanism of stable boundary layer turbulent and non turbulent motion are revealed through the analysis of the interaction between them, and the transport process of atmospheric motion of matter and energy are described. The research results are helpful to understand the exchange of energy and material in land atmosphere interaction, to improve the land surface parameterization scheme, and have important significance to improve the level of weather and climate prediction.

研究表明稳定边界层内存在非湍流运动与湍流运动的相互作用。非湍流运动主要是大气的中小尺度运动，诸如，重力波、夜间泄流、孤波等。由于非湍流运动不符合Monin-Obukhov相似理论，故而非湍流运动将使相似理论的适用性变差甚至失效，还有稳定边界层普适函数差别大、能量闭合度异常偏小。本项目欲选择西北干旱区对稳定边界层进行观测研究。首先对稳定边界层进行聚类分析，分类归纳稳定边界层运动特征，诸如，近地层能量平衡状况、符合Monin-Obukhov相似性状况及各种湍流谱差异。之后，利用多尺度湍流分解方法和集合经验模态分解方法得到湍流通量、中尺度通量以及湍流运动和非湍流运动；并通过分析它们之间的相互作用，揭示稳定边界层湍流运动和非湍流运动的相互作用机制，刻画大气运动对物质和能量的输送过程。研究结果有助于加深理解地气间能量和物质的交换，有利于完善陆面过程参数化方案，对提高天气预报和气候预测水平有重要意义。

项目针对均匀下垫面上的稳定边界层开展观测研究。受疫情等客观条件限制，项目直到2021年5月才得以围绕锡林浩特国家气候观象台的典型草原上高100米边界层梯度塔观测系统开展了联合互补观测试验；为确保科研进度，研究利用了2014-2016年在阿拉善左旗荒漠和农田的近地层观测资料。基于观测和搜集的近地层综合观测资料，项目通过大量的资料分析及理论研究，取得了创新性较好的成果，完成了项目设计的观测研究任务，达到了项目的预期目标。项目研究主要结论有：.1）基于稳定度参数Ri确定两类边界层进行对比分析，确定Ri的连续序列时间长度为夜间观测的6小时(20:00-04:00, 北京时间)，第一类稳定边界层[在观测序列中 Ri 都在 0 和 0.25 之间(0 < Ri < 0.25)，或者Ri超过 0.25(Ri≥ 0.25) 的连续子序列的长度小于对应的 Ri 原始序列拟周期的一半]; 第二类稳定边界层[Ri超过 0.25(Ri≥ 0.25) 连续子序列的长度不小于对应的 Ri 原始序列拟周期的长度的一半]。.2）利用Koopman方法将Ri序列展开而得到两类边界层的 Koopman 子空间模态，进一步的分析表明：① Ri 的 Koopman 2-子空间是主要模态；② 第二类稳定边界层体现出极限环的状态，而第一类稳定边界层处于均衡态；③ 对比主模态上相干结构的周期发现，第一类稳定边界层上相干结构的周期要小于第二类稳定边界层。.3）通过对两类稳定边界层湍流各向同性特征量进行分析，发现了归一化雷诺应力张量不变量 F 中存在临界点Fc。对比两类稳定边界层表明：① 在第一类边界层中，F 临界点前后 F 的分布差异明显，并且水平湍流动能呈现出分岔的动力学特征；但第二类稳定边界层的特征不明显。② 第一类边界层呈现着耦合的特征，在越过临界点Fc之后，水平湍流动能存在着二次曲线的关系；水平湍流动能、垂直湍流动能、感热通量和摩擦速度等边界层特征量对湍流非各向同性演化的影响受到“剪切增强-向下垂直温度通量增强”的耦合作用的驱动,耦合作用的增强使非各向同性从边缘极限状态向中心混合态演化；而第二类边界层呈现着非耦合的特征，如第一类稳定边界层的特征不明显及演化不存在。