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2006春季珠江口海岸带近地面层湍流结构与热通量的观测研究

作　者: 马应生
导　师: 黄菲
学　校: 中国海洋大学
专　业: 气象学
关键词: 珠江口海岸带涡旋相关法湍流结构特征热通量海面热量收支
分类号: P732.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近地面大气边界层中热通量的交换(包括陆地与大气、海洋与大气之间)是气候变化的重要机制之一,也是陆-气、海-气相互作用的关键环节,尤其是海-气互相作用,随着气象科学的发展,人们已经越来越认识到它的重要性,因此国内外都将对海-气相互作用的研究放在气象科学领域的重要位置,投入的人力物力也与年剧增。海洋通过潜热、感热通量与大气进行热量和水汽的交换,同时大气则通过动量通量来驱动海水运动,特别是海洋的上层部分,动量通量是影响它的混合层的动力因子。大气边界层中的湍流输送和通量交换目前已成为气象与海洋研究领域最重要的前沿课题之一,而了解和掌握大气边界层中的湍流结构和输送特点是准确计算大气与下垫面之间交换的动量通量、热通量的前提,因此对边界层中的湍流结构和输送特征的研究已成为通量研究的一部分,也是一个重要环节。研究边界层的湍流结构与输送特点必须有设计合理的实验平台、高密的观测仪器等条件,目前国际上普通采用涡动相关系统来获取高频率、高精度的实测资料。本文利用中国气象局广州热带海洋气象研究所2006年春季在珠江口岸边进行的气象观测实验中获得的海洋气象和大气边界层数据,对珠江口海岸带区域的近地面边界层的湍流结构和热通量交换特征进行了分析研究。主要结论如下:(1)大气稳定度的概率密度分布基本呈正态,此季节内观测区域边界层的大气层结基本为中性或近中性的状态,强稳定或者强不稳定的天气过程相对很少。摩擦速度不仅和风速有关而且和大气层结稳定度有关,其随风速线性增加,陆面起伏引起的干扰性的扰动对此线性关系的离散性有较大的影响。(2)无因次风速方差满足相似规律并符合“1/3”次方定律,在中性或者近中性条件下,u, v, w三个方向分量的相似函数为常数:3.06、2.56、1.33;三维风向下的平均湍流强度分别为0.232、0.214、0.113,湍强在风速达到4m/s-6m/s时最弱,且变化不明显,在自由对流状态(风速小于2m/s)时湍流发展最旺盛,风速大于6m/s时随风速增大略有增加,水平分量比垂向分量的增幅明显。(3)海面空气动力粗糙度在距离海面10m高处风速(U10)为3.0m/s时最小,其与U10成二次曲线关系;中性或近中性条件下拖曳系数平均值为1.180×10-3,与U10的关系以U10等于4m/s为分界点时的拟合关系最好,在U10<4m/s时中性拖曳系数随U10先减小后增加,为二次曲线关系;当U10在4m/s-20m/s之间时中性拖曳系数随U10线性增加。(4)该海岸带内的热通量(包括感热和潜热)逐月增大,其在5月份的交换最活跃,量值达到最大;冷锋入侵时带来的干、冷空气活动引起水汽蒸发和感热急剧变化的“脉冲”现象,对热通量的交换影响很大。由于下垫面与大气温差在各个月份不同,使得平稳过中感热的月平均值在3-4月和5月的传输方向相反,不同过程的月平均值显示,潜热的值始终大于感热的值,此季节内观测区域的大气与下垫面之间的热通量的交换以潜热为主。(5)观测期内冷空气活动的天数为14天,占总天数的16.5%,在此期间交换的热通量的值占总观测期内热通量的25.6%,潜热的贡献为17.4%,表明此季节内冷空气活动对热通量的交换依然有着很大的影响。(6)海面净辐射和净热通量的月平均值,从3月到4月都有一个较大的增幅,但是从4月到5月二者的变化差异较大:净辐射从4月到5月增幅较小;但净热通量从4月到5月是负增长,这归因于5月份热通量的交换能力增强(感热和潜热都如此),海水释放的热量值增多,使得海洋储存起来的净热通量在5月份反而减少,说明春季该海域储存的热量在4月份是最多的。(7)在月平均或者季节平均的日变化中,感热、潜热、海面净辐射和净热通量在相同时次的量值都逐月增大。潜热在15时左右达到峰值;感热在9时前后达到最大,最小值发生在夜间而非午间,二者均在夜间比较稳定、少变。海面净辐射与净热通量基本同步变化,都呈单峰型。白天,二者均为正值,且净辐射值大于净热通量值;夜间,二者均为负值,净热通量的绝对值大于净辐射的。在3-4月的日变化中,净辐射与净热通量之间的差值较小,5月份二者的差值增大,因为5月的净辐射强度接近4月的,而感热和潜热在日变化中的相同时次都有较大幅度的增加,使得海洋净支出热量增多。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
1 前言  12-20
  1.1 研究背景与意义  12-13
  1.2 国内外研究进展  13-19
  1.3 本文内容  19-20
2 数据与方法  20-30
  2.1 观测点与仪器  20-22
  2.2 涡动相关技术  22-23
  2.3 资料预处理与质量控制  23-30
    2.3.1 平均时间长度  24-25
    2.3.2 噪音剔除  25-26
    2.3.3 坐标旋转  26-28
    2.3.4 趋势剔除  28-29
    2.3.5 虚温、通量修正  29-30
3 近地面层湍流结构特征  30-45
  3.1 大气稳定度与摩擦速度  31-35
  3.2 无因次风速方差相似规律  35-38
  3.3 湍流强度  38-43
  3.4 海面空气动力粗糙度  43-44
  3.5 中性拖曳系数  44-45
4 近地面层热通量与海面热量收支  45-57
  4.1 近地面层热通量  45-49
  4.2 冷空气对热通量的影响  49-51
  4.3 海面辐射分量  51-52
  4.4 海面净辐射与净热通量  52-55
  4.5 通量的日变化  55-57
5 结论与讨论  57-60
  5.1 主要结论  57-58
  5.2 讨论  58-60
参考文献  60-64
附录  64-66
致谢  66-67
发表的学术论文  67

2006春季珠江口海岸带近地面层湍流结构与热通量的观测研究

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