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JGR:基于大涡模拟揭示大尺度湍涡导致涡动相关能量不闭合的机制
2019-09-10      
  近地层的能量闭合问题,即涡动相关方法(Eddy covariance,EC)测量到的感热通量(H)与潜热通量(LE)之和一般总小于近地层的可利用能量(净辐射Rn与土壤热通量G之差),已经成为困扰地气间相互作用研究的瓶颈之一。研究发现,大部分EC站点观测的感热通量和潜热通量之和低于可利用能量,两者的差值可达可利用能量的10%~30%。而在青藏高原一些站点,两者的差值可达可利用能量的50%。该问题一经发现便引起了学者的广泛探讨与分析,目前已经取得了一些关于EC能量闭合问题的重要认识。但对于EC能量闭合问题的成因和解决方法尚无定论。随着EC站点的广泛建立和EC数据的广泛应用,探讨EC能量闭合问题机制和解决方法,已经成为一项急需解决的科学任务。
  近期,皇冠体育直播国家青藏高原科学数据中心周彦昭博士等基于大涡数值模拟,分析了无背景风速和水汽时,非均匀地表诱发的大尺度湍涡(见图1)导致涡动相关能量不闭合的机制。研究结果发现:垂直速度的积分长度lw、大气稳定度参数zi/L、平均水平速度U和平均时间T为直接导致EC能量不闭合的大尺度湍流结构的4个特征量。在这4个变量中,lw决定着大涡的大小,zi/L影响着大涡的结构和协谱形状(即通量在不同大小湍涡的分布);而U和T共同决定着EC能采样到大涡的数量。I与上述这4个变量间的定量关系为:
  I=1-[a*(z/zi)+b]*[K*(zi/L)*(lw/UT)+C]
  其中a,b,K,和C为经验参数。
  与之前的定量关系相比,上述关系式物理机制更清楚,更容易理解。最重要的是,基于上述定量关系,可以推导出目前已知的大部分因子与I的关系。这间接地证实了上述定量关系的合理性、正确性。
  研究成果近期以“The Effects of Surface Heterogeneity Scale on the Flux Imbalance under Free Convection”和“Energy balance closures in diverse ecosystems of an endorheic river basin”为题发表于Journal of Geophysical Research: Atmospheres和Agricultural and Forest Meteorology上。该研究得到了中国科学院战略先导研究计划(XDA20100104)、国家自然科学基金项目(91425303)等资助。
  论文链接:

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图1. 不同地表异质性尺度诱发的大尺度湍涡结构。 z = 45 m 处的垂直速度的xy截面图。其中B和H表示两种不同的地表异质性类型;其后的数值表征地表异质性长度。
 
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