饒志娟，劉熙明，汪如良

1. 江西省氣象學(xué)會秘書處，江西 南昌 3300962. 江西省氣象科學(xué)研究所，江西 南昌 3300963. 江西省氣象服務(wù)中心，江西 南昌 330096

0 引 言

離地面1—2 km左右的大氣邊界層是人類生活和生產(chǎn)活動(dòng)的主要空間，是地球大氣動(dòng)量、能量和各種物質(zhì)(水分、CO2和其它溫室氣體及各種大氣污染物質(zhì))上下輸送的通道，全球變化的區(qū)域響應(yīng)以及地表變化和人類活動(dòng)對氣候的影響也是通過大氣邊界層過程來實(shí)現(xiàn)的(Dalu and Pielke，1993)。由于地表狀態(tài)的不同，發(fā)生在邊界層內(nèi)的地氣之間熱量、水汽和動(dòng)量的交換過程也不同，由此影響到自由大氣，產(chǎn)生了各種不同的天氣氣候變化(Chen and Avissar，1994)。合理、準(zhǔn)確地描述時(shí)空非均勻下墊面動(dòng)量、能量、水分和物質(zhì)通量交換，不僅是當(dāng)前陸面過程研究的難點(diǎn)，也是影響和制約現(xiàn)階段氣候系統(tǒng)模式模擬和預(yù)測能力的重要原因之一。

低層大氣運(yùn)動(dòng)的主要形式是湍流運(yùn)動(dòng)，其產(chǎn)生的湍流通量是地球和大氣間相互作用的重要物理量，對區(qū)域氣候甚至全球氣候都能產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，是氣候變化研究的重要內(nèi)容之一(Vickers and Mahrt，2003)。研究表明，對于地氣系統(tǒng)熱平衡的基本狀況，大氣直接吸收太陽輻射為19%，通過地面吸收短波輻射后轉(zhuǎn)化成其他形式能量為45%，可見大氣熱量主要來源于地面(劉樹華等，2005)。因此，地表通量的觀測和計(jì)算對大氣熱量等的研究極為重要。湖泊生態(tài)對區(qū)域氣候變化的影響是研究的熱點(diǎn)問題，國內(nèi)外學(xué)者對湖泊水文過程、表面通量等進(jìn)行了大量的綜合性觀測實(shí)驗(yàn)。早在1950年，Wiggin(1950)就對美國五大湖的湖效應(yīng)降水進(jìn)行了研究。Enalainen等(1998)對兩個(gè)不同大小的湖泊進(jìn)行了觀測，研究了森林茂密湖泊的潛熱通量與過水流量的關(guān)系。Bussieres和Schertzer(2003)利用NOAA的AVVHRR熱紅外觀測數(shù)據(jù)，反演了Mackenzie流域的水體溫度，并進(jìn)一步分析了輻射平衡特征。國內(nèi)開展的HEIFE實(shí)驗(yàn)是以水分和熱量交換為主要研究內(nèi)容的綜合性觀測實(shí)驗(yàn)，并對干旱氣候的成因和相應(yīng)的陸面過程進(jìn)行了研究，為氣候模式的中緯度干旱和半干旱地帶水份和能量收支的參數(shù)化提供觀測依據(jù)，以提高氣候預(yù)報(bào)能力(胡隱樵等，1994；陶澤宏等，1994)。淮河流域試驗(yàn)(HUBEX)是全球能量與水分循環(huán)試驗(yàn)/亞洲季風(fēng)試驗(yàn)(GEW EX/GAM E)在東亞副熱帶半濕潤地區(qū)開展的氣象、水文觀測試驗(yàn)(張雁，2000)。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，許多學(xué)者對湍流開展了數(shù)值模擬，極大地提升了湍流的研究。韓永翔等(2016)研究了對流邊界層湍流通量及逆梯度輸送的參數(shù)化，對比分析了三種修正地梯度輸送方案優(yōu)劣。張?zhí)N帥等(2021)對黃河源區(qū)鄂陵湖湖面和湖邊草地對流邊界層湍流結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了大渦模擬，通過改變模式水平分辨率的敏感性試驗(yàn)，分析了不同尺度的湍渦對草地與湖上湍能的貢獻(xiàn)，對流的形式和強(qiáng)度以及物理量空間分布的影響，還分析了不同尺度范圍的波對湍流通量的貢獻(xiàn)。這些觀測和研究成果極大地豐富了大氣邊界層通量輸送和能量平衡研究的發(fā)展。

鄱陽湖是我國第一大淡水湖，位于低緯度地區(qū)，屬于亞熱帶溫暖濕潤季風(fēng)氣候，夏季炎熱潮濕，冬季干燥寒冷，是長江流域一個(gè)過水性、吞吐型、季節(jié)性的重要湖泊。鄱陽湖周邊地形地貌復(fù)雜，東、南、西三面環(huán)山。研究表明，鄱陽湖地區(qū)具有明顯的湖陸風(fēng)現(xiàn)象，湖陸風(fēng)加上地形的狹管效應(yīng)使湖的北側(cè)和西側(cè)風(fēng)速明顯加大，夏季白天湖陸風(fēng)環(huán)流對于移經(jīng)上方的對流系統(tǒng)有明顯減弱作用(曹漸華等，2015；吳楠等，2019)，湖—?dú)鉁夭詈秃憸夭钍呛?yīng)降水形成的關(guān)鍵(劉熙明和胡非，2007；孔萍，2013)。湖—?dú)鉁夭顚?shí)際上反映了大氣低層的穩(wěn)定條件，湖—陸溫差反映了湖—?dú)庵g的熱量和水汽交換情況。因此，研究鄱陽湖地區(qū)地表通量特征對局地天氣預(yù)報(bào)、邊界層特征數(shù)值模擬等具有重要意義。文中擬利用2013年7月1日—2014年6月30日鄱陽湖東岸70 m鐵塔的渦動(dòng)相關(guān)觀測資料，分析動(dòng)量、感熱、潛熱通量的變化特征及其影響因素，以期為鄱陽湖地區(qū)局地氣候和大氣循環(huán)研究提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源及處理

文中使用的數(shù)據(jù)來自鄱陽湖東岸的70 m觀測塔。觀測塔位于鄱陽湖東岸的江西省鄱陽縣白沙洲鄉(xiāng)(29.16°N，116.61°E)，距離鄱陽縣氣象基準(zhǔn)站18.0 km，鐵塔周邊地形平坦，下墊面主要為低矮灌木。實(shí)驗(yàn)所采用的EC150開路渦動(dòng)相關(guān)觀測儀安裝在鐵塔的44.0 m處，超聲風(fēng)速儀(CAST3，Campbell)數(shù)據(jù)采集器為CR3000 Campbell，采集數(shù)據(jù)包括風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度以及儀器輸出的摩擦速度，采樣頻率為10 Hz，觀測時(shí)間為2013年7月1日—2014年6月30日。降水?dāng)?shù)據(jù)來源于鄱陽縣氣象基準(zhǔn)站。

首先對原始數(shù)據(jù)通過去野點(diǎn)、去趨勢、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)等，計(jì)算30 min平均數(shù)據(jù)，結(jié)合鄱陽縣氣象基準(zhǔn)站降水?dāng)?shù)據(jù)，刪除降水日的觀測資料。其次，根據(jù)整體湍流特征(Internal Turulence Characteristics，簡稱ITC)選取ITC<30%(湍流充分發(fā)展)的數(shù)據(jù)(Irwin，1979)。

2 鄱陽湖地區(qū)風(fēng)、溫及通量足跡分布

2.1 風(fēng)速和溫度變化

鄱陽湖地區(qū)受季風(fēng)影響，夏季主要以南風(fēng)、西南偏南風(fēng)和東南偏南風(fēng)為主；冬季主要以西北風(fēng)、西北偏北風(fēng)等偏北風(fēng)為主。圖1給出了2013年7月1日—2014年6月30日觀測塔和鄱陽站日平均風(fēng)速、溫度的變化。分析可知，觀測塔觀測的風(fēng)速明顯大于鄱陽站風(fēng)速，觀測塔全年日平均風(fēng)速在2—12 m/s，年平均風(fēng)速為4.3 m/s，10 m/s以上大風(fēng)主要出現(xiàn)在午后，極大值風(fēng)速為14.3 m/s，出現(xiàn)在15時(shí)。秋季風(fēng)速較強(qiáng)，最大的半小時(shí)平均風(fēng)速可達(dá)11.4 m/s；春季次之，夏季最小。分析溫度變化可知，夏季觀測塔溫度低于鄱陽站，冬季高于鄱陽站；兩站的溫度變化趨勢一致，但觀測塔的溫度變化要稍落后于鄱陽站。

圖1 2013年7月1日—2014年6月30日觀測塔和鄱陽站日平均風(fēng)速(a)、溫度(b)的變化Fig. 1 Variation of daily average wind speed (a) and temperature (b) from July 1，2013 to June 30，2014

2.2 通量足跡分布

圖2給出了不同穩(wěn)定度條件下90%通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍隨風(fēng)向的變化。分析可知，通量足跡分布比較集中、均勻，整體呈準(zhǔn)南北走向。在不穩(wěn)定條件下，通量足跡的變化范圍在21—434 m，平均值為145 m，其中30—200 m范圍為通量貢獻(xiàn)的密集區(qū)。從不同方位上看，通量足跡在南、北方向密集，在西南和東北方向稀疏。在穩(wěn)定條件下，通量足跡的變化范圍在2 600—18 400 m，平均值為4 988 m，其中3 000—5 000 m范圍為通量貢獻(xiàn)的密集區(qū)。從方位上看，通量足跡在北偏東方向密集，偏南方向較為密集，其余方向均稀疏。顯然，穩(wěn)定層結(jié)條件下的通量足跡遠(yuǎn)大于不穩(wěn)定層結(jié)。這是因?yàn)橥吭磪^(qū)本質(zhì)上是一個(gè)特定的范圍，此范圍的湍流通量通過湍流運(yùn)動(dòng)有充足的時(shí)間到達(dá)儀器測量高度。大氣層結(jié)越不穩(wěn)定，湍流混合越充分，湍流信息到達(dá)儀器測量高度的時(shí)間也越短，從而通量源區(qū)越向觀測點(diǎn)“收縮”。

圖2 鄱陽湖地區(qū)不穩(wěn)定(a)、穩(wěn)定(b)條件下90%通量貢獻(xiàn)區(qū)范圍隨風(fēng)向的變化Fig. 2 Variation of 90% flux contribution area with wind direction under unstable (a) and stable (b) conditions over Poyang Lake area

3 湍流通量變化特征及其影響因素

相對于分子的熱交換，大氣湍流的熱交換效率更高。湍流熱交換發(fā)生的運(yùn)動(dòng)尺度可以從毫米到千米量級。大尺度的湍流單元從平均運(yùn)動(dòng)中獲得能量，并通過逐級傳遞把能量輸送給小尺度的湍流單元，最小尺度的湍流單元釋放能量而消失。物理上，通量定義為單位時(shí)間、單位面積物質(zhì)的輸送。大氣湍流中經(jīng)常用到的通量有動(dòng)量通量、感熱通量和潛熱通量，以及物質(zhì)通量(張宏昇，2014)。

在均勻、平穩(wěn)和各項(xiàng)同性的條件下，某一層大氣的湍流場中任一種物理量s，其屬性滿足：

(1)

在該層內(nèi)對高度做積分，則得到湍流通量：

(2)

其中，A為系數(shù)，w′為w方向的風(fēng)速脈動(dòng)值，s′為物理量s的脈動(dòng)值，z為高度?？梢娡牧魍繉?shí)際是大氣參量的協(xié)方差。將水平縱向風(fēng)速u、溫度θ、比濕q等代入式(2)中，則有動(dòng)量通量：

(3)

(4)

潛熱通量：

(5)

其中，Lv為水的汽化潛熱，ρ為空氣密度，Cp為空氣比熱，u′為u方向的風(fēng)速脈動(dòng)值，θ′、q′分別為溫度θ和比濕q的脈動(dòng)值。

3.1 動(dòng)量通量

圖3給出了動(dòng)量通量的日平均和周平均及標(biāo)準(zhǔn)差變化。分析可知，鄱陽湖地區(qū)的動(dòng)量通量在數(shù)值上表現(xiàn)為夏、秋季較大，冬、春季較小。動(dòng)量通量的分布范圍在0—0.2 kg/(m·s2)，占總量的98%，整體變化范圍為0—0.6 kg/(m·s2)。分析動(dòng)量通量的周平均可知，動(dòng)量通量從夏季到冬季呈波動(dòng)下降趨勢，冬季有一個(gè)小幅度的上升，隨后又波動(dòng)下降，到春季趨于平穩(wěn)。分析其標(biāo)準(zhǔn)差可知，夏季(7月)和秋季(9月)的變化幅度較大，冬季(12月)較小。

圖3 鄱陽湖地區(qū)動(dòng)量通量的日平均(a)、周平均和標(biāo)準(zhǔn)差(b)變化Fig. 3 Variation of daily average (a), weekly average and standard deviation (b) of momentum flux over Poyang Lake area

3.2 感熱通量

圖4給出了感熱通量的日平均和周平均及標(biāo)準(zhǔn)差變化。分析可知，鄱陽湖地區(qū)的感熱通量在數(shù)值上表現(xiàn)為秋季最大，春季次之，夏季最小。感熱通量的變化范圍為-100—350 W/m2，密集區(qū)在-20—50 W/m2。9—11月的感熱通量可達(dá)350 W/m2，到7月則降至50 W/m2以下。分析感熱通量的周平均可知，感熱通量從夏季到秋季呈波動(dòng)上升趨勢，秋季到冬季波動(dòng)下降，到春季有一個(gè)小幅上升趨勢。分析標(biāo)準(zhǔn)差可知，秋季整體的變化幅度都較大，夏季整體較?。?月的變化幅度最大，7月最小。

圖4 鄱陽湖地區(qū)感熱通量的日平均(a)、周平均和標(biāo)準(zhǔn)差(b)變化Fig. 4 Variation of daily average (a), weekly average and standard deviation (b) of sensible heat flux over Poyang Lake area

3.3 潛熱通量

圖5給出了潛熱通量的日平均和周平均及標(biāo)準(zhǔn)差變化。分析可知，潛熱通量在數(shù)值上表現(xiàn)為夏季最大，冬季最小。潛熱通量的變化范圍為-100—400 W/m2，集中分布在0—100 W/m2。分析周平均可知，潛熱通量在8月下旬左右達(dá)到最大，然后呈波動(dòng)下降趨勢，到春季又開始波動(dòng)上升。分析標(biāo)準(zhǔn)差可知，夏季整體的變化幅度較大，冬季整體較小。

圖5 鄱陽湖地區(qū)潛熱通量的日平均(a)和周平均及標(biāo)準(zhǔn)差(b)變化Fig. 5 Daily average (a), weekly average and standard deviation (b) of latent heat flux over Poyang Lake area

3.4 湍流通量的影響因素

圖6為動(dòng)量通量、感熱通量和潛熱通量隨風(fēng)向的變化。分析可知，動(dòng)量通量的變化呈明顯的雙峰形變化，且對風(fēng)向具有很強(qiáng)的依賴性。在315°—60°—45°和180°—225°方向上變化幅度較大，變化范圍為0—0.35 kg/(m·s2)，離散程度較大；在45°—180°和225°—315°方向上變化較平緩，離散程度較小且值較小，大部分在0.1 kg/(m·s2)以下。

圖6 鄱陽湖地區(qū)動(dòng)量(a)、感熱(b)和潛熱(c)通量隨風(fēng)向的變化Fig. 6 Momentum (a), sensible heat (b), and latent heat (c) flux change by wind direction over Poyang Lake area

感熱通量的變化范圍在-100—350 W/m2，離散程度較動(dòng)量通量大，但總體變化趨勢較一致。感熱通量在135°—180°方向也較為平緩，但是180°—360°方向離散程度都較大，與動(dòng)量通量的趨勢略不同。

通過以上的分析可知，動(dòng)量通量、感熱通量和潛熱通量對風(fēng)向的依賴性不同。由動(dòng)量通量隨風(fēng)向的變化可知，摩擦速度取決定性作用。分析觀測塔周圍下墊面特征可知，來流風(fēng)向的變化就體現(xiàn)了下墊面物理性質(zhì)在空間上的變化。當(dāng)來流為在315°—360°—45°和180°—225°方向時(shí)，下墊面性質(zhì)為湖面水體以及水體與陸地接壤的低矮灌木，地面粗糙度依次明顯增大，這使得鐵塔周圍近地面風(fēng)切變逐漸增強(qiáng)，因而平均動(dòng)能轉(zhuǎn)化為湍流動(dòng)能增多，從而使得摩擦速度和動(dòng)量通量顯著增大。

圖7給出了潛熱通量與平均水汽密度和不同方向潛熱通量的月變化。分析可知，潛熱通量的變化與水汽密度的變化一致，平均水汽密度在7月中旬達(dá)到最大，潛熱通量最大值稍延后，在8月左右達(dá)到最大。結(jié)合觀測塔周邊環(huán)境，文中定義風(fēng)向?yàn)?70°—360°的通量來自湖面，風(fēng)向?yàn)?°—270°的通量來自陸地?？傮w而言，來自湖面的潛熱通量較大，而來自陸地的較小。這是因?yàn)闈摕嵬颗c水的相變密切相關(guān)，由于水體的熱容量較陸地大，水面蒸發(fā)量大，因而潛熱通量較大。

圖7 鄱陽湖地區(qū)潛熱通量與平均水汽密度(a)和不同方向潛熱通量(b)的月變化Fig. 7 Monthly variation of latent heat flux and mean water vapor density (a) and latent heat flux in different directions (b) over Poyang Lake area

感熱通量是由于溫度變化而引起的大氣與下墊面之間發(fā)生以湍流形式呈現(xiàn)的熱交換，很顯然，它與大氣的熱狀態(tài)、物體的加熱或冷卻過程密切相關(guān)。進(jìn)一步分析感熱通量的計(jì)算式(4)可知，感熱通量主要由大氣穩(wěn)定度和摩擦速度決定。根據(jù)表1給出的穩(wěn)定度分類標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算不同大氣狀態(tài)下，感熱通量隨風(fēng)向的變化(圖8)。分析可知，當(dāng)大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)(E類和F類)時(shí)，感熱通量為負(fù)值，數(shù)據(jù)的離散程度很小，值為-25—0 W/m2。當(dāng)大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)(A類、B類和C類)時(shí)，感熱通量顯著增加，數(shù)據(jù)變化范圍很大，為-50—350 W/m2。大氣為中性層結(jié)時(shí)，感熱通量的大幅變化主要發(fā)生在0—225°方向(來流為陸地)；而小幅變化主要發(fā)生在225°—360°方向(來流為湖面)，這是因?yàn)殛懙氐臒崃蛣?dòng)力作用均很強(qiáng)烈，從而使感熱通量明顯偏大，而湖面的增溫較慢，因此感熱通量較小。從觀測的數(shù)據(jù)還可以看出，鄱陽湖地區(qū)大氣層結(jié)以不穩(wěn)定為主，中性層結(jié)次之，穩(wěn)定層結(jié)較少。

圖8 鄱陽湖地區(qū)不同穩(wěn)定度條件下感熱通量Hs隨風(fēng)向的變化(a,大氣極不穩(wěn)定；b，大氣不穩(wěn)定；c，大氣弱不穩(wěn)定；d，大氣為中性層結(jié)；e，大氣弱穩(wěn)定；f，大氣穩(wěn)定)Fig. 8 Variation of sensible heat flux with wind direction under different stability conditions over Poyang Lake area (a, extremely unstable; b, unstable; c, the weakly unstable; d, neutral stratification; e, weakly stable; f, stable)

表1 Irwin(1979)提出的L穩(wěn)定度分類標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié) 論

文中利用2013年7月1日—2014年6月30日鄱陽湖東岸70 m鐵塔的渦動(dòng)相關(guān)觀測資料，統(tǒng)計(jì)分析了鄱陽湖地區(qū)風(fēng)、溫度、通量足跡的分布，重點(diǎn)分析了湍流通量的變化及其影響因素，得到以下主要結(jié)論：

1) 鄱陽湖地區(qū)夏季主要以南風(fēng)、西南偏南風(fēng)和東南偏南風(fēng)為主，風(fēng)速大部分在3—6 m/s，冬季風(fēng)向較多，主要以西北風(fēng)、西北偏北風(fēng)等偏北風(fēng)為主，風(fēng)速大多為2—8 m/s。鄱陽站風(fēng)速明顯比觀測塔的要小，溫度變化趨勢與觀測塔的一致，但觀測塔的溫度變化要稍落后于鄱陽站。

2) 動(dòng)量通量呈波動(dòng)下降趨勢，夏季(7月)和秋季(9月)的變化幅度較大，冬季(12月)較小。感熱通量表現(xiàn)為秋季最大，春季次之，夏季最小。潛熱通量夏季整體的變化幅度較大，冬季整體較小。

3) 動(dòng)量通量對風(fēng)向的依賴性很大，隨著地面粗糙度的增大，鐵塔周圍近地面風(fēng)切變逐漸增強(qiáng)，摩擦速度和動(dòng)量通量也顯著增大。潛熱通量與水的相變密切相關(guān)，水體的熱容量較陸地大，水面蒸發(fā)量大，因而潛熱通量較大。當(dāng)大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，感熱通量為負(fù)，當(dāng)大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，感熱通量顯著增大。