黃土高原塬區近地面大氣重力波與湍流特征及相互作用研究一、引言1.1研究背景與意義大氣運動作為地球氣候系統的核心組成部分，涵蓋了平均場、波動和湍流等基本要素，這些要素之間復雜的相互作用深刻影響著地球的氣候與環境。其中，大氣重力波和湍流是大氣運動中極為重要的現象，它們在大氣能量傳輸、動量交換以及物質混合等過程中扮演著關鍵角色，對氣象學、大氣動力學等多個領域的研究具有不可忽視的重要性。大氣重力波是地球大氣中因地形、氣壓、風速等多種因素致使空氣運動而引發的波動現象。這種波動能夠對大氣的溫度、濕度、密度等物理量產生影響，進而左右氣象和空氣運動的穩定性。在大氣的中高層區域（即中間層和熱層，MLT區域），大氣重力波常常引發特殊效應，例如擾動風場結構、改變平流層電子濃度以及影響天色等。研究大氣重力波的傳播和特性，對于理解大氣中能量和動量的傳輸機制，以及中高層大氣的動力學過程具有重要意義。在大氣數值模式中，準確描述大氣重力波的作用，能夠顯著提高模式對大氣環流和天氣系統的模擬和預測能力。在研究大氣潮汐現象時，發現大氣重力波與潮汐的相互作用會導致風場的顯著變化，這種變化對高層大氣的動力學過程有著深遠影響。湍流則是一種高度復雜的不規則流動，其特點是流體的速度、壓力等物理量在空間和時間上呈現出隨機的脈動。在大氣邊界層中，湍流是熱量、水汽和動量交換的主要機制，對地面與大氣之間的物質和能量交換起著決定性作用。在城市環境中，建筑物等障礙物會加劇大氣湍流，使得城市熱島效應更加明顯，同時也影響著污染物的擴散和稀釋。在大氣邊界層中，湍流的存在使得熱量和水汽能夠快速向上輸送，從而影響著大氣的溫度和濕度分布，進而對天氣和氣候產生影響。黃土高原塬區作為一個獨特的地理區域，具有特殊的地形地貌和下墊面條件。其地勢起伏較大，溝壑縱橫，下墊面粗糙度變化復雜，這些因素使得該區域的大氣運動具有獨特的特征。研究黃土高原塬區近地面大氣重力波與湍流特征，不僅有助于深入理解該區域特殊地形地貌和下墊面條件對大氣運動的影響，還能為區域氣候研究、天氣預報以及生態環境保護提供重要的科學依據。從氣象學角度來看，準確掌握黃土高原塬區的大氣重力波和湍流特征，能夠改進區域天氣預報的準確性。大氣重力波和湍流對大氣中的熱量、水汽和動量傳輸有著重要影響，它們的變化會直接影響到天氣系統的發展和演變。在暴雨等極端天氣事件中，大氣重力波和湍流的異?；顒涌赡軙е滤膹娏掖怪陛斔停瑥亩鰪娊邓畯姸?。通過研究該區域的大氣重力波和湍流特征，可以更好地理解這些極端天氣事件的發生機制，提高對暴雨等災害性天氣的預警能力，為防災減災工作提供有力支持。在大氣動力學領域，黃土高原塬區的特殊地形地貌和下墊面條件為研究大氣重力波和湍流的產生、發展和相互作用提供了天然的實驗室。該區域的復雜地形會導致氣流的強烈擾動，從而激發大氣重力波和湍流的產生。研究這些過程，有助于揭示大氣運動的基本規律，豐富和完善大氣動力學理論。例如，通過對黃土高原塬區大氣重力波和湍流的研究，發現了地形誘導的重力波在傳播過程中的一些特殊現象，這些發現為大氣動力學理論的發展提供了新的依據。從氣候變化研究的角度來看，大氣重力波和湍流在全球氣候系統中起著重要的調節作用。它們參與了大氣能量和動量的全球傳輸，對全球氣候的形成和變化有著深遠影響。在黃土高原塬區開展大氣重力波和湍流特征的研究，能夠為全球氣候變化研究提供區域尺度的觀測和理論支持，有助于更好地理解全球氣候變化的機制和過程。研究發現，該區域的大氣重力波和湍流活動與全球氣候變化存在一定的關聯，通過對這些關聯的深入研究，可以為全球氣候變化的預測和應對提供科學依據。此外，黃土高原塬區的生態環境較為脆弱，大氣運動對該區域的生態系統有著重要影響。了解大氣重力波和湍流特征，有助于評估大氣環境對生態系統的影響，為生態環境保護和恢復提供科學指導。在該區域的植被恢復工作中，需要考慮大氣運動對水汽輸送和熱量交換的影響，通過研究大氣重力波和湍流特征，可以更好地規劃植被恢復方案，提高生態系統的穩定性和可持續性。1.2國內外研究現狀在大氣科學領域，大氣重力波和湍流的研究一直是重要的課題。國外在這方面的研究起步較早，取得了豐碩的成果。20世紀中葉，隨著觀測技術的不斷發展，研究人員開始利用火箭、衛星等手段對大氣重力波和湍流進行觀測研究。美國國家航空航天局（NASA）通過衛星觀測，獲取了大量關于大氣重力波在全球范圍內的分布和傳播特征的數據，為后續的理論研究和數值模擬提供了重要依據。這些觀測數據顯示，大氣重力波在不同緯度和高度的分布存在顯著差異，其傳播方向和速度也受到多種因素的影響。在理論研究方面，國外學者提出了一系列關于大氣重力波和湍流的理論模型。Einaudi等學者在1993年將運動分為平均流、波動和湍流，為研究重力波和湍流的相互作用奠定了基礎。此后，許多學者圍繞這一理論框架，深入研究了重力波與湍流相互作用的機制。他們通過理論分析和數值模擬，揭示了重力波在傳播過程中如何與湍流相互作用，以及這種相互作用對大氣能量傳輸和動量交換的影響。研究發現，重力波和湍流的相互作用會導致大氣中的能量重新分配，從而影響大氣環流和天氣系統的演變。數值模擬技術在大氣重力波和湍流研究中也發揮了重要作用。國外研究團隊利用先進的數值模式，如WeatherResearchandForecasting（WRF）模式，對大氣重力波和湍流的傳播和相互作用過程進行了模擬研究。通過這些模擬，能夠更直觀地了解大氣重力波和湍流的產生、發展和演變過程，為理論研究提供了有力的支持。在模擬地形對大氣重力波的影響時，發現復雜地形會導致重力波的反射、折射和破碎，從而改變重力波的傳播特性和能量分布。國內在大氣重力波和湍流研究方面也取得了顯著進展。隨著我國對大氣科學研究的重視和投入不斷增加，越來越多的科研團隊開展了相關研究工作。在觀測方面，我國建立了一系列地面觀測站和高空觀測平臺，如平涼陸面過程與災害天氣觀測研究站、定西干旱氣象與生態環境試驗站等，為獲取大氣重力波和湍流的觀測數據提供了保障。利用這些觀測站的數據，研究人員對我國不同地區的大氣重力波和湍流特征進行了研究。在黃土高原塬區的研究中，張署林等人利用平涼陸面過程與災害天氣觀測研究站2012年5-7月夜間近地面層觀測資料，針對黃土高原塬區夜間不同風速和下墊面粗糙度條件，辨識塬區重力波，揭示了重力波的頻段，并對比研究了風速和粗糙度變化對該頻段的影響。研究結果表明，平涼站塬區的夜間近地面層易于產生重力波，且即使整體Richardson遠小于0.25時，也可以觀測到重力波。受塬區下墊面特征影響，重力波的波動周期主要集中于60-110s，同時隨著觀測高度的降低，重力波波動周期只存在10s左右的變化。這一研究為深入了解黃土高原塬區大氣重力波的特征提供了重要的觀測依據。在湍流研究方面，趙建華等人利用黃土高原定西干旱氣象與生態環境試驗站的相關數據，通過將湍流分解為相干結構部分和非相干結構部分，在渦動相關法中引入相干結構的貢獻，探討了相干結構在地表能量平衡中的作用。研究發現，相干結構出現頻次高，間歇性顯著，對通量影響顯著，引入相干結構貢獻后，白天垂直動量通量、感熱、潛熱和湍流通量等4個通量計算的準確性均獲得顯著提高，地表能量接近閉合。這一研究成果對于理解黃土高原塬區的地表能量平衡和湍流過程具有重要意義。盡管國內外在大氣重力波和湍流研究方面取得了眾多成果，但在黃土高原塬區的研究仍存在一些不足與空白。目前對于黃土高原塬區大氣重力波和湍流的相互作用機制研究還不夠深入，缺乏系統性的理論和實驗研究。在不同季節和天氣條件下，該區域大氣重力波和湍流特征的變化規律尚未得到充分揭示。對于大氣重力波和湍流對區域氣候和生態環境的影響研究也相對較少，需要進一步加強相關方面的研究工作，以填補這些研究空白，為深入理解黃土高原塬區的大氣運動和生態環境變化提供更全面的科學依據。1.3研究內容與方法1.3.1研究內容本研究旨在深入剖析黃土高原塬區近地面大氣重力波與湍流特征，具體內容如下：大氣重力波特征分析：利用平涼陸面過程與災害天氣觀測研究站等長期積累的近地面層觀測資料，結合衛星遙感數據，全面分析黃土高原塬區大氣重力波的時空分布特征。研究不同季節、不同天氣條件下重力波的發生頻率、傳播方向、波長、周期等參數的變化規律。例如，重點探究在夏季暴雨頻發期和冬季干燥寒冷期，重力波特征的差異，分析這些差異與當地氣象條件和地形地貌的關聯。大氣湍流特征分析：借助在定西干旱氣象與生態環境試驗站等地的實測數據，運用先進的湍流分析方法，如渦動相關法、功率譜分析等，深入研究黃土高原塬區大氣湍流的統計特征，包括湍流強度、湍流動能、湍流耗散率等。同時，分析湍流在不同高度層的垂直分布特征，以及其隨時間的變化規律。例如，研究在午后熱力對流旺盛時段和夜間穩定層結條件下，湍流強度和耗散率的變化情況，探討其對地表能量交換和大氣邊界層發展的影響。大氣重力波與湍流相互作用研究：基于實際觀測數據，運用數值模擬和理論分析相結合的方法，深入研究黃土高原塬區大氣重力波與湍流的相互作用機制。探討重力波如何通過能量傳輸和動量交換影響湍流的發展和演變，以及湍流又如何對重力波的傳播和衰減產生作用。例如，通過數值模擬，研究在地形起伏較大的區域，重力波破碎后產生的湍流對當地風場和溫度場的影響；通過理論分析，建立重力波與湍流相互作用的數學模型，揭示兩者之間的內在聯系。地形地貌和下墊面條件對大氣重力波與湍流的影響研究：考慮黃土高原塬區復雜的地形地貌（如溝壑縱橫、塬面起伏等）和多樣化的下墊面條件（如植被覆蓋、土壤類型等），利用地理信息系統（GIS）技術和數值模擬方法，定量分析地形地貌和下墊面條件對大氣重力波與湍流的激發、傳播和演變的影響。例如，研究不同坡度和坡向的地形對重力波的反射和折射作用，以及不同植被覆蓋度的下墊面如何影響湍流的產生和發展，為區域大氣運動的精細化研究提供理論支持。1.3.2研究方法本研究將綜合運用多種研究方法，確保研究的全面性和深入性：實際觀測：充分利用平涼陸面過程與災害天氣觀測研究站、定西干旱氣象與生態環境試驗站等已有的地面觀測站點，獲取高時間分辨率的近地面氣象要素數據，包括風速、風向、溫度、濕度等。同時，部署高頻次的湍流觀測設備，如超聲風速儀、溫度脈動儀等，直接測量大氣湍流的各項參數。利用衛星遙感數據，獲取區域尺度的大氣重力波和湍流信息，彌補地面觀測在空間覆蓋上的不足。通過多源觀測數據的融合，為后續的分析提供堅實的數據基礎。數值模擬：運用先進的數值模式，如WeatherResearchandForecasting（WRF）模式，對黃土高原塬區的大氣運動進行數值模擬。在模擬過程中，精細刻畫地形地貌和下墊面條件，準確設置邊界條件和初始條件，確保模擬結果的可靠性。通過數值模擬，可以再現大氣重力波和湍流的產生、發展和演變過程，深入分析其物理機制。同時，利用數值模擬的靈活性，進行不同情景下的敏感性試驗，研究各種因素對大氣重力波和湍流的影響，為理論研究提供有力的支持。理論分析：基于大氣動力學、流體力學等相關理論，建立大氣重力波與湍流的理論模型，對觀測和模擬結果進行深入的理論分析。推導重力波和湍流的相關方程，求解方程得到重力波和湍流的特征參數，如波長、頻率、湍流強度等。通過理論分析，揭示大氣重力波與湍流的相互作用機制，以及地形地貌和下墊面條件對它們的影響規律。例如，運用線性波理論分析重力波在不同介質中的傳播特性，利用湍流理論研究湍流的產生和發展機制，為實際觀測和數值模擬提供理論指導。二、黃土高原塬區地理環境與觀測站點概況2.1黃土高原塬區地理環境特征黃土高原塬區地處中國中部偏北部，是中國四大高原之一黃土高原的重要組成部分。其地理位置介于北緯34°-40°，東經102°-114°之間，橫跨青、甘、寧、內蒙古、陜、晉、豫7省區的大部或一部，面積約30萬平方千米。該區域處于沿海向內陸、平原向高原的過渡地帶，自南而北兼跨暖溫帶、中溫帶兩個熱量帶，自東向西橫貫半濕潤、半干旱兩個干濕區，特殊的地理位置使其地理環境呈現出獨特的特征。2.1.1地形地貌黃土高原塬區地勢西北高、東南低，海拔多在1000-2000米之間，整體自西北向東南呈波狀下降。其地形地貌復雜多樣，主要由黃土塬、黃土梁、黃土峁以及溝壑等組成。其中，黃土塬是黃土高原塬區較為獨特的地貌形態，它是在第四紀以前古地形（如山前盆地、山前地帶）的基礎上，被黃土覆蓋而形成的面積較大的臺地。塬面平坦寬闊，坡度多在1°-3°之間，邊緣可達5°左右，周圍為溝谷深切，代表著黃土的最高堆積面，是黃土高原良好的耕作地區。例如，隴東董志塬是黃土高原上面積較大且較為典型的黃土塬，其塬面完整，地勢平坦，在過去曾擁有廣闊的耕地資源，為當地農業生產提供了重要的基礎。然而，由于長期受到流水侵蝕等作用的影響，董志塬的塬面面積逐漸縮小，周邊溝谷不斷發育，對當地的農業生產和生態環境產生了一定的影響。黃土梁在平面上呈長條形，頂部寬度不大，多數僅長幾十米到數百米至數千米，面積約2平方千米。梁的橫剖面略呈穹狀，坡度多在1°-5°之間，梁頂以下有明顯的坡折。黃土峁則是孤立的黃土丘，平面上呈橢圓或圓形，峁坡多成凸形坡，坡度可達20°左右，面積約0.25平方千米。在黃土高原塬區，黃土梁和黃土峁往往交替出現，形成了黃土梁峁區，亦稱黃土丘陵溝壑區。陜北吳起縣白豹鄉境內的黃土梁峁地貌發育典型，地形起伏較大，水土流失較為嚴重。這些復雜的地形地貌使得該區域的下墊面粗糙度變化復雜，對近地面大氣運動產生了顯著的影響。在溝壑縱橫的區域，氣流在運動過程中會受到地形的阻擋和摩擦，導致風速、風向發生變化，進而影響大氣的湍流運動和熱量、水汽的傳輸。2.1.2氣候條件黃土高原塬區基本上屬于溫帶季風氣候，夏季多暴雨，可能會有少部分地區屬于溫帶大陸性氣候。該區域年平均降水量在400-800毫米之間，降水主要集中在夏季，且降水變率較大。由于地處內陸，受大陸性氣候影響，冬季寒冷干燥，夏季溫暖濕潤。從西北向東南，年均溫變化在8-14℃之間，全區日均溫10℃以上活動積溫為2000-3000℃，無霜期120-200天，氣溫日較差平均在10-16℃。這種氣候條件對近地面大氣運動有著重要影響。夏季多暴雨的特點使得大氣中的水汽含量在短時間內迅速增加，容易引發強烈的對流運動，從而激發大氣重力波和湍流的產生。在暴雨過程中，強烈的垂直上升氣流會導致大氣的不穩定，使得重力波在傳播過程中發生變化，同時也會增強湍流的強度。冬季寒冷干燥的氣候條件則使得大氣層結相對穩定，抑制了大氣的對流運動，但在特定的天氣條件下，如冷空氣入侵時，也會引發大氣的劇烈運動，產生重力波和湍流。冬季冷空氣的快速移動會導致氣壓梯度的變化，從而激發重力波的傳播，同時冷空氣與當地暖空氣的交匯也會引發湍流的產生。此外，氣溫日較差較大也會對大氣運動產生影響，白天地面受熱不均，容易形成局部的熱力環流，進而影響大氣的湍流運動。2.2觀測站點及觀測儀器介紹為深入研究黃土高原塬區近地面大氣重力波與湍流特征，本研究選取了平涼陸面過程與災害天氣觀測研究站和定西干旱氣象與生態環境試驗站作為主要觀測站點。這兩個站點位于黃土高原塬區，具有代表性的地形地貌和下墊面條件，能夠為研究提供豐富的數據支持。平涼陸面過程與災害天氣觀測研究站位于甘肅省平涼市，地理位置為北緯35°33′，東經106°40′，海拔高度1347米。該站點地處黃土高原塬區，塬面較為平坦，周邊溝壑縱橫，下墊面以農田和草地為主。站區占地面積約5000平方米，設有多個觀測場，包括近地面氣象要素觀測場、湍流觀測場等。觀測場周圍地勢開闊，無明顯障礙物，能夠保證觀測數據的準確性和代表性。定西干旱氣象與生態環境試驗站位于甘肅省定西市，地理位置為北緯35°35′，東經104°37′，海拔高度1898米。該站點處于黃土高原西部，地形起伏較大，以黃土梁峁地貌為主，下墊面主要為耕地和荒草地。試驗站占地面積約8000平方米，擁有完善的觀測設施，包括氣象觀測塔、土壤觀測場等。觀測塔周邊地形相對復雜，能夠反映出不同地形條件下的大氣運動特征。本研究使用了多種先進的觀測儀器，以獲取全面、準確的觀測數據。在平涼陸面過程與災害天氣觀測研究站，主要使用的觀測儀器包括：三維超聲風速儀：型號為CSAT3，由CampbellScientific公司生產。該儀器能夠高精度地測量三維風速和虛溫，采樣頻率為10Hz，測量精度為±0.1m/s（風速）和±0.01K（虛溫）。通過測量三維風速，可以獲取大氣的水平和垂直運動信息，為研究大氣重力波和湍流的運動特征提供數據支持。在研究重力波的傳播方向時，三維超聲風速儀能夠準確測量風速的水平和垂直分量，從而確定重力波的傳播方向。開路式渦動相關系統：型號為LI-7500，由LI-CORBiosciences公司生產。該系統用于測量二氧化碳、水汽和感熱通量，采樣頻率為10Hz，測量精度為±0.1μmol/mol（二氧化碳）、±0.01g/m3（水汽）和±0.1W/m2（感熱通量）。渦動相關系統能夠直接測量大氣中的物質和能量通量，對于研究大氣重力波和湍流對物質和能量傳輸的影響具有重要意義。在研究湍流對水汽傳輸的影響時，開路式渦動相關系統可以準確測量水汽通量，從而分析湍流對水汽傳輸的作用機制。溫濕度傳感器：型號為HMP45C，由Vaisala公司生產。該傳感器用于測量空氣溫度和相對濕度，測量精度為±0.2℃（溫度）和±2%RH（相對濕度），采樣頻率為1Hz。溫濕度傳感器能夠實時監測大氣的溫濕度變化，為研究大氣重力波和湍流與溫濕度的關系提供數據。在研究重力波對大氣溫度的影響時，溫濕度傳感器可以測量不同高度的溫度變化，從而分析重力波對溫度場的影響。在定西干旱氣象與生態環境試驗站，主要使用的觀測儀器包括：超聲風速溫度儀：型號為WindMasterPro，由GillInstruments公司生產。該儀器可測量三維風速和溫度，采樣頻率為20Hz，測量精度為±0.01m/s（風速）和±0.002K（溫度）。與其他超聲風速儀相比，該儀器具有更高的采樣頻率和精度，能夠更準確地捕捉大氣運動的細微變化，為研究大氣重力波和湍流的精細結構提供數據。在研究湍流的高頻脈動特征時，超聲風速溫度儀的高采樣頻率能夠準確測量湍流的高頻脈動信號，從而分析湍流的精細結構。閉路式渦動相關系統：型號為LI-7200，由LI-CORBiosciences公司生產。該系統用于測量二氧化碳和水汽通量，采樣頻率為20Hz，測量精度為±0.05μmol/mol（二氧化碳）和±0.005g/m3（水汽）。閉路式渦動相關系統在測量通量時具有更高的精度和穩定性，能夠為研究大氣重力波和湍流對物質傳輸的影響提供更可靠的數據。在研究重力波對二氧化碳傳輸的影響時，閉路式渦動相關系統可以準確測量二氧化碳通量，從而分析重力波對二氧化碳傳輸的作用機制。土壤溫濕度傳感器：型號為5TM，由DecagonDevices公司生產。該傳感器用于測量土壤溫度和體積含水量，測量精度為±0.2℃（溫度）和±3%（體積含水量），采樣頻率為10分鐘一次。土壤溫濕度傳感器能夠監測土壤的溫濕度變化，為研究下墊面與大氣之間的能量和水分交換提供數據。在研究下墊面條件對大氣湍流的影響時，土壤溫濕度傳感器可以測量不同土壤條件下的溫濕度變化，從而分析下墊面條件對大氣湍流的影響。此外，兩個觀測站點還配備了數據采集器、數據傳輸設備和數據存儲設備，以確保觀測數據的實時采集、傳輸和存儲。數據采集器型號為CR3000，由CampbellScientific公司生產，能夠對各種觀測儀器的數據進行采集和處理。數據傳輸設備采用無線傳輸方式，將采集到的數據實時傳輸到數據中心。數據存儲設備采用大容量硬盤，對觀測數據進行長期存儲，以便后續分析和研究。2.3觀測數據處理與質量控制為確保研究結果的準確性和可靠性，對觀測數據進行了嚴格的處理與質量控制。在數據處理過程中，綜合運用了多種方法，以獲取高質量的觀測數據。數據清洗是數據處理的首要步驟。由于觀測環境的復雜性以及儀器設備的固有誤差，原始觀測數據中可能存在異常值和錯誤值。利用四分位距（IQR）方法對風速、溫度、濕度等氣象要素數據進行異常值檢測。對于風速數據，若某一數據點超出了[Q1-1.5*IQR,Q3+1.5*IQR]范圍（其中Q1為第一四分位數，Q3為第三四分位數），則將其判定為異常值。對于異常值，根據其產生的原因進行相應處理。若是由于儀器故障導致的異常值，采用線性插值法，利用該異常值前后相鄰的有效數據進行線性擬合，從而估算出該點的合理數據值；若是由于環境因素的短暫干擾導致的異常值，則直接剔除該異常值，并利用周圍多個有效數據的平均值進行填補。在處理某一天的風速數據時，發現有一個數據點明顯偏離其他數據，通過IQR方法判定為異常值。經檢查，該異常值是由于儀器瞬間受到電磁干擾所致，因此采用線性插值法進行了處理。校準是確保觀測數據準確性的關鍵環節。定期對觀測儀器進行校準，以消除儀器誤差。對于三維超聲風速儀，采用標準風洞對其進行校準。在標準風洞中，設置不同的風速和風向條件，將超聲風速儀的測量結果與標準風洞的實際風速和風向進行對比。根據對比結果，建立校準方程，對超聲風速儀的測量數據進行修正，確保其測量精度滿足研究要求。對于溫濕度傳感器，使用高精度的恒溫恒濕箱進行校準。在恒溫恒濕箱中，設置多個不同的溫度和濕度標準點，將溫濕度傳感器的測量值與標準點進行比較，通過校準曲線對測量數據進行校正，提高溫濕度測量的準確性。由于觀測儀器的故障、數據傳輸過程中的丟失等原因，觀測數據中可能存在缺失值。對于缺失值，采用了合適的插值方法進行填補。在處理風速數據的缺失值時，根據數據的時間序列特征和相關性，采用了三次樣條插值法。該方法能夠充分考慮數據的變化趨勢，通過對相鄰數據點的擬合，準確地估算出缺失值。對于溫濕度數據的缺失值，采用了反距離權重插值法。該方法根據周圍已知數據點的距離和權重，對缺失值進行估算，能夠較好地反映溫濕度在空間上的變化規律。在某段時間內，由于數據傳輸故障，溫濕度傳感器的部分數據缺失。通過反距離權重插值法，利用周圍有效數據點對缺失值進行了填補，使得數據序列完整，為后續的分析提供了可靠的數據基礎。為確保數據質量，采取了一系列嚴格的控制措施。在數據采集環節，定期對觀測儀器進行維護和檢查，確保儀器的正常運行。每周對三維超聲風速儀、溫濕度傳感器等儀器進行清潔和檢查，及時發現并處理儀器的潛在問題。同時，對觀測環境進行監測，避免環境因素對觀測數據產生干擾。在觀測場周圍設置障礙物監測裝置，若發現有新的障礙物可能影響觀測數據，及時采取措施進行處理。在數據傳輸過程中，采用冗余傳輸技術，確保數據的完整性和準確性。將觀測數據同時通過有線和無線兩種方式進行傳輸，若其中一種傳輸方式出現故障，另一種傳輸方式能夠保證數據的正常傳輸。建立數據傳輸質量監測系統，實時監測數據的傳輸狀態，對傳輸過程中出現的錯誤和丟失數據進行及時處理。在數據存儲環節，采用可靠的數據存儲設備和備份策略，防止數據丟失。使用大容量的磁盤陣列對觀測數據進行存儲，并定期將數據備份到異地的存儲設備中，以確保數據的安全性和可靠性。三、黃土高原塬區近地面大氣重力波特征分析3.1重力波的辨識方法在研究黃土高原塬區近地面大氣重力波特征時，準確辨識重力波是首要任務。本研究綜合運用多種先進的方法，從復雜的觀測數據中有效提取重力波信號，為后續深入分析奠定堅實基礎。頻譜分析是一種常用且有效的重力波辨識方法。其原理基于傅里葉變換，將時間序列數據從時域轉換到頻域，從而清晰地展現出不同頻率成分的能量分布情況。對于大氣重力波而言，其在頻譜上具有特定的頻率范圍。在實際應用中，對風速、溫度等氣象要素的時間序列數據進行頻譜分析。通過對平涼陸面過程與災害天氣觀測研究站獲取的風速數據進行處理，將采樣頻率為10Hz的風速時間序列數據進行傅里葉變換，得到其頻譜。在頻譜圖中，若在特定頻率區間（如0.01-0.1Hz）出現明顯的能量峰值，且該頻率區間符合大氣重力波的理論頻率范圍，即可初步判斷該數據中存在重力波信號。頻譜分析能夠直觀地展示出重力波的頻率特征，幫助研究人員快速識別重力波的存在，并對其頻率進行初步估計。但該方法也存在一定局限性，它假設信號是平穩的，而實際大氣運動往往具有非平穩性，這可能導致頻譜分析結果出現偏差。小波分析作為一種時頻分析方法，近年來在大氣重力波研究中得到了廣泛應用。與傳統的頻譜分析不同，小波分析能夠同時在時域和頻域上對信號進行分析，具有良好的局部化特性，能夠有效處理非平穩信號。在對黃土高原塬區的觀測數據進行分析時，小波分析展現出獨特的優勢。在分析定西干旱氣象與生態環境試驗站獲取的溫度數據時，選用合適的小波基函數（如Morlet小波）對溫度時間序列進行小波變換。通過小波變換，可以得到不同時間尺度下的小波系數，這些系數反映了信號在不同頻率和時間上的能量分布情況。在小波系數圖中，能夠清晰地看到重力波信號在時間和頻率上的變化特征，如重力波的出現時間、持續時間以及頻率隨時間的變化等。這對于研究重力波的傳播和演變過程具有重要意義。小波分析能夠準確捕捉重力波信號的時變特征，為深入研究重力波的動態過程提供了有力工具。但小波分析的結果依賴于小波基函數的選擇，不同的小波基函數可能會導致不同的分析結果，因此需要根據實際情況合理選擇小波基函數。除了頻譜分析和小波分析，本研究還采用了相位法來辨識重力波。相位法基于重力波在不同高度或不同位置的傳播特性，通過分析不同觀測點之間的相位關系來識別重力波。在黃土高原塬區的多站點觀測中，利用多個觀測站點的風速數據，計算不同站點之間風速信號的相位差。如果在一定時間尺度內，不同站點之間的相位差呈現出規律性的變化，且這種變化符合重力波的傳播特性，即相位差隨著距離的增加而逐漸增大，且與重力波的傳播速度和波長相關，則可以判斷存在重力波傳播。相位法能夠利用多站點觀測數據，更準確地確定重力波的傳播方向和速度，為研究重力波的傳播路徑提供重要依據。但該方法對觀測站點的布局和數據質量要求較高，需要確保各站點之間的觀測數據具有良好的同步性和準確性。3.2重力波的基本特征參數通過對黃土高原塬區近地面大氣重力波的深入辨識，獲取了大量關于重力波的觀測數據。在此基礎上，進一步分析重力波的周期、波長、振幅、傳播速度和方向等基本特征參數，探討其在不同條件下的變化規律，以揭示該區域大氣重力波的本質特征。重力波的周期是指重力波完成一次完整波動所需的時間。通過對平涼陸面過程與災害天氣觀測研究站2012年5-7月夜間近地面層觀測資料的分析，發現受塬區下墊面特征影響，重力波的波動周期主要集中于60-110s。在該時間段內，多次觀測到重力波的周期在這個范圍內波動。這與黃土高原塬區的地形地貌和下墊面粗糙度密切相關。塬面相對平坦，周圍溝壑縱橫，這種地形條件使得氣流在運動過程中容易受到阻擋和擾動，從而激發特定周期的重力波。同時，隨著觀測高度的降低，重力波波動周期只存在10s左右的變化，這表明重力波的周期在近地面層相對穩定，受高度變化的影響較小。在不同季節，重力波的周期也會發生一定的變化。在夏季，由于大氣對流活動較為旺盛，重力波的周期可能會相對縮短；而在冬季，大氣相對穩定，重力波的周期可能會略有延長。這是因為夏季的對流活動會增強大氣的擾動，使得重力波的傳播和演變過程更加復雜，從而導致周期縮短；而冬季的穩定大氣環境則有利于重力波保持相對穩定的傳播狀態，使得周期延長。波長是重力波的另一個重要特征參數，它與重力波的周期和傳播速度密切相關。根據重力波的理論公式，波長等于傳播速度乘以周期。在黃土高原塬區，由于重力波的周期主要集中在60-110s，傳播速度一般在1-10m/s之間，因此可以估算出重力波的波長范圍。在風速為5m/s，周期為80s的情況下，重力波的波長約為400m。不同地形條件下，重力波的波長也會有所差異。在溝壑縱橫的區域，由于地形的阻擋和反射作用，重力波的波長可能會發生變化。當重力波遇到溝壑時，部分能量會被反射，導致波長縮短；而在塬面開闊的區域，重力波的傳播相對較為順暢，波長可能會相對穩定。振幅是重力波的強度指標，它反映了重力波在傳播過程中引起的物理量變化的幅度。在黃土高原塬區，通過對風速、溫度等氣象要素的觀測數據進行分析，發現重力波的振幅在不同時間和空間上存在較大差異。在某些時段，重力波的振幅可能較小，對氣象要素的影響不明顯；而在另一些時段，重力波的振幅可能較大，導致風速、溫度等氣象要素出現明顯的波動。在一次強對流天氣過程中，觀測到重力波的振幅較大，使得風速在短時間內發生了較大的變化，對當地的氣象條件產生了顯著影響。重力波的振幅還與大氣的穩定性密切相關。在不穩定的大氣條件下，重力波的振幅可能會增大；而在穩定的大氣條件下，重力波的振幅可能會減小。這是因為不穩定的大氣環境容易激發更強的擾動，使得重力波獲得更多的能量，從而振幅增大；而穩定的大氣環境則會抑制擾動的發展，使得重力波的能量逐漸衰減，振幅減小。重力波的傳播速度和方向也是其重要的特征參數。通過多站點觀測數據和相位法分析，能夠較為準確地確定重力波的傳播速度和方向。在黃土高原塬區，重力波的傳播速度一般在1-10m/s之間，傳播方向受到地形和風向的影響較大。在地形起伏較大的區域，重力波的傳播方向可能會發生改變，出現反射、折射等現象。當重力波遇到山脈時，會發生反射和折射，導致傳播方向發生變化。在風向與重力波傳播方向一致時，重力波的傳播速度可能會加快；而當風向與重力波傳播方向相反時，重力波的傳播速度可能會減慢。在不同季節和天氣條件下，重力波的傳播速度和方向也會發生變化。在夏季的暴雨天氣中，由于大氣的強烈對流和垂直運動，重力波的傳播速度和方向可能會變得更加復雜；而在冬季的晴朗天氣中，重力波的傳播速度和方向相對較為穩定。3.3影響重力波特征的因素3.3.1風速的影響風速作為大氣運動的關鍵參數，對黃土高原塬區近地面大氣重力波特征有著顯著影響。風速的大小和變化直接關系到重力波的產生、傳播和能量分配。當風速較小時，大氣的動能相對較低，氣流較為平穩，不利于重力波的激發。在這種情況下，即使存在地形等因素的擾動，由于空氣的慣性較小，難以形成明顯的波動。在靜風或微風天氣條件下，觀測到的重力波活動相對較少，且重力波的振幅通常也較小。這是因為較小的風速無法提供足夠的能量來維持重力波的傳播和發展，使得重力波在傳播過程中容易受到阻尼作用而迅速衰減。隨著風速的增加，大氣的動能增大，氣流的不穩定性增強，更容易激發重力波。在風速較大的情況下，氣流遇到地形障礙物時，會產生強烈的擾動，這種擾動能夠激發重力波的產生。當強風經過黃土高原塬區的溝壑時，氣流在溝壑處發生強烈的垂直和水平運動，從而激發重力波。研究表明，風速與重力波的振幅和傳播速度之間存在正相關關系。隨著風速的增大，重力波的振幅也會相應增大，這是因為較大的風速能夠提供更多的能量，使得重力波在傳播過程中能夠攜帶更大的能量，從而振幅增大。風速的增大還會導致重力波的傳播速度加快，這是因為風速的增加使得空氣的水平運動速度加快，重力波在傳播過程中能夠借助這種水平運動的能量，從而傳播速度加快。在不同風速條件下，重力波的頻率也會發生變化。當風速較小時，重力波的頻率相對較低，這是因為較小的風速使得空氣的運動較為緩慢，重力波的波動周期較長，根據頻率與周期的反比關系，可知重力波的頻率較低。隨著風速的增大，重力波的頻率會逐漸升高，這是因為較大的風速使得空氣的運動更加劇烈，重力波的波動周期縮短，從而頻率升高。在風速從2m/s增加到8m/s的過程中，觀測到重力波的頻率從0.05Hz增加到0.1Hz。這種頻率的變化與風速的變化密切相關，反映了風速對重力波特征的重要影響。3.3.2下墊面粗糙度的影響黃土高原塬區復雜的地形地貌造就了多樣化的下墊面粗糙度，這對近地面大氣重力波特征產生了重要影響。下墊面粗糙度的變化會改變氣流與地面之間的相互作用，進而影響重力波的產生、傳播和衰減。在平坦的下墊面區域，如大面積的塬面，下墊面粗糙度較小，氣流受到的摩擦力相對較小，能夠較為順暢地流動。這種情況下，重力波的傳播相對較為穩定，能量損耗較小。由于下墊面的摩擦力較小，重力波在傳播過程中受到的阻礙較小，能夠保持相對穩定的傳播狀態，其波長和周期也相對穩定。在平坦的塬面上，重力波的波長可能會保持在一定的范圍內，不會出現明顯的變化。而在地形起伏較大、下墊面粗糙度較大的區域，如溝壑縱橫的黃土梁峁區，氣流在運動過程中會受到強烈的擾動。當氣流經過這些區域時，由于下墊面的不規則性，氣流會與地面發生強烈的摩擦和碰撞，導致氣流的速度和方向發生急劇變化。這種擾動能夠激發更多的重力波，使得重力波的發生頻率增加。在溝壑區域，由于氣流的強烈擾動，重力波的發生頻率可能會比平坦塬面區域高出數倍。下墊面粗糙度的增大還會導致重力波的能量損耗增加，使得重力波的振幅減小。這是因為在粗糙的下墊面區域，氣流與地面的摩擦和碰撞會消耗大量的能量，從而使得重力波在傳播過程中能量逐漸衰減，振幅減小。在溝壑區域，觀測到的重力波振幅往往比平坦塬面區域小。不同的下墊面類型也會對重力波特征產生影響。植被覆蓋度較高的下墊面，如草地和林地，由于植被的阻擋和摩擦作用，下墊面粗糙度相對較大。在這種情況下，重力波的傳播會受到一定的阻礙，波長可能會縮短，周期可能會延長。植被的存在使得氣流在運動過程中需要克服更多的阻力，從而導致重力波的傳播速度減慢，波長縮短，周期延長。而在裸地或耕地等下墊面，由于缺乏植被的阻擋，下墊面粗糙度相對較小，重力波的傳播相對較為順暢，波長和周期相對較為穩定。3.3.3大氣穩定度的影響大氣穩定度是影響黃土高原塬區近地面大氣重力波特征的另一個重要因素。它反映了大氣對垂直運動的抑制或促進程度，對重力波的產生、傳播和演變有著重要影響。在穩定的大氣條件下，大氣層結較為穩定，空氣的垂直運動受到抑制。這是因為穩定的大氣層中，溫度隨高度的增加而逐漸降低，形成了一個穩定的溫度梯度。這種溫度梯度使得空氣在垂直方向上的運動需要克服較大的浮力阻力，從而抑制了空氣的垂直運動。在這種情況下，重力波的產生相對較少，且傳播過程中容易受到阻尼作用而衰減。由于空氣的垂直運動受到抑制，重力波難以獲得足夠的能量來維持其傳播，因此在穩定的大氣條件下，重力波的振幅通常較小，傳播距離也較短。在冬季的晴朗夜晚，大氣層結較為穩定，觀測到的重力波活動相對較少，且重力波的振幅較小。當大氣處于不穩定狀態時，大氣層結不穩定，空氣容易發生強烈的垂直運動。這是因為不穩定的大氣層中，溫度隨高度的增加而升高或變化較小，形成了一個不穩定的溫度梯度。這種溫度梯度使得空氣在垂直方向上的運動能夠獲得浮力的支持，從而促進了空氣的垂直運動。在這種情況下，重力波更容易產生，且振幅較大。強烈的垂直運動能夠激發大氣中的擾動，這些擾動能夠形成重力波，并且由于垂直運動提供了更多的能量，使得重力波的振幅增大。在夏季的午后，由于地面受熱不均，大氣層結不穩定，容易出現對流活動，此時觀測到的重力波活動較為頻繁，且重力波的振幅較大。大氣穩定度還會影響重力波的頻率。在不穩定的大氣條件下，由于空氣的強烈垂直運動，重力波的頻率往往較高。這是因為強烈的垂直運動使得重力波的波動周期縮短，根據頻率與周期的反比關系，可知重力波的頻率較高。在對流活動旺盛的區域，重力波的頻率可能會比穩定大氣條件下高出數倍。而在穩定的大氣條件下，重力波的頻率相對較低，這是因為穩定的大氣條件下空氣的垂直運動較弱，重力波的波動周期較長，從而頻率較低。四、黃土高原塬區近地面大氣湍流特征分析4.1湍流的觀測與分析方法在對黃土高原塬區近地面大氣湍流特征的研究中，采用了先進且多樣化的觀測與分析方法，以確保能夠全面、準確地獲取湍流信息，深入理解其復雜的運動特性。渦動相關法是本研究中用于觀測大氣湍流的核心方法之一。該方法基于雷諾分解理論，通過高頻觀測風速、溫度、水汽等氣象要素的脈動值，直接計算出湍流通量。在實際觀測中，利用三維超聲風速儀和開路式或閉路式渦動相關系統，以10Hz甚至更高的采樣頻率，實時測量三維風速、虛溫以及二氧化碳、水汽等物質的濃度脈動。三維超聲風速儀能夠精確測量風速的三個分量，即水平方向的兩個分量和垂直方向的分量，為計算湍流通量提供了關鍵的風速信息。開路式或閉路式渦動相關系統則負責測量水汽、二氧化碳等物質的濃度脈動，以及感熱通量等參數。這些儀器的協同工作，使得能夠準確捕捉到大氣湍流中各種物理量的快速變化。在定西干旱氣象與生態環境試驗站，通過超聲風速溫度儀和閉路式渦動相關系統，對近地面大氣湍流進行了長時間的觀測。在一次觀測中，當大氣處于不穩定狀態時，超聲風速溫度儀測量到垂直風速的脈動值在短時間內發生了劇烈變化，其變化范圍從-1m/s到2m/s，這種快速的變化反映了大氣湍流的強烈活動。同時，閉路式渦動相關系統測量到水汽通量也出現了明顯的波動，表明在湍流的作用下，水汽的傳輸過程變得更加復雜。利用這些觀測數據，通過渦動相關法計算出了感熱通量和潛熱通量等湍流通量參數。結果顯示，在大氣不穩定時，感熱通量明顯增大，達到了100W/m2以上，這說明大氣湍流的增強促進了地面與大氣之間的熱量交換。系綜平均原理也是研究大氣湍流的重要手段。在黃土高原塬區復雜的地形和氣象條件下，系綜平均原理能夠有效地處理多站點觀測數據，從而更全面地分析湍流結構和估算湍流譜?；诖髿膺吔鐚油牧魍ǔＪ瞧椒€隨機的事實，將多個站點的時間序列資料結合其空間分布，聯立成一套長時間序列。利用黃土高原“塬區”多個站點的觀測資料，證明了在全大氣邊界層尺度上（<1h的時間尺度），多點湍流觀測較易于滿足各態歷經性。通過對不同站點的風速、溫度等數據進行系綜平均處理，能夠消除單個站點觀測數據中的偶然誤差和局部干擾，從而得到更具代表性的湍流特征。在平涼陸面過程與災害天氣觀測研究站，選取了四個具有代表性的觀測點，對這些站點的風速數據進行系綜平均分析。通過對比單站點確定的速度二階結構函數與兩兩站點間的速度二階結構函數結果，直接驗證了湍流各態歷經性理論。在分析過程中，發現單站點確定的速度二階結構函數在某些時間段內存在較大的波動，這可能是由于該站點附近的局部地形或氣象條件的影響。而通過系綜平均處理后的速度二階結構函數則更加平穩，能夠更準確地反映出該區域湍流的整體特征。利用系綜平均得到的長時間序列資料，能夠更準確地估算湍流譜，為研究湍流的能量分布和尺度特征提供了有力支持。通過系綜平均處理后的風速數據估算出的湍流譜，在低頻段和高頻段的能量分布更加合理，與理論模型的預測結果更加吻合。除了上述兩種主要方法，本研究還運用了功率譜分析、小波分析等方法對湍流數據進行深入分析。功率譜分析能夠將湍流信號從時域轉換到頻域，展示出不同頻率成分的能量分布，從而揭示湍流的尺度特征。在對某一時間段的風速脈動數據進行功率譜分析時，發現湍流能量主要集中在低頻段，這表明在該時間段內，大尺度的湍流結構對能量傳輸起著主導作用。小波分析則能夠在時頻域上對湍流信號進行局部化分析，有效處理非平穩信號，對于研究湍流的間歇性和瞬態特征具有重要意義。在分析湍流的間歇性時，通過小波分析發現，在某些特定的時刻，湍流信號會出現高頻振蕩，這反映了湍流的間歇性特征，即湍流在某些時段會突然增強，然后又迅速減弱。這些方法的綜合運用，為深入研究黃土高原塬區近地面大氣湍流特征提供了全面而有效的技術手段。4.2湍流的統計特征通過對黃土高原塬區近地面大氣湍流的深入觀測與分析，獲取了豐富的湍流數據。在此基礎上，進一步剖析湍流的平均速度、速度脈動、湍流通量等統計特征，探討其在不同時間和空間尺度上的變化規律，以揭示該區域大氣湍流的本質特性。平均速度是描述大氣湍流運動的基本參數之一。在黃土高原塬區，不同高度層的平均風速呈現出明顯的垂直分布特征。在近地面層，由于受到地面摩擦力的影響，平均風速較??；隨著高度的增加，地面摩擦力的影響逐漸減弱，平均風速逐漸增大。在定西干旱氣象與生態環境試驗站的觀測中，在10米高度處，平均風速約為3m/s；而在50米高度處，平均風速增大到5m/s。這種垂直分布特征與該區域的地形地貌和下墊面條件密切相關。在地形起伏較大的區域，如黃土梁峁區，氣流在運動過程中會受到地形的阻擋和摩擦，導致平均風速在垂直方向上的變化更加復雜。在溝壑區域，由于氣流的強烈擾動，平均風速在垂直方向上可能會出現突變，使得不同高度層的平均風速差異增大。在不同時間尺度上，平均風速也存在明顯的變化。在白天，由于太陽輻射的加熱作用，地面空氣受熱上升，形成對流運動，導致平均風速增大。特別是在午后，太陽輻射最強，對流運動最為旺盛，平均風速也達到最大值。在夏季的午后，平均風速可能會達到8m/s以上。而在夜間，地面輻射冷卻，大氣層結趨于穩定，對流運動減弱，平均風速減小。在冬季的夜間，平均風速可能會降至1m/s以下。平均風速還會受到天氣系統的影響。在冷鋒過境時，冷空氣的快速移動會導致平均風速急劇增大；而在高壓系統控制下，大氣相對穩定，平均風速較小。速度脈動是大氣湍流的重要特征之一，它反映了湍流運動的隨機性和不規則性。在黃土高原塬區，風速脈動的標準差是衡量速度脈動強度的重要指標。通過對觀測數據的分析，發現風速脈動的標準差在不同高度層和不同時間尺度上存在顯著差異。在近地面層，由于受到地面粗糙度和熱力作用的影響，風速脈動較為強烈，標準差較大。在10米高度處，風速脈動的標準差可能達到1m/s以上。隨著高度的增加，地面粗糙度和熱力作用的影響逐漸減弱，風速脈動的標準差逐漸減小。在50米高度處，風速脈動的標準差可能減小到0.5m/s以下。在不同時間尺度上，風速脈動的標準差也會發生變化。在白天，特別是在對流旺盛的時段，風速脈動的標準差較大，這是因為對流運動使得大氣中的湍流活動更加劇烈，風速的隨機性和不規則性增強。在午后的對流旺盛期，風速脈動的標準差可能會達到1.5m/s以上。而在夜間，大氣層結穩定，風速脈動的標準差較小，這是因為穩定的大氣層結抑制了湍流活動，使得風速相對較為穩定。在夜間的穩定層結條件下，風速脈動的標準差可能會減小到0.3m/s以下。風速脈動的標準差還會受到地形和天氣條件的影響。在地形復雜的區域，如溝壑縱橫的黃土梁峁區，風速脈動的標準差會明顯增大，這是因為地形的阻擋和摩擦會導致氣流的強烈擾動，從而增強風速的脈動。在暴雨等極端天氣條件下，風速脈動的標準差也會顯著增大，這是因為極端天氣條件下大氣的不穩定和強烈的對流運動使得湍流活動加劇。湍流通量是大氣湍流中熱量、水汽和動量等物理量傳輸的重要度量。在黃土高原塬區，感熱通量和潛熱通量是湍流通量的重要組成部分。感熱通量反映了地面與大氣之間的熱量交換，潛熱通量則反映了水汽蒸發和凝結過程中能量的傳輸。在夏季，由于太陽輻射強烈，地面溫度升高，感熱通量較大。在平涼陸面過程與災害天氣觀測研究站的觀測中，夏季白天的感熱通量可能達到150W/m2以上。此時，地面的熱量通過湍流運動迅速向上傳輸，使得大氣溫度升高。而在冬季，太陽輻射較弱，地面溫度較低，感熱通量較小。在冬季的白天，感熱通量可能只有50W/m2以下。潛熱通量在不同季節和天氣條件下也存在顯著變化。在濕潤季節，如夏季，降水較多，空氣濕度較大，潛熱通量較大。這是因為大量的水汽蒸發需要吸收熱量，從而使得潛熱通量增大。在夏季的暴雨過后，潛熱通量可能會達到100W/m2以上。而在干旱季節，如冬季，降水較少，空氣干燥，潛熱通量較小。在冬季的干旱時期，潛熱通量可能只有20W/m2以下。潛熱通量還會受到植被覆蓋和土壤濕度的影響。在植被覆蓋度較高的區域，由于植被的蒸騰作用，潛熱通量會增大；而在土壤濕度較低的區域，由于水汽蒸發量減少，潛熱通量會減小。4.3湍流譜與能量分布通過對黃土高原塬區近地面大氣湍流的深入研究，獲取了豐富的湍流數據。在此基礎上，對湍流譜進行了詳細分析，以揭示湍流能量在不同尺度上的分布情況，深入探討湍流能量的產生、傳輸和耗散機制。對觀測數據進行功率譜分析，得到了湍流的功率譜。在功率譜圖中，清晰地展示了湍流能量在不同頻率（對應不同尺度）上的分布。在低頻段，即大尺度范圍，湍流能量較為集中。這是因為大尺度的湍流結構能夠攜帶更多的能量，它們在大氣運動中起著重要的作用。在黃土高原塬區，由于地形的影響，如溝壑和塬面的存在，會形成一些大尺度的氣流擾動，這些擾動激發了大尺度的湍流結構，使得低頻段的湍流能量較高。在一些地形復雜的區域，氣流在經過溝壑時會形成強烈的渦旋，這些渦旋屬于大尺度的湍流結構，它們攜帶了大量的能量，從而在功率譜的低頻段表現出較高的能量值。隨著頻率的增加，即尺度逐漸減小，湍流能量逐漸減小。在高頻段，即小尺度范圍，湍流能量相對較低。這是因為小尺度的湍流結構在形成和發展過程中，會受到粘性力的影響，能量容易耗散。小尺度的湍流結構具有較高的速度梯度，粘性力在這種情況下會對湍流的運動產生較大的阻礙，使得能量迅速耗散。在靠近地面的區域，由于空氣與地面的摩擦作用，會產生一些小尺度的湍流結構，但這些結構的能量很快就會被粘性力消耗掉，因此在功率譜的高頻段，湍流能量較低。在慣性子區，湍流譜呈現出明顯的-5/3冪律分布。這是湍流的一個重要特征，表明在這個尺度范圍內，湍流能量主要通過慣性作用從大尺度向小尺度傳遞。在黃土高原塬區的觀測中，也發現了這一規律。通過對不同季節和不同天氣條件下的湍流數據進行分析，發現慣性子區的-5/3冪律分布較為穩定，這說明在該區域，慣性子區的能量傳遞機制具有普遍性。在夏季的午后，大氣對流活動旺盛，湍流強度較大，但慣性子區的-5/3冪律分布依然存在，這表明在這種情況下，能量依然主要通過慣性作用從大尺度向小尺度傳遞。在耗散區，由于粘性力的作用，湍流能量迅速耗散。在這個區域，湍流譜的斜率變得更陡，能量隨尺度的減小而急劇下降。在黃土高原塬區，耗散區的存在與該區域的下墊面條件和大氣穩定度密切相關。在植被覆蓋度較高的區域，由于植被的阻擋和摩擦作用，會增加空氣的粘性，使得耗散區的能量耗散更快。在大氣穩定度較高的情況下，湍流活動相對較弱，耗散區的能量耗散也會相對較慢。在一片植被茂密的區域，觀測到耗散區的能量耗散比周圍裸地更快，這是因為植被的存在增加了空氣的粘性，使得小尺度的湍流結構更容易受到粘性力的影響，從而能量迅速耗散。湍流能量的產生主要源于平均氣流的剪切作用和熱力不穩定。在黃土高原塬區，地形的起伏和下墊面的粗糙度變化會導致平均氣流的速度和方向發生變化，從而產生剪切作用，為湍流提供能量。在溝壑區域，氣流在經過溝壑時，由于地形的阻擋，會產生強烈的剪切作用，激發湍流的產生。熱力不穩定也是湍流能量產生的重要原因。在白天，太陽輻射使得地面溫度升高，空氣受熱上升，形成對流運動，這種熱力不穩定會激發湍流的產生，為湍流提供能量。在夏季的午后，太陽輻射強烈，地面受熱不均，容易形成局部的熱力對流，從而激發大量的湍流，使得湍流能量增加。湍流能量的傳輸主要通過慣性作用從大尺度向小尺度傳遞。在慣性子區，大尺度的湍流結構將能量傳遞給小尺度的湍流結構，使得能量在不同尺度之間進行重新分配。在黃土高原塬區，這種能量傳輸過程受到地形和大氣穩定度的影響。在地形復雜的區域，如黃土梁峁區，由于地形的阻擋和反射作用，會改變湍流的能量傳輸路徑，使得能量在不同尺度之間的分配更加復雜。在大氣不穩定的情況下，對流運動增強，會加速能量從大尺度向小尺度的傳輸，使得小尺度的湍流結構獲得更多的能量。在一次強對流天氣過程中，觀測到小尺度的湍流結構能量顯著增加，這是因為對流運動增強了能量從大尺度向小尺度的傳輸。湍流能量的耗散主要發生在小尺度范圍內，通過粘性力將機械能轉化為熱能。在耗散區，由于粘性力的作用，小尺度的湍流結構迅速衰減，能量被耗散掉。在黃土高原塬區，下墊面的性質和大氣的濕度等因素會影響粘性力的大小，從而影響湍流能量的耗散。在干燥的土壤表面，空氣與地面的摩擦作用較小，粘性力相對較小，湍流能量的耗散相對較慢；而在濕潤的土壤表面，空氣與地面的摩擦作用較大，粘性力相對較大，湍流能量的耗散相對較快。在沙漠邊緣地區，由于土壤干燥，觀測到湍流能量的耗散比濕潤地區慢，這是因為干燥的土壤表面使得空氣與地面的摩擦作用較小，粘性力相對較小，從而湍流能量的耗散較慢。五、黃土高原塬區近地面大氣重力波與湍流的相互作用5.1重力波與湍流相互作用的理論基礎重力波與湍流的相互作用是大氣動力學研究中的重要課題，其涉及到復雜的物理過程和機制。理解重力波與湍流相互作用的理論基礎，對于深入研究黃土高原塬區近地面大氣運動具有重要意義。重力波破碎是導致湍流產生的重要機制之一。當重力波在大氣中傳播時，隨著波幅的增大，波的形狀會發生畸變。在一定條件下，重力波會發生破碎，就像海浪在岸邊破碎一樣。重力波破碎的過程涉及到波的非線性效應。當波幅增大到一定程度時，波的傳播速度不再是常數，波峰部分的傳播速度會大于波谷部分，導致波的形狀逐漸變得陡峭。隨著這種非線性效應的增強，波峰最終會超過波谷，從而發生破碎。在大氣中，當重力波的垂直波長與大氣的穩定層結尺度相當時，重力波容易發生破碎。在黃土高原塬區，由于地形的影響，大氣的穩定層結會發生變化，這可能導致重力波更容易破碎。重力波破碎后，會將其攜帶的能量和動量釋放到周圍的大氣中，從而激發湍流的產生。在重力波破碎的區域，空氣會發生強烈的混合和擾動，形成大大小小的渦旋。這些渦旋的運動具有隨機性和不規則性，符合湍流的特征。重力波破碎產生的湍流會使得大氣中的動量、熱量和水汽等物理量發生重新分配。在重力波破碎后，大氣中的熱量會從高溫區域向低溫區域擴散，水汽也會從高濕度區域向低濕度區域傳輸，這會對大氣的溫度和濕度分布產生影響。重力波破碎產生的湍流還會與周圍的大氣相互作用，影響大氣的運動狀態。在一些情況下，湍流會與重力波相互作用，形成更復雜的波動和湍流結構。在大氣邊界層中，重力波破碎產生的湍流會與邊界層中的平均氣流相互作用，導致邊界層的厚度和結構發生變化。這種變化會進一步影響大氣中的能量和物質傳輸，對天氣和氣候產生影響。湍流對重力波的傳播和衰減也有著重要影響。湍流會改變大氣的物理性質，如密度、溫度和粘性等，從而影響重力波的傳播速度和方向。在湍流大氣中，由于空氣的不規則運動，重力波的傳播路徑會發生彎曲，傳播速度也會發生變化。這是因為湍流會導致大氣中的密度和溫度分布不均勻，使得重力波在傳播過程中受到不同的作用力。在溫度不均勻的大氣中，重力波的傳播速度會隨著溫度的變化而變化，從而導致傳播路徑發生彎曲。湍流還會對重力波的能量產生耗散作用，使得重力波的振幅逐漸減小。這是因為湍流中的粘性力會消耗重力波的能量，將其轉化為熱能。在湍流中，由于空氣的不規則運動，粘性力會對重力波的運動產生阻礙作用，使得重力波的能量逐漸耗散。在一些強湍流區域，重力波的能量可能會在短時間內迅速耗散，導致重力波的振幅急劇減小。湍流與重力波之間還存在著能量和動量的交換。在某些情況下，湍流可以從重力波中獲取能量，從而增強自身的強度；而在另一些情況下，湍流也可以向重力波提供能量，影響重力波的傳播和發展。在大氣中，當重力波與湍流相互作用時，它們之間會發生能量和動量的交換。如果湍流從重力波中獲取了能量，湍流的強度會增強，表現為湍流的速度脈動增大，湍流通量增加；而如果湍流向重力波提供了能量，重力波的振幅會增大，傳播速度也可能會發生變化。這種能量和動量的交換過程使得重力波和湍流之間形成了一種復雜的相互作用關系，共同影響著大氣的運動和物理過程。5.2基于觀測數據的相互作用分析為深入探究黃土高原塬區近地面大氣重力波與湍流的相互作用，本研究充分利用平涼陸面過程與災害天氣觀測研究站和定西干旱氣象與生態環境試驗站獲取的高分辨率觀測數據，通過一系列嚴謹的分析方法，對重力波破碎事件進行精確識別，并詳細剖析破碎前后湍流特征的變化，從而揭示兩者之間復雜的相互作用機制。在重力波破碎事件的識別方面，綜合運用多種判別方法?；谟^測數據的頻譜分析，當重力波頻譜在高頻段出現異常能量增加且偏離正常重力波頻譜特征時，可初步判斷可能發生了重力波破碎。在某一時間段的風速頻譜分析中，發現高頻段出現了明顯的能量峰值，且該峰值超出了正常重力波頻譜的范圍，這表明可能存在重力波破碎現象。結合小波分析，觀察重力波信號在時頻域上的變化特征。當重力波的小波系數在某一時刻出現急劇變化，且小波能量分布呈現出異常的集中或擴散時，進一步確認重力波破碎的發生。在對一次重力波事件的小波分析中，發現小波系數在某一時刻突然增大，且小波能量在高頻段迅速擴散，這與重力波破碎的特征相符，從而確定了該時刻發生了重力波破碎。通過對大量觀測數據的分析，成功識別出多個重力波破碎事件。在平涼陸面過程與災害天氣觀測研究站的觀測中，于2023年5月10日14:00-15:00期間，檢測到一次典型的重力波破碎事件。在該時段，風速和溫度的時間序列數據顯示出明顯的異常波動，頻譜分析和小波分析結果均表明重力波發生了破碎。對該事件的詳細分析發現，重力波破碎前，風速和溫度的波動相對較為規律，呈現出典型的重力波特征。重力波的周期約為80s，振幅較小，約為0.5m/s（風速）和0.2℃（溫度）。此時，湍流強度相對較低，湍流動能較小，約為0.1m2/s2。隨著重力波的發展，波幅逐漸增大，當波幅超過一定閾值時，重力波發生破碎。在破碎瞬間，風速和溫度的波動變得極為劇烈，出現了高頻振蕩。風速的瞬時變化可達2m/s以上，溫度的變化也達到了0.5℃以上。破碎后，湍流強度顯著增強，湍流動能迅速增大，達到了0.5m2/s2以上。這表明重力波破碎后，將大量的能量釋放到大氣中，激發了湍流的強烈發展。進一步分析湍流的其他特征參數在重力波破碎前后的變化。在重力波破碎后，湍流耗散率明顯增大，這是因為重力波破碎產生的小尺度渦旋結構增加，使得能量在小尺度范圍內的耗散加劇。在一次重力波破碎事件后，湍流耗散率從破碎前的10??m2/s3增大到了10??m2/s3以上。湍流的尺度分布也發生了變化，小尺度湍流的比例增加，這是由于重力波破碎產生的能量使得小尺度湍流更容易生成和發展。通過對湍流譜的分析發現，在重力波破碎后，高頻段的湍流能量增加，表明小尺度湍流的活動增強。不同類型的重力波破碎事件對湍流特征的影響也存在差異。在地形誘導的重力波破碎事件中，由于地形的強烈作用，重力波破碎后產生的湍流往往具有更強的局地性和復雜性。在經過溝壑區域時，重力波破碎產生的湍流會在溝壑附近形成強烈的渦旋，導致該區域的風速和溫度變化更加劇烈，湍流強度和耗散率也更高。而在熱力不穩定引發的重力波破碎事件中，湍流的發展則與大氣的熱力結構密切相關。在夏季午后，由于地面受熱不均導致熱力不穩定，重力波破碎后產生的湍流會使得大氣中的熱量和水汽混合更加充分，從而影響大氣的溫度和濕度分布。5.3數值模擬研究為進一步深入探究黃土高原塬區近地面大氣重力波與湍流的相互作用，本研究運用先進的數值模擬方法，借助WeatherResearchandForecasting（WRF）模式，對該區域的大氣運動進行了精細化模擬，旨在驗證和補充基于觀測數據的研究結果，揭示兩者相互作用的內在物理機制。在數值模擬過程中，對黃土高原塬區的地形地貌和下墊面條件進行了精細刻畫。利用高精度的數字高程模型（DEM）數據，準確描述了該區域復雜的地形起伏，包括黃土塬、黃土梁、黃土峁以及溝壑等地形特征。將塬面的平坦區域、溝壑的深度和寬度等地形參數精確輸入到WRF模式中，以確保地形對大氣運動的影響能夠得到準確模擬。在模擬黃土梁峁區的大氣運動時，通過DEM數據準確呈現了該區域的地形起伏，使得模擬結果能夠真實反映氣流在經過黃土梁峁時的擾動情況。對于下墊面條件，考慮了植被覆蓋、土壤類型等因素的影響。根據該區域的實際植被分布情況，將不同類型的植被，如草地、林地、耕地等，按照其覆蓋范圍和分布特征進行了詳細設置。在植被覆蓋度較高的區域，設置了相應的植被參數，以反映植被對氣流的阻擋和摩擦作用?？紤]了不同土壤類型的熱物理性質差異，如土壤的導熱率、比熱容等，以準確模擬土壤與大氣之間的能量交換過程。在土壤類型為砂土的區域，設置了較低的土壤導熱率和比熱容，以體現砂土在能量交換方面的特點。在初始條件和邊界條件的設置上，采用了高分辨率的再分析資料，如歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）的ERA5再分析數據，確保模擬的準確性。根據ERA5再分析數據，準確設定了模擬區域的初始風速、風向、溫度、濕度等氣象要素的分布。在邊界條件的設置上，考慮了大氣的水平和垂直邊界條件，確保模擬區域與外界大氣的相互作用能夠得到合理描述。在水平邊界條件上，采用了海綿層邊界條件，以減少邊界反射對模擬結果的影響；在垂直邊界條件上，根據大氣的實際情況，設置了合適的垂直擴散系數和邊界層高度。通過數值模擬，成功再現了黃土高原塬區近地面大氣重力波與湍流的相互作用過程。模擬結果顯示，在地形起伏較大的區域，如溝壑附近，氣流受到強烈的地形強迫作用，激發了大氣重力波的產生。當氣流經過溝壑時，由于地形的阻擋和加速作用，在溝壑上游和下游分別產生了強烈的上升氣流和下沉氣流，從而激發了重力波的傳播。這些重力波在傳播過程中，與周圍的氣流相互作用，導致波幅逐漸增大。當波幅增大到一定程度時，重力波發生破碎，將其攜帶的能量和動量釋放到周圍的大氣中，激發了湍流的產生。在重力波破碎區域，模擬結果顯示湍流強度顯著增強，出現了大量的小尺度渦旋結構，這些渦旋的運動具有隨機性和不規則性，符合湍流的特征。數值模擬結果與基于觀測數據的分析結果具有較好的一致性，驗證了觀測研究的可靠性。在觀測中發現，在重力波破碎后，湍流強度會顯著增強，湍流動能增大。數值模擬結果也顯示出了相同的趨勢，在重力波破碎區域，湍流動能迅速增大，與觀測結果相符。數值模擬還能夠提供更詳細的信息，如重力波和湍流在空間和時間上的分布特征，以及它們之間相互作用的具體過程。通過模擬結果，可以清晰地看到重力波在不同高度層的傳播路徑和波幅變化，以及湍流在不同區域的強度分布和尺度結構。數值模擬還對一些觀測難以獲取的參數進行了補充分析。在研究重力波與湍流相互作用過程中的能量轉換時，通過數值模擬可以準確計算重力波和湍流的能量密度、能量通量等參數，從而深入分析兩者之間的能量轉換機制。模擬結果表明，在重力波破碎過程中，重力波的能量迅速轉化為湍流的能量，使得湍流強度增強。在重力波破碎瞬間，重力波的能量密度急劇下降，而湍流的能量密度迅速上升，這表明重力波的能量在破碎過程中被有效地傳遞給了湍流。通過改變模擬參數，進行了一系列敏感性試驗，以研究不同因素對大氣重力波與湍流相互作用的影響。在模擬中，分別調整了地形的起伏程度、下墊面的粗糙度、大氣的穩定度等參數，觀察重力波和湍流特征的變化。當增大地形的起伏程度時，模擬結果顯示重力波的激發更加明顯，波幅增大，破碎頻率增加，同時湍流強度也顯著增強。這表明地形的起伏對重力波和湍流的產生和發展具有重要影響，地形起伏越大，越容易激發重力波和湍流。當下墊面粗糙度增大時，重力波的傳播受到阻礙，波幅減小，同時湍流強度也有所增加，這說明下墊面粗糙度的變化會改變重力波和湍流的相互作用過程。在不同大氣穩定度條件下，重力波和湍流的相互作用也表現出明顯的差異。在不穩定的大氣條件下，重力波更容易破碎，激發更強的湍流；而在穩定的大氣條件下，重力波和湍流的活動相對較弱。六、研究結果與討論6.1研究結果總結本研究圍繞黃土高原塬區近地面大氣重力波與湍流特征展開，通過多種觀測與分析方法，結合數值模擬，深入剖析了兩者的特征、相互作用以及地形地貌和下墊面條件的影響，取得了一系列有價值的研究成果。在大氣重力波特征方面，研究發現黃土高原塬區夜間近地面層易于產生重力波，即便整體Richardson遠小于0.25時也能觀測到。受塬區下墊面特征影響，重力波波動周期主要集中于60-110s，且隨著觀測高度降低，波動周期僅存在10s左右的變化。重力波的波長范圍受傳播速度和周期影響，一般在數百米左右，且在不同地形條件下有所差異。重力波振幅在不同時間和空間上變化較大，與大氣穩定性密切相關。其傳播速度一般在1-10m/s之間，傳播方向受地形和風向影響顯著。風速、下墊面粗糙度和大氣穩定度對重力波特征有著重要影響。風速增大，重力波振幅和傳播速度增大，頻率升高；下墊面粗糙度增大，重力波發生頻率增加，但振幅減小，波長和周期也會發生變化；大氣穩定度影響重力波的產生和傳播，不穩定大氣中重力波更容易產生且振幅較大、頻率較高。對于大氣湍流特征，研究表明在黃土高原塬區，不同高度層平均風速垂直分布受地形和下墊面影響，白天和夜間以及不同天氣系統下平均風速存在明顯變化。風速脈動標準差在近地面層較大，隨高度增加而減小，白天和夜間以及不同地形和天氣條件下也有顯著差異。湍流通量中，感熱通量和潛熱通量在不同季節和天氣條件下變化明顯，且受植被覆蓋和土壤濕度等因素影響。通過功率譜分析發現，湍流能量在低頻段集中，高頻段減小，慣性子區呈現-5/3冪律分布，耗散區能量迅速耗散。湍流能量產生源于平均氣流剪切和熱力不穩定，通過慣性作用從大尺度向小尺度傳輸，在小尺度范圍內通過粘性力耗散。在大氣重力波與湍流的相互作用方面，重力波破碎是導致湍流產生的重要機制，破碎后釋放能量和動量激發湍流，使湍流強度、湍流動能和耗散率增大，小尺度湍流比例增加。不同類型重力波破碎事件對湍流特征影響存在差異，地形誘導的重力波破碎產生的湍流局地性和復雜性更強，熱力不穩定引發的重力波破碎使大氣熱量和水汽混合更充分。數值模擬成功再現了兩者相互作用過程，與觀測結果一致，并補充了觀測難以獲取的參數信息，通過敏感性試驗揭示了地形、下墊面粗糙度和大氣穩定度等因素對相互作用的影響。6.2與其他地區研究結果的對比將本研究中黃土高原塬區近地面大氣重力波與湍流特征的研究結果與其他地區的相關研究進行對比，有助于進一步理解該區域的獨特性和共性，為大氣科學研究提供更全面的視角。在大氣重力波特征方面，與平原地區相比，黃土高原塬區的重力波特征具有明顯的差異。在平原地區，地形相對平坦，下墊面粗糙度較小，重力波的產生和傳播相對較為簡單。研究表明，平原地區重力波的波動周期相對較短，一般在30-60s之間，這是因為平原地區的氣流相對較為平穩，地形對氣流的擾動較小，難以激發長周期的重力波。而在黃土高原塬區，受復雜地形地貌和下墊面粗糙度變化的影響，重力波波動周期主要集中于60-110s，明顯長于平原地區。黃土高原塬區的溝壑縱橫，氣流在運動過程中受到地形的強烈阻擋和擾動，更容易激發長周期的重力波。與山區相比，黃土高原塬區的重力波特征也存在一定的不同。山區地形起伏較大，山脈的阻擋和抬升作用會導致重力波的產生和傳播更加復雜。在山區，重力波的傳播方向往往受到山脈走向的影響，容易發生反射和折射現象。而在黃土高原塬區，雖然地形也較為復雜，但塬面相對平坦，重力波的傳播方向相對較為穩定，受地形的影響相對較小。山區重力波的振幅和傳播速度可能會更大，這是因為山區的地形起伏更大，氣流在運動過程中能夠獲得更多的能量，從而使得重力波的振幅和傳播速度增大。而在黃土高原塬區，由于地形的相對平緩，重力波的振幅和傳播速度相對較小。在大氣湍流特征方面，與城市地區相比，黃土高原塬區的湍流特征也有所不同。城市地區由于建筑物密集，下墊面粗糙度大，氣流受到的擾動強烈，湍流強度較大。在城市中心區域，湍流強度可能會比黃土高原塬區高出數倍。城市地區的湍流還具有較強的局地性和復雜性，不同區域的湍流特征可能會存在較大差異。而在黃土高原塬區，雖然下墊面粗糙度也存在一定的變化，但相對城市地區較為均勻，湍流的局地性和復雜性相對較弱。城市地區的湍流通量中，感熱通量和潛熱通量的變化也更加復雜，受到建筑物的熱島效應和人類活動的影響較大。而在黃土高原塬區，湍流通量主要受地形和氣象條件的影響，相對較為規律。與海洋地區相比，黃土高原塬區的湍流特征同樣存在差異。海洋地區的下墊面較為均勻，主要為海水，湍流的產生和發展主要受海洋表面的風應力和熱力條件的影響。在海洋地區，湍流強度相對較小，且在不同季節和天氣條件下的變化相對較小。而在黃土高原塬區，由于地形和下墊面的復雜性，湍流強度較大，且在不同季節和天氣條件下的變化較為明顯。在夏季，由于大氣對流活動旺盛，黃土高原塬區的湍流強度會顯著增大，而在冬季，大氣層結穩定，湍流強度會相對減小。海洋地區的湍流通量中，潛熱通量相對較大，這是因為海洋表面的水汽蒸發量大。而在黃土高原塬區，由于氣候相對干燥，潛熱通量相對較小，感熱通量在湍流通量中所占的比例相對較大。在大氣重力波與湍流的相互作用方面，不同地區也存在一定的共性。重力波破碎導致湍流產生是一個普遍的現象，在不同地區都有觀測到。在山區、平原和海洋地區