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绿洲是干旱区独有的生态景观,也是干旱区生态环境的核心,存在特有的小气候特征,其独特的水热交换是绿洲—沙漠相互作用的重要过程。而湍流中的相干结构是湍流运动的重要部分,对动量和标量的输送影响较大。因此,研究绿洲系统的水热传输及动量和标量的相干结构特征,将加深我们对绿洲系统湍流输送的认识。 本文针对夏季金塔绿洲近地层标量的非相似性及动量和标量相干结构特征量的差异,利用2005年金塔绿洲开展的“绿洲系统能量与水分循环过程观测试验”获得的湍流资料展开研究。首先,对实验期内金塔绿洲近地层气象要素及能量进行日变化研究;其次,分析了白天绿洲下垫面上标量非相似性的动力及热力因素和频率域上相关系数谱和相对输送效率谱的特征;最后,利用小波变换比较了实验期非降水日内动量和标量所反映的相干结构特征量的差异,主要结论如下: (1)绿洲近地层低层(3.33m)气温最低,比湿与高层(16.60m)相近,中层(8.41m)温度最高。低层温度最低、湿度高是因为绿洲农田蒸发吸热导致温度降低,同时蒸发作用使水汽增多;而高层温度低、湿度高是由于温度随高度升高而降低,进而水蒸气凝结使水汽增多。天气持续晴好情况下,三层气温均呈现正弦曲线的日变化特征,而比湿的日变化特征不明显。夏季绿洲近地层地气的热量交换中,感热输送作用较小,潜热输送占主导地位,且晴天下午绿洲将出现负感热现象。 (2)在主导风向上温度和湿度的相似性较好,低层风速较小和高层风速介于2-4m/s时,其标量的相似性较大。标量的相似性随稳定度向近中性条件偏移而减小。标量相关谱和相对输送效率谱均在含能区上近似为常数,且随着相关系数的减小,标量相关谱所对应的谱峰频率逐渐减小,相对输送效率也减小,即水汽的输送效率逐渐增大,这是绿洲-沙漠的热平流抑制热量输送导致的。 (3)动量(u、w)和标量(T、q)相干结构的尺度均在不稳定条件下最大;较高层(8.41m和16.60m)相干结构的尺度在稳定条件下最小;低层(3.33m)相干结构的尺度在近中性条件下最小。随高度升高,相干结构尺度均增大。温度和湿度相干结构的尺度相近,并且在稳定条件下最相似,垂直运动相干结构的尺度最小,水平运动相干结构的尺度最大,标量和动量间的相干结构尺度差异较大。温度和湿度相干结构的发生频率相近,垂直运动相干结构的发生频率最大,水平运动相干结构的发生频率最小。较高层动量和标量相干结构发生频率随稳定度的增加而增加,但低层相干结构发生频率在不稳定条件下最小,在近中性条件下最大。在不稳定和近中性条件下,相干结构发生频率随高度升高而减小;在稳定条件下,相干结构发生频率随高度增加而增加。