黑河实验（HEIFE）的一些研究成果

本文回顾了黑河实验（ＨＥＩＦＥ）的执行情况，总结了到目前为止的主要研究成果。得到了干旱地区陆面过程地表参数、地表能量平衡特征和湍流通量参数化的结果。同时得到了干旱地区陆面过程的物理机制同湿润地区有质的差异这一认识：同湿润地区不同，干旱地区地表蒸散和植被过程并不是地表能量平衡中的控制因子，因为感热并不输送到自由大气仅是大气边界层的强迫因子；而潜热输送给自由大气并且潜热的释放是大气环流的主要能源，但干旱地区很少或没有水汽和潜热输送到自由大气，所以干旱地区自由大气不能从地面得到热能；地表反射率大和向上长波辐射强致使净辐射亏损大；基于以上原因，干旱地区可能是一个水汽输送和热能的“汇”。这些结果使我们能更好地理解干旱地区的陆面过程。黑河实验的结果以系统的观测事实证实了绿洲的冷岛效应，临近绿洲沙漠的逆湿现象，即夏季白天常常是绿洲有感热向下输送，临近绿洲的沙漠有水汽向下输送。

稀疏植被下垫面与大气相互作用研究进展

介绍了国家自然科学基金委员会"十五"重点项目"稀疏植被下垫面与大气相互作用研究"的成果。通过资料分析、数值试验和理论分析,研究干旱地区稀疏植被复杂下垫面上水、热及CO2输运过程的机理;非均匀下垫面的复杂非线性效应;干旱地区更合理的陆面过程参数化方案以及绿洲的稳定性;强沙尘暴的发展机制和干旱地区生态环境建设对策。主要结果表明:(1)揭示了植物生态生理过程、净第一生产力和生物量对气候的敏感性,为稀疏植被下垫面与大气相互作用研究提供了较好的接口。(2)发展了适用于干旱、半干旱地区土壤中水热输送交叉耦合的物理模型;以能量和物质守恒定律为基础的雪盖物理模型,它显著地改善了陆面过程的模拟效果,是国际上最早开发的同类模型之一。(3)发展了大气非平衡态热力学,证明了非线性区普遍成立的最小熵产生原理,为研究气候和环境复杂系统提供了新思路和新方法;揭示了大气辐散和辐合运动对垂直湍流输送的影响,非均匀下垫面地气相互作用,为非均匀下垫面陆面过程参数化提供了物理基础;研究了绿洲稳定性并估算了绿洲临界尺度约为3～6km,为绿洲保护和建设提供了理论依据;提出了干旱地区有限水资源条件下增强其稳定性和抗干扰能力的生态环境建设对策。(4)发展了强沙尘暴发展的动力学模式。

临近绿洲的沙漠上空近地面层内水汽输送特征

1991年7月在HEIFE实验区沙漠站进行了一次水汽输送观测实验。观测发现近地面层内比湿廓线常常出现极小值,该极小值高度为零水汽通量面的高度。这个高度以上水汽向下输送,廓线呈逆湿特征,这个高度以下水汽向上输送,廓线呈蒸发特征。沙漠上空近地面层内水汽不是常通量,在一个固定高度上观测到的水汽通量和“潜热通量”不能代表地面的蒸发量和潜热通量。

兰州山谷大气污染的物理机制与防治对策

分析兰州的一些观测结果得到了这类山谷盆地日间和夜间大气逆温层形成的物理机制．由于山峰加热效应形成日间山谷强的脱地逆温层以及辐射冷却的山谷冷湖效应形成夜间强的逆温层，它们是造成这类特殊条件下的大气污染的根本原因。污染物吸收太阳辐射使上层空气加热，进一步加强了日间的逆温层。环境绿化能减小日间山峰加热效应和夜间辐射冷却造成的冷湖效应，以减弱逆温层减轻污染所以环境绿化是一种增加环境容量，减轻污染的有效措施。

强沙尘暴微气象特征和局地触发机制

强沙尘暴是干旱地区一种破坏性极大的灾害性天气现象。本文分析了１９９３年５月５日强沙尘暴的微气象特征和各辐射分量特征。并结合这次强沙尘暴大、中尺度过程特征，分析了强沙尘暴和干飑线的形成和发展机制，干飑线发展具有一种沙尘造成的辐射冷却正反馈机制和局地不稳定大气的触发机制。进而根据这些事实建立一个干飑线发展的物理模型。

从湍流经典理论到大气湍流非平衡态热力学理论

湍流是日常生活中一种普遍的自然现象,也是经典物理学仍未完全解决的难题。湍流更是大气运动的最基本特征。本文系统地回顾了大气湍流经典理论发展简史,进一步详细介绍了大气湍流非平衡态热力学理论。大气湍流非平衡态热力学理论在熵平衡方程中引入动力过程,进而统一推导出大气湍流输送的Fourier定律、Flick定律和Newton定律,证明了Dufour效应、Soret效应、可逆动力过程与热力不可逆湍流输送过程之间的交叉耦合效应,以及湍流强度定理。这些定律和定理中得到了观测的事实验证,同时它们的唯象系数也由观测资料所确定。湍流强度定理揭示,湍流发展的宏观原因是速度和温度的剪切效应,Reynolds湍流和Rayleigh-Bénard湍流共存于大气湍流中。热力过程和动力过程间耦合效应现象的发现突破了传统湍流输送理论,即Fourier定律、Flick定律和Newton定律的观点——一个宏观量的输送通量等价于这个宏观量的梯度湍流输送通量。热力和动力过程间的耦合原理认为,一个宏观量的输送通量包括这个量的梯度湍流输送通量和速度耦合输送通量两部分。因此,能量和物质的垂直输送通量除了相应物理量梯度造成的湍流输送外,还应包括垂直速度耦合效应,即辐散或辐合运动造成的耦合效应。在一个很宽的尺度范围内,地表面的空间特征是非均匀的。下垫面非均匀性造成的对流运动将引起大气的辐散或辐合运动。这可能是导致地表能量收支不平衡的重要原因之一。垂直速度对垂直湍流输送的交叉耦合效应为非均匀下垫面大气边界层理论的发展,并为克服地表能量收支不平衡问题及非均匀下垫面大气边界层参数化遇到的困难提供了可能的线索。

论大气边界层的局地相似性

本文利用日本气象厅研究所在筑波市213m气象塔1983年观测的湍流资料验证了大气边界层的局地相似性,求出了相似性函数的经验常数.进一步建立了局地湍流统计量同近地面层和边界层顶湍流通量之间的关系.

强沙尘暴发展与干飑线——黑风暴形成的一个机理分析

该文分析了１９９３年５月５日黑风暴的发展过程和景观以及天气形势，研究了干飑线和强冷锋前干飑线发展同黑风暴爆发的关系。分析结果指出：由于强冷锋过境时冷锋前干飑线移至被强烈太阳辐射加热的地表以及条件不稳定大气层结地区，干飑线进一步发展致使黑风暴爆发。黑风暴的沙墙是类似于飑线阵风锋面的干飑线沙暴锋面。它是阵风锋面前沿反向上升气流卷起干燥地表尘沙而形成的。

边界层湍流输送的若干问题和大气线性热力学

总结了大气线性热力学基本理论,讨论了大气边界层的能量和物质输送交叉耦合效应,还讨论了大气系统动力过程和热力过程的交叉耦合效应。分析指出:由于动力过程和热力过程的交叉耦合效应,导致大气边界层能量和物质输送过程除了湍流输送外,还应包括大气辐散和辐合运动对能量和物质的输送。非均匀下垫面大气边界层和对流边界层辐散和辐合运动对能量和物质输送是重要的。在这个基础上,讨论了非均匀下垫面和对流边界层地表能量的平衡问题,非均匀下垫面和对流边界层陆面过程边界层参数化等问题。这些研究不仅丰富了大气边界层物理理论,而且为克服当前大气边界层物理应用中所遇到的困难提供了理论依据。

黑河实验（HEIFE）──对干旱地区陆面过程的一些新认识

综合介绍“黑河地区地气相互作用野外观测实验研究（ＨＥＩＦＥ）”的概况。系统分析干旱地区陆面过程的一些基本问题，它们是：（１）干旱地区地表面热量平衡的基本特征：干旱地区蒸发量很小，地表热量平衡中以感热为主．潜热可以忽略不计。（２）干旱地区陆面过程参数化问题：干旱地区能量和物质湍流输送的参数化必须考虑层结影响，否则将造成严重误差。（３）干旱地区一种特殊现象──绿洲与沙漠环境的相互作用：绿洲的“冷岛效应”和临近绿洲沙漠或戈壁的“逆湿现象”是这种相互作用的结果。这些研究结果将加深我们对干旱地区陆面过程的认识。

开展干旱环境动力学研究的若干问题

根据目前干旱环境研究的现状 ,提出了“干旱环境动力学”的概念及其科学问题提法、研究方法论和研究途径 ,为干旱环境动力学的建立提供了一个科学框架。干旱环境系统是地球系统的一部分 ,建立干旱环境动力学 ,应以地球系统科学的基本原理为出发点。但它应着重研究地球系统科学中十至百年时间尺度干旱环境发展规律和趋势 ,特别是人类活动在该时间尺度内对干旱环境的影响。为了研究干旱环境问题 ,自然科学领域的地理科学、生物科学、大气科学、水文和水利以及地质学等必须形成统一的观点和普适的方法论 ,从而形成相对独立且学科交叉的干旱环境动力学。气候动力学已相对成熟 ,干旱环境动力学建模可以气候动力学为基础。建模成败的关键是如何将生态过程物理化和化学化 ,如何建立水文子系统、生态子系统和土壤子系统的数学模型 ,并与气候动力学模式相互耦合。

绿洲环境形成机制和干旱区生态环境建设对策

绿洲生态环境建设对我国西北干旱地区的经济可持续发展有着特殊的战略意义。本文总结了绿洲小气候的一系列研究结果。根据绿洲小气候的形成机制和绿洲稳定性状态,提出了我国西北干旱区生态环境建设对策及提高绿洲的稳定性和抗干扰能力的建议。指出绿洲生态环境保护和建设对策应充分利用绿洲冷岛效应小气候特点,把有限的水资源与丰富的光热资源结合起来,发展独特的气候生态类型。对于不同稳定状态绿洲生态环境建设应采取不同对策。并指出良性绿洲生态环境建设应发展耐旱喜阳生态农业,提高水资源利用效率;低效绿洲生态环境建设应尽量调整绿洲格局,将破碎绿洲连通成片,力图减小晒衣绳效应;"退化绿洲"生态环境建设的对策是在足够水资源供给的条件下修复生态系统,限制地下水开采和农牧业的发展,抑制生态系统的进一步恶化。

河西戈壁(化音)小气候和热量平衡特征的初步分析

本文分析了1988年9月在甘肃省临泽县城西南侧戈壁获得的近地面层微气象观测资料。结果表明:白天晴空一般都是超绝热不稳定状态,并存在一种逆湿现象,造成向下输送的水气通量。这可能是由于戈壁地表极其干燥,没有蒸发,上层大气湿度反而比近地面层高,致使水汽从上往下输送。这时在地表面热量平衡过程中,潜热可以忽略不计,感热占绝对优势。

组合法确定近地面层湍流通量和通用函数

本文发展了确定近地面层湍流通量的组合法,得到了它们的一般表达式。并用这种方法确定近地面层MO相似性函数。利用ITCE的观测资料作为实例计算,结果表明这种方法是可行的。

大气边界层相似性理论及其应用

系统总结了大气边界层相似性理论及其在湍流通量观测应用方面的研究进展，指出了该领域目前所遇到的一系列难题及未来发展方向，介绍了最近在这方面所取得的一些新的研究成果。

非平衡态大气热力学的研究

概括了建立非平衡态大气热力学的必要性和迫切性。并在考虑到大气系统是以湍涡为基本单元，具有气压梯度力、重力和 Ｃｏｒｉｏｌｉｓ 力的地球大气宏观体系的基础上，直接引入大气动力学方程组，建立了非平衡态大气热力学的熵平衡方程。使熵平衡方程能直接表达大气中发生的湍流粘性热输送、水汽输送、动量输送和水的三种相变等四类不可逆过程以及 Ｎｅｗｔｏｎ 力 Ｆｉ 驱动的气流输送动力可逆过程。利用 Ｐｒｉｇｏｇｉｎｅ 的最小熵源原理证明大气热力学平衡态就是没有任何湍流输送过程；没有任何水的相变过程；大气动力状态处于静力平衡和地转平衡；热力状态处于中性层结，等压面上温度均匀分布的热力学态。利用大气系统 Ｇｉｂｂｓ 关系得到开放系变态方程，它应包含系统变态过程中位温变化和动能变化以及水汽变化。经典大气热力学中的封闭系多元过程只是它的一种特殊情况。开放系大气水汽相变过程也应包括温度变化和动能变化以及水汽的汽、液和固态水比份变化。经典大气热力学中的湿绝热过程和假绝热膨胀过程也只是它的一种特殊情况。利用热力学流以平衡态作为参考态对热力学力作 Ｔａｙｌｏｒ 展开，可能是湍流闭合的一种新途径。它的优点是在不引入新的方程情况下达到闭合目的。

黑河实验（HEIFE）能量平衡和水汽输送研究进展

总结了黑河实验中能量和水汽交换特征研究进展。建立了绿洲同包围它的沙漠环境相互作用基本模型，即绿洲的冷岛效应和沙漠的逆湿现象。绿洲对沙漠观测的主要干拢是沙漠能量平衡中的一个小量，即可以忽略不计的潜热通量。所以黑河实验沙漠和戈壁站能量平衡的基本特征对干旱地区有一定的代表性。

论近地面层湍流通量观测的一些问题

本文回顾并总结了目前在近地面层内观测湍流通量的方法。指出了各种观测方法的适用条件,比较了它们的测量误差和它们的优缺点,并讨论了各种测量方法存在的问题。该文的讨论对于选择近地面层湍流通量观测方案、提高观测精度、评价观测结果并对结果进行修正都有一定参考价值。

陆面过程野外观测试验的进展

综述了目前国际上三个大型陆面过程野外观测试验研究的进展,回顾了HAPEX和FIFE已取得的主要结果以及HEIFE初步得到的一些结果,同时阐明了这些野外观测试验研究需待解决的一些问题。

近地面层湍流通量观测误差的比较

本文根据误差理论分析并比较了在近地面层内各种间接确定湍流通量方法的观测误差。空气动力学法由于采用不同的通用函数将造成很大的误差。H扣除法确定潜热通量,当Bowen比较小时误差较小,Bowen比B>1之后误差随B的增大迅速增长。在相同的观测条件下间接法确定湍流通量以Bowen比法和组合法误差最小,实例计算表明组合法的精度最高。