1 引言

绿洲与荒漠间的物质和能量输送是绿洲大气､生态､水文系统研究的一个关键问题.“黑河地区地气相互作用实验(HEIFE)"^[1]及其后的一系列干旱区绿洲实验研究，揭示了绿洲的“冷岛"^[2-4]和“湿岛"效应^[5].大量的绿洲野外实验观测显示，白天来自沙漠的热平流输送使得绿洲近地面层出现逆温和负感热现象^[6-8];而绿洲的水汽平流输送造成邻近绿洲沙漠近地面层的逆湿和负潜热现象^[9-10].这种逆湿和负潜热现象随离开绿洲距离的增加而逐渐消失，同时随沙漠处于绿洲上､下游位置的变化而变化.绿洲和邻近沙漠的温､湿廓线结构形成了绿洲系统独特的水､热平衡特征^[11-12]，以及绿洲风的次级环流^[13-16]和边界层结构特征^[17-20].这些研究利用实验观测､数值模拟刻画出绿洲和戈壁非均匀下垫面复杂的物质､能量输送特征.

尽管上述的湍流输送研究针对绿洲和沙漠复杂下垫面，但由于仪器的限制，早期实验多以湍流K理论和局地相似性理论等为基础，利用风速､温度和湿度廓线观测资料作分析.虽然水平湍流通量同样是能量和物质输送的重要组成部分，但理论与实验的局限性使得绿洲和戈壁水平湍流输送特征的研究较少.同时，平流输送对于绿洲和戈壁间的能量和物质输送极为重要，但是有关的研究多见于数值模拟研究，实验研究也较为少见.

另外，在戈壁干旱环境中，绿洲是水汽之源.与之相反，由于植被对二氧化碳(CO₂)的吸收作用，夏季绿洲则是CO₂ 之汇.绿洲和戈壁的水汽湍流输送研究已取得了许多有益的结果，但对CO₂ 的相关研究却仍然较少，特别是绿洲与戈壁间水汽和CO₂ 湍流输送特征的对比研究则更是少见.

本文将利用绿洲和戈壁气象塔10m 高度湍流涡旋相关法同步观测资料，对比分析不同区域温度､水汽和CO₂ 的平流通量特征;并结合近地面层温度､湿度和CO₂ 的湍流统计特征分析，对比研究绿洲和戈壁的湍流通量特征，特别是水平湍流输送特征.这不但是对非均匀下垫面湍流输送和陆面过程参数化研究的有益补充，也将为绿洲水文和生态研究做出应有的贡献.

2 研究方法

绿洲与戈壁间的能量和物质交换是通过大气平流和湍流输送实现的.对于不可压缩流体，平流通量可以直接利用三维平均风速(U_j;j=1，2，3表示笛卡儿坐标的x，y和z轴)､温度(T)､湿度(q)和CO₂(ρ_c)的观测值计算U_jT､U_jq､U_jρ_c 后确定.而对于湍流通量，目前最好的观测方法是涡旋相关法^[21-23].该方法通过快速响应传感器对风速､温度､湿度和CO₂的直接测量和相应方差､协方差u′_ju′_i(i=1，2，3类似于j)､u′_jθ′､u′_jq′､u′_jρ′_c 的计算，继而确定湍流通量.

涡旋相关法使用高频率资料，因而无法应用于数学模型.所以大气模式往往基于经典湍流输送K理论^[24]，利用速度､温度和湿度的垂直梯度资料估算其垂直湍流通量.然而，对于水平湍流通量来说，因为地形､观测高度等原因，速度､温度和湿度的水平梯度难以观测，所以大气模式中水平湍流通量的确定依赖于大气湍流相似性关系.同时，对大气湍流相似性关系的分析也是研究湍流结构的重要手段.

根据Monin-Obukhov(M-O)相似理论，定义速度､温度､湿度和CO₂ 的湍流特征尺度u_* ､θ_* ､q_*和ρ_c* 分别为^[24]

(1a)

(1b)

(1c)

(1d)

其中u′､v′ 和w′ 是三维脉动风速，u､v､w表示水平和垂直风速，θ 表示平均位温.湍流速度方差σ_u=和可以定量湍流强度的大小^[25]，而温度､湿度和CO₂ 方差，和则反映标量分布的脉动特征.利用相应的湍流特征尺度对它们做归一化处理后，对于不稳定层结，存在与M-O 稳定度参数有关的相似关系如下:

(2a)

(2b)

(2c)

其中a₁，a₂，b₁，b₂，α_x，β_x为相应的参数.M-O长度L为

(3)

式中ρ_d 是干空气密度.从高原草甸､平坦草地到沙漠､戈壁，再到农田､森林，甚至地形极为复杂的城市下垫面，虽然不同的作者给出了不同的参数^[26-35]，但相似性关系的形式基本一致.

湍流特征尺度可定量物质和能量的垂直湍流通量，速度､位温､水汽和CO₂ 方差则定量湍流强度和标量的脉动强度，而水平湍流通量可由统计量u′θ′､v′θ′､u′q′､v′q′､u′ρ′_c､v′ρ′_c 确定.为了简化问题，先将湍流通量作二维处理，定义 M′θ′ = (u′θ′+v′θ′)^1/2､M′q′ = (u′q′+v′q′)^1/2､M′c′= (u′c′+v′c′)^1/2 以研究水平湍流通量大小.温度与水平风速的协方差经归一化后有如下关系^{[26， 35]}:

(4)

α 为一系数，φ_m和φ_h为Businger风､温廓线关系的普适函数.

下面我们将利用近地面层大气观测资料，先分析绿洲与戈壁风速､温度､湿度和CO₂ 的水平差异及平流通量，随后对比分析它们的湍流相似性关系，最后比较研究绿洲与戈壁热量水汽和CO₂ 湍流通量的差异特征.

3 实验场地､观测仪器和数据处理

2008年6月到8月，国家自然科学基金重点项目“绿洲系统非均匀下垫面能量水分交换和边界层过程观测与理论研究"在甘肃金塔绿洲开展了为期两个多月的边界层观测实验.6月11日至26日，针对绿洲与戈壁间的水､热输送进行了为期16天的专项对比观测.实验中两个20m 观测塔分别设置于绿洲(40.01°N，98.93°E)和沙漠(39.99°N，98.97°E).两观测塔间相距3.66km, 沙漠塔距最近农田590m, 见图 1.绿洲塔下垫面为落差约1~2m 的三层阶梯状农田，交替种植着棉花､小麦､西红柿､玉米等多种作物.其中小麦已进入抽穗､灌浆期，其他主要作物正处于生长初期，高度约为0.4~1.0m 左右.农田东南､西北两边相距400 m, 有高度10 m 左右两排树组成的防风林，东北､西南方向相距约550 m 是高度3m 左右的民房.观测塔位于农田中部.考虑到树木数量有限，农田植被复杂，为使农田湍流观测更具代表性，在10m 高度安装一套涡旋相关系统.该系统主要由三维超声风速仪(CSAT3，Campbell, USA)和开路CO₂/H₂O 分析仪(Li7500，Li-Cor, USA)组成.为了检验其长期稳定性，用一套温湿度传感器(HMP45C，Campbell, USA)作为校准.同时，塔上架设4层风､温､湿廓线观测系统，因资料分析中未使用，故不作详细介绍.为便于比较，戈壁塔在同一高度(10m)也安装相同设备.同时塔上架设六层风､温､湿廓线观测系统和另一套涡旋相关系统(高度1.84m)，分析中部分使用了该涡旋相关系统的资料以配合10m高度的资料分析问题.为了确保绿洲与戈壁输送特征在同一背景条件下作比较，根据两个站点间距离和观测期的平均水平风速3.5m·s^-1，本研究使用30min的平均风速(期间气团位移约2倍塔间距6.3km)､温度､水汽密度和CO₂，以及湍流方差､协方差作对比分析.

为检验仪器稳定性，减少仪器误差和增加结果可比性，试验前利用新购仪器与旧仪器的30min观测资料作对比.结果表明，温度､湿度和CO₂ 的线性相关系数都为1.00，横向和纵向风速的线性相关系数分别为0.99 和1.00，而垂直风速的线性相关系数为0.98.经对比修正后，两套仪器的温度偏差小于±0.6 ℃，相对误差不超过±6%;湿度偏差小于±0.3g·m^-3，相对误差也不超过±6%;CO₂ 偏差小于1.72mg·m^-3;相对误差不超过±1%.水平横向风速偏差小于±0.49m·s^-1，水平纵向风速偏差小于±0.35m·s^-1，垂直风速偏差小于±0.006m·s^-1.据此可估算温度､湿度和CO₂ 水平平流通量误差分别小于±0.29K·m·s^-1，±0.15g·m^-2·s^-1和±0.84 mg·m^-2·s^-1;它们的垂直平流通量误差分别小于±3.6×10^-3K·m·s^-1，±1.8×10^-3g·m^-2·s^-1和±1.03×10^-2mg·m^-2·s^-1.

相似性关系分析中，当垂直湍流通量较小，相对误差较大时会造成奇异值.因此作如下资料筛选:湍流脉动分析中，根据CSAT3的水平风速分辨率1×10^-3m·s^-1､垂直速度分辨率5×10^-4m·s^-1和超声温度分辨率0.025 K¹⁾，计算的摩擦速度约为0.03m·s^-1.同时考虑到本资料中摩擦速度u_* <0.05m·s^-1时对应着极不稳定和极稳定层结条件.所以在局地相似性分析时排除了u_* <0.05m·s^-1的资料.其次，根据CSAT3 垂直速度和温度分辨率，使其相对于垂直速度和温度脉动量的误差都小于10%后，协方差w′θ′ 计算值不应小于1.25×10^-3K·m·s^-1.参考这个量级，并利用观测点平均空气密度1.01 kg·m^-3和定压热容量1004J·kg^-1，排除感热通量H<10 W · m^-2 的资料.类似处理，根据Li7500在10 Hz频率时水汽和CO₂ 的RMS 噪声3.3mg·m^-3和0.19mg·m^-3，使噪声小于测值的10%左右，因此排除潜热通量λE<10 W·m^-2 和CO₂ 通量w′c′<10^-3 mg·m^-2 ·s^-1 的资料.而且在资料分析前，对通量观测数据做了相应的超声温度修正､湿度的氧气修正､频率修正^[36]和Webb 修正^[37]等有关的数据处理.21 日发生沙尘天气，水汽和CO₂ 观测值可信度差，因此有关资料在湍流方差和通量分析中也被排除.

1) CSAT3 Three Dimensional Sonic Anemometer: Instrument Manual. http://www.campbellsci.com/documents/manuals/csat3.pdf.2010.03.21

另外，最初的资料分析发现，因为绿洲塔周围1km内都是农田，不同风向条件下，平流和湍流通量特征不存在本质区别.所以在资料分析中不区分风向.而戈壁观测点距离绿洲较近.根据图 1，以正北为0°，80°到180°扇面内东南方向的风来自戈壁(记为ES)，其他方向的风来自绿洲.整个观测期间，只有6月12日17∶00 到13 日14∶00 时段上风向为戈壁区.在分析中将对此时段通量作比较说明.

4 绿洲与戈壁风场､温度､湿度和CO₂平流输送特征

考虑到大气的连续性和30min的时间尺度，绿洲和戈壁两点观测可以代表研究区域的平流通量.

4.1 绿洲与戈壁风场特征

图 2给出了绿洲和戈壁观测点风速比较，其网格线以每天日出后半小时的北京时间6∶00 分割(后文中日变化图的网格线与其一致)，R为两观测点风速的相关系数.图 2 中虚线框住的淡灰色部分是ES时的情况(后文图 3､图 4和图 9虚线框与图 2的相同).结果显示，戈壁水平经向风速变化范围-6.21~6.15 m·s^-1，水平纬向风速变化范围-7.03~10.75m·s^-1.利用涡旋相关资料估算^[38]，受防风林和农田植被影响，绿洲内粗糙度增加到0.06m, 位移高度增加到0.57m.因此处于同一高度(10m)的绿洲风速较小，水平风速减小为经向风速-3.53~3.68 m·s^-1，纬向风速-3.56~6.67m·s^-1.两观测点对应的水平风速相关系数为0.92.而且易受局地风速切变和能量交换影响，一般量级为10^-2 m·s^-1的垂直风速的相关系数也达到了0.46.这表明，处于同一背景风场控制下，绿洲与戈壁观测点风速随时间具有相同的变化趋势.观测期内戈壁基本为上升气流，垂直风速量级从-0.09~0.45m·s^-1，而绿洲基本为弱的下沉气流，量级变化从-0.29~0.11m·s^-1，结果与其他学者对该绿洲局地环流的观测和数值模拟结果一致^{[19， 13， 10， 15]}.当受到天气过程影响时，如22 日沙尘天气结束的当天，受冷气团的影响，绿洲出现上升气流.根据绿洲和戈壁风场对比结果可知，相距3.66km 的两观测点在同一背景风场控制下，这为平流和湍流输送特征的对比研究奠定了基础.

4.2 绿洲与戈壁温度､湿度和CO₂ 的水平差异

绿洲内农田植被的生长和灌溉过程，使得绿洲与戈壁的温度､湿度和CO₂ 存在显著差异.图 3 给出试验期间，绿洲和戈壁的温､湿度相对差值百分数随时间的变化情况.结果表明，绿洲温度比戈壁温度长期低约5%左右，在特定情况下，如18 日受干热气团影响，和20日风速较小时，绿洲比戈壁温度低，最大偏低18%;而随着农作物生长及灌溉量增加，湿度相对差值由最初的20%左右增加到60%左右，最大差值达到109%;当ES 时，由于上风向是戈壁下垫面，所以白天湿度相对差值较大.由于人类活动影响，绿洲CO₂ 在初期较戈壁平均高5%左右.随着农作物生长，绿洲CO₂ 比戈壁平均减少9%左右.图中6月19日CO₂ 相对值出现的奇异点是由于草木燃烧造成的.试验期间，绿洲和戈壁温度､湿度和CO₂ 相对差值同时具有明显的日周期变化.两观测点间温度､湿度和CO₂ 的显著差异，为非均匀下垫面湍流输送研究提供了理想的条件.

4.3 绿洲与戈壁平流输送通量比较

图 4给出了绿洲和戈壁10m 高度三维风场对热量､水汽和CO₂ 输送通量的对比结果.其中图 4a､4b 和4c分别是经向､纬向和垂直方向的热量平流通量.因大气热量通量由焓描述，需考虑温度参照值^[39]，因此我们简单取0 ℃作为参照点.结果显示，多数情况下戈壁水平平流热通量(后文简化为热通量)为0~150K·m^-2·s^-1左右，比绿洲水平热通量大0~90K·m^-2·s^-1左右.而且随温度增高，热通量差值增大.在凌晨温度变化转折点附近，戈壁和绿洲水平热通量较为接近.绿洲和戈壁间的水平热通量差异表明，有戈壁向绿洲的净热量输送.在垂直方向，戈壁平流热通量观测值为-2.81~10.27K·m^-2·s^-1左右.一般在上升气流作用下，戈壁向更高层大气输送部分热量.而绿洲垂直热通量观测值为-6.61~2.89K·m^-2·s^-1左右，多数情况下绿洲上空有垂直向下热量输送.这意味着，由戈壁输送到绿洲上层大气的热量在下沉气流的作用下向绿洲低层大气输送.这正是维持“绿洲效应"和绿洲稳定性发展的一个机制^[40].不同的情况出现在22日，受上空冷空气的影响，绿洲通过上升气流向上输送热量.

绿洲是该区域的水汽之源，而戈壁地表温度高，含水量稀少.图 4d､4e和4f分别是经向､纬向和垂直方向的水汽平流通量.由于绿洲较小的风速和较大的湿度，以及戈壁较大的风速和较小湿度，结果导致绿洲和戈壁水平平流的水汽通量不存在较大差异，同为-60~80g·m^-2·s^-1左右.进一步分析可知，正是由于下垫面粗糙度增大和低温形成的高压和辐散中心，使10 m 高度的绿洲风速比戈壁的小^[15]，因而减少了绿洲向戈壁的平流水汽通量输送.另外，因为戈壁湿度相对较小，即使与绿洲相比戈壁的上升气流较强，但向上的垂直平流水汽通量也只有-0.38~3.68g·m^-2·s^-1左右.甚至在个别特殊情况下，有下沉气流将少量水汽向低层大气输送.而绿洲在下沉气流作用下，水汽向下输送，垂直水汽通量可达-4.18~0.28g·m^-2·s^-1左右.综上所述，无论水平还是垂直平流输送过程，都减弱了绿洲的水汽输送损耗.这与前人的理论研究相一致^[40].

CO₂ 的水平经､纬向和垂直向输送通量分别由图 4g､4h 和4i给出.据图可知，绿洲观测点水平平流CO₂ 通量为-2.0~2.4g·m^-2·s^-1左右，戈壁水平平流CO₂ 通量为-4.0~4.7g·m^-2·s^-1左右，约为绿洲水平CO₂ 通量的两倍左右，有戈壁向绿洲的水平CO₂ 净输送.垂直方向的CO₂ 输送与水汽相似，多数情况下戈壁上升气流将CO₂ 浓度较低的空气输送到上层大气，其输送通量为-50.7~193.1mg·m^-2·s^-1;而绿洲下沉气流将戈壁输送来的CO₂ 浓度较高的空气输送到低层大气中，输送通量为-143.7~27.9mg·m^-2·s^-1.

图 4虚线框中来自戈壁的风对热量和CO₂ 平流通量的影响并不显著.但来自戈壁的干空气造成绿洲和戈壁水汽的水平平流通量差值有所增大.

综合上述结果，在平流作用下，有戈壁向绿洲的净热量和净CO₂ 输送;相反有绿洲向戈壁的净水汽平流输送.在不同的平流输送条件下，应具有对应的湍流输送特征.

5 绿洲与戈壁湍流统计特征及输送通量比较

对于绿洲､戈壁这样的动力和热力非均匀下垫面，在湍流输送特征研究前，了解它们各自近地面层的湍流动力特征显然是有益的.

5.1 湍流速度方差及湍流动量通量比较

观测期间，受植被层影响，绿洲中摩擦速度u_* 为0.03~0.7m·s^-1左右，大风时可达1.1m·s^-1左右.而戈壁地表平坦，摩擦速度u_* 为0.03~0.67m·s^-1.总体而言，绿洲摩擦速度大于戈壁摩擦速度(图略).

图 5a､5c 和5e给出了绿洲和戈壁不稳定层结条件下归一化湍流速度方差(后文简称速度方差)σ_u/u_* ､σ_v/u_* 和σ_w/u_* 与稳定度参数-z/L的函数关系.对应的5b､5d 和5f是两个观测点稳定层结条件下的情况，图中同时给出了观测值的拟合曲线.拟合曲线都满足方程(2a)和(2b)，速度方差都是稳定度参数z/L的1/3次幂函数.相应的拟合参数在表 1中给出，表中同时给出马耀明等^[34]，Panofsky等^[27]和Wang和Mitsuta^[41]在不同下垫面条件下所得结果.对比结果表明，本文确定的参数与前人所得结果较为接近.水平速度方差随下垫面粗糙度增加而减小，这与其他学者的研究结果一致;不同的是，垂直速度方差随下垫面粗糙度增加而增大^[42].但是无论如何，绿洲和戈壁的湍流动力特征不存在物理本质上的差异.

5.2 温度､湿度和CO₂ 的湍流统计特征比较

为了分析绿洲与戈壁温度､湿度和CO₂ 的湍流通量特征，我们利用相似性关系(2c)，对比分析在不同大气层结条件下，绿洲和戈壁各标量归一化方差(后文简称方差)的相似性关系;水平湍流的归一化风速标量协方差(后文简称协方差)与相应标量方差间的关系;以及水平湍流通量和垂直湍流通量比值随稳定度参数z/L的变化.初步分析发现，一般情况，不稳定层结条件下z/L<0，对应θ_* <0，q_* <0，ρ_c* >0;而稳定层结条件下z/L>0，对应θ_* >0，q_* >0，ρ_c* <0.因此为了更合理地展示各种条件下的相似性关系，对应不同层结条件，图示中归一化量的正负号作了相应变化.对于戈壁观测点，当ES时，因为潜热通量太小，在资料筛选后仅剩余个别数据，不具有统计意义，所以本节分析中戈壁观测点没有包括该风向资料.

图 6是绿洲和戈壁位温的湍流统计特征比较.其中图 6a和6d分别是不稳定层结条件下，位温方差-σ_θ/θ_* 随稳定度参数-z/L的变化关系和稳定层结条件下σ_θ/θ_* 随z/L的变化关系.图 6b和6e分别是不稳定层结条件下，风速温度协方差M′θ′/(-u_*θ_* )随-σ_θ/θ_* 的变化和稳定层结条件下M′θ′/(u_*θ_* )随σθ/θ_* 的变化.图 6c和6f分别是相应条件下，M′θ′/(-u_*θ_* ) 随-z/L和M′θ′/(u_*θ_* )随z/L的变化.由图可知，在不稳定层结条件下，绿洲和戈壁的-σ_θ/θ_* 是-z/L的-1/3次幂函数，满足方程(2c);-σ_θ/θ_* 和M′θ′/(-u_*θ_* )间具有线性相关性，其相关系数分别为0.51和0.71，M′θ′/(-u_*θ_* )满足方程(4)，在近中性的弱不稳定层结时，水平湍流热通量大于感热通量的值.当大气层结不稳定性增强时(z/L＜-0.7)，水平湍流热通量小于感热通量.在稳定层结条件下，绿洲､戈壁的σ_θ/θ_* 随z/L的变化虽然不同于不稳定层结时的情况，但不同观测区的变化趋势一致.σ_θ/θ_* 和M′θ′/(u_*θ_* )间的线性相关系数也分别达到了0.59和0.69.M′θ′/(u_*θ_* )随z/L的变化表明，弱稳定层结时σ_θ/θ_* 有较大比值，但水平湍流热通量小于感热通量，随层结稳定性增强M′θ′/(u_*θ_* )有增大的趋势，出现水平湍流热通量大于感热通量的现象.对于不稳定和稳定层结条件下，速度方差和M′θ′/(u_*θ_* )或M′θ′/(-u_*θ_* )间的相关性分析得到了相关系数接近0的结果(图略).

与位温类似，湿度湍流统计特征在图 7中给出.结果显示，在不稳定层结条件下，绿洲湿度方差-σ_q/q_* 是-z/L的-1/3次幂函数，但戈壁湿度不再具有类似(2c)的相似性关系，且湿度湍流脉动方差-σ_q比湿度特征尺度q_* 都大2倍以上(图 7a);尽管如此，绿洲和戈壁风速湿度协方差M′q′/(-u_*q_* )与-σ_q/q_* 仍然都具有一定的线性相关性，其相关系数为0.71和0.61(图 7b);对于稳定层结条件，绿洲和戈壁湿度方差σ_q/q_* 随z/L的变化趋势一致(图 7d)，近中性稳定层结条件下，σ_q/q_* 近似为一常数，随着z/L增大，σ_q/q_* 呈增大趋势;M′q′/(u_*q_* )与σ_q/q_* 间同样具有较大的线性相关系数0.72 和0.81(图 7e);综合图 7c和7f分析M′q′/(-u_*q_* )随-z/L和M′q′/(u_*q_* )随z/L的变化.绿洲除在较强不稳定条件下(z/L＜-1.7)，水平湍流水汽通量小于垂直湍流水汽通量外，在稳定和较弱的不稳定层结条件下，绿洲水汽水平湍流通量都大于其垂直湍流通量.速度方差与M′q′/(-u_*q_* )或M′q′/(u_*q_* )间同样不具有相关性.

CO₂ 的湍流统计特征对比见图 8.在不稳定层结条件下，绿洲和戈壁的CO₂ 方差σ_c/ρ_c* 是-z/L的-1/3次幂函数(图 8a).而戈壁少于1/10的资料(约16个)有较大离散，分析后发现这些资料是日出前后和晴天转阴条件时的结果.这可能与该时段较复杂的CO₂ 分布特征有关;绿洲和戈壁风速CO₂ 协方差M′ρ′_c/(u_*ρ_c* )与σ_c/ρ_c* 具有较大的线性相关系数0.78 和0.74(图 8b).对于稳定层结条件，图 8d显示，当近中性稳定层结时，绿洲和戈壁-σ_c/ρ_c*近似为一常数，随着z/L增强，-σ_c/ρ_c* 都呈增大趋势;同时，M′ρ′_c/(-u_*ρ_c* )与-σ_c/ρ_c* 间的线性相关系数分别为0.64和0.59(图 8e).综合图 8c和8f，绿洲和戈壁除在较强不稳定条件下(z/L＜-1.4)，水平湍流CO₂ 通量小于垂直湍流CO₂ 通量外，在稳定和较弱的不稳定层结条件下，水平湍流CO₂ 通量都大于垂直湍流CO₂ 通量.最后，速度方差与M′ρ′_c/(u_*ρ_c* )或M′ρ′_c/(-u_*ρc_* )间的相关分析显示，它们不具有相关性.

根据上述结果，湍流动能对于水平和垂直湍流通量分布没有显著影响，但标量的湍流脉动特征影响湍流通量的三维空间分布.绿洲的温度､湿度和CO₂ 方差与大气层结稳定度满足相似性关系，它们的水平和垂直湍流通量间的比值在一定程度上也满足相似性关系.在戈壁，只有温度和CO₂ 方差，以及它们的水平和垂直湍流通量比值随大气层结稳定度变化满足相似性关系.但湿度方差不再满足相似性关系(2c)，而且湿度水平湍流通量总大于垂直湍流通量.

5.3 绿洲与戈壁间热量､水汽和CO₂ 湍流通量的比较

图 9(a—i)分别给出了绿洲和戈壁位温､湿度和CO₂ 的湍流输送通量特征值w′θ′､θ_* ､M′θ′､w′q′､q_* ､M′q′､w′ρ′_c､ρ_c* 和M′ρ′_c 的日变化曲线.结果显示，绿洲向上层大气输送的热通量为-0.13~0.09K·m^-2·s^-1，白天多出现负感热通量现象.而绿洲水平湍流热通量量级通常为0.01~0.25K·m^-2·s^-1，偶尔出现一些极大值，最大可达1.64K·m^-2·s^-1.戈壁以较大的热通量-0.06~0.42K·m^-2·s^-1向上层大气输送热量.其水平湍流热通量比绿洲大几倍，通常量级为0.02~1.02K·m^-2·s^-1，偶尔出现的最大极值可达3.47K·m^-2·s^-1.在风速较小条件下，出现戈壁水平湍流热通量小于绿洲的情况.

绿洲潜热输送为大气提供了充足的水分.随着植物生长，10m 高度最大水汽垂直通量达到0.4g·m^-2·s^-1，个别夜间的水汽凝结造成的向下水汽输送约-0.02g·m^-2·s^-1.在戈壁上，10 m 高度的水汽垂直通量观测值为-0.01~0.09g·m^-2·s^-1.与胡隐樵等^[7]研究结果不同，观测期间只出现少量负潜热通量，即逆湿现象.当与较低高度湍流水汽通量作比较(图略)研究后发现，1.84m 高度湍流水汽通量出现较多逆湿现象.对应的691组湿度廓线中，当戈壁处于下风向时，有497组湿度廓线在10m和1.84m 高度间存在湿度极大值.这与张强和赵鸣^[9]的论文图 2的下游戈壁结果类似.在此可推论，因为戈壁观测点视野的一半以上处于绿洲的环绕包围中，其主风向多从绿洲吹向戈壁，戈壁的水汽主要来源于绿洲的水平平流输送，导致戈壁低层大气出现湿度极大值，继而造成10m 和1.84m 的水汽通量方向相反.绿洲的水汽水平湍流通量大于戈壁的，但两者的差值比它们的垂直湍流通量之差小.

对于CO₂ 湍流输送，排除19日的人为影响，试验期间绿洲的CO₂ 垂直通量为-2.75~0.16mg·m^-2·s^-1.白天为负值，夜间为正值.其水平CO₂ 通量为0.03~20 mg·m^-2·s^-1，平均为2.05 mg·m^-2·s^-1，偶尔出现一些较大的值.无论水平和垂直CO₂ 通量都呈日周期变化.戈壁垂直CO₂ 通量日变化的位相与绿洲的一致，只是振幅较小，约为-0.57~0.87mg·m^-2·s^-1.而水平CO₂ 通量约为0.005~13mg·m^-2·s^-1，有时比绿洲的水平通量大，平均为1.22mg·m^-2·s^-1.其变化趋势也基本与绿洲的一致.

图 9虚线框中当ES时，对于戈壁观测点，与来自绿洲的风相比，除水汽垂直湍流通量略小外，其他湍流通量没有显著差异.

前人研究表明，一般情况下平流通量比湍流通量大得多^[24].为此，我们利用图 4 和图 9 对比了绿洲､戈壁热量､水汽和CO₂ 的平流通量和湍流通量.结果显示，一般在绿洲和戈壁上，水平平流热通量的量级可高达102 K·m^-2·s^-1，垂直平流热通量的量级则高达101 K·m^-2·s^-1;水平湍流热通量的量级可达101 K·m^-2·s^-1，垂直湍流热通量量级达10^-1 K·m^-2·s^-1;而绿洲和戈壁水平平流水汽通量的量级都达10¹g·m^-2·s^-1，垂直平流水汽通量的量级则达10⁰g·m^-2·s^-1;对于水平湍流水汽通量，绿洲和戈壁上的量级可达10⁰g·m^-2·s^-1;绿洲垂直湍流水汽通量量级达10^-1g·m^-2·s^-1，戈壁垂直湍流水汽通量量级为10^-2g·m^-2·s^-1;绿洲和戈壁CO₂ 的水平平流通量的量级都达10⁰g·m^-2·s^-1，垂直平流CO₂ 通量的量级则达10^-1g·m^-2·s^-1;对于水平湍流CO₂ 通量，绿洲和戈壁上的量级最高达10^-2g·m^-2·s^-1;绿洲垂直湍流CO₂ 通量量级达10^-3g·m^-2·s^-1，戈壁垂直湍流CO₂ 通量量级为10^-4g·m^-2·s^-1.综上对比结果可知，在绿洲和戈壁，热量､水汽和CO₂ 的平流通量和湍流通量相比，平流通量一般比湍流通量大1到2个量级，甚至更大.显然，干热的戈壁大气，形成了低压辐合区，对应的冷湿绿洲是高压辐散区(图略).即绿洲的“冷岛效应"驱动了局地环流^{[40， 10， 15]}，继而造成了绿洲和戈壁间较大的平流输送，特别是垂直平流输送通量.这使得绿洲获得了戈壁输送来的热量和CO₂，同时也向戈壁输送了大量的水汽.另外，较大的水平温度､湿度和CO₂ 差异也造成了绿洲和戈壁较大的水平湍流通量.

6 结论

绿洲和戈壁热量､水汽､CO₂ 的平流和湍流通量试验对比表明，标量平流通量比其湍流通量大1到2个量级.绿洲与戈壁间的热量､水汽､CO₂ 交换主要通过平流输送得以实现.两区域实测平流通量比较再次证实，绿洲是热量和CO₂ 之汇，水汽之源.

湍流通量对比研究表明:(1) 无论在绿洲还是戈壁，稳定或者不稳定层结，温度､湿度和CO₂ 三个标量和水平速度的协方差与对应标量方差为线性相关关系，而与水平速度方差无相关性.(2) 在不稳定层结条件下，除戈壁湿度外，戈壁温度和CO₂ 以及绿洲温度､湿度和CO₂ 的方差都满足相似性关系，但戈壁CO₂ 方差有时有较大离散;在稳定层结条件下，绿洲和戈壁标量方差随稳定度参数z/L的变化趋势都一致，只是近中性时绿洲温度方差离散性较大.(3) 绿洲温度､湿度和CO₂ 水平通量与垂直通量之比随稳定度参数z/L变化.当大气层结为弱不稳定时，它们的水平通量大于其垂直通量，随着层结不稳定性增强，垂直湍流输送增强，垂直通量逐渐大于水平通量.在稳定层结条件下，近中性层结时，湿度和CO₂ 水平通量大于其垂直通量.它们的水平和垂直通量之比都近似为常数;随着层结稳定性增强，湍流被抑制，可能受湍流间歇性影响，湿度和CO₂ 水平与垂直通量之比与z/L函数关系的离散性增大，相关性减小，多数的水平通量大于垂直通量;但温度水平通量在近中性层结时小于其垂直通量，并随z/L增大，水平通量逐渐大于其垂直通量.在戈壁，温度､CO₂ 水平通量与垂直通量之比随稳定度参数z/L的变化与绿洲的基本类似，但不稳定层结时，出现较大的CO₂ 水平通量;受绿洲相对较大的平流水汽输送影响，在不稳定层结条件下，戈壁具有较大的水平水汽湍流通量，而且水平通量与垂直通量之比不随稳定度参数z/L变化;但是在稳定层结条件下，湿度的水平和垂直通量关系与绿洲的类似.

对比分析绿洲､戈壁水平和垂直湍流通量分布特征可做如下推断:具有较大量级的平流通量是绿洲和戈壁间能量和物质水平输送的主要过程.戈壁较大的水平风速将CO₂ 输送到绿洲后，在水平风速较弱，并且伴随着下沉气流的条件下，并未堆积形成高CO₂ 浓度，而是出现低浓度的情况.除化学反应外，唯一可能的原因就是湍流将CO₂ 输送到地表，被植物吸收贮存.那么使绿洲近地面层CO₂ 浓度减少的主要过程就是垂直湍流输送.对应的CO₂ 方差和CO₂ 风速协方差都满足相似性关系.与之不同，绿洲水汽经平流输送到戈壁后，不但其水平平流通量差值不大，而且垂直湍流输送并未对戈壁湿度分布造成大的影响.伴随的湍流通量特征就是，湿度方差和风速湿度协方差都不满足相似性关系，即使在强不稳定层结条件下，水平水汽湍流通量也是垂直湍流通量的几倍到几十倍.