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非均匀地表条件下区域蒸发散量参数化方案研究

汪方  
【摘要】: 陆面水文过程是制约整个陆面过程及其陆~气相互作用的关键过程之一.然而,对于包括降水、径流、蒸发,土壤层储水等环节在内的整个陆面水分循环过程来说,地表物理和生态特征的非均匀性及其描述方法和陆面水文通量参数化问题,迄今仍然是困扰陆面过程模拟的挑战性难题之一。本文从陆面水文过程的物理机制出发,引进概率统计分布理论,推导出一种由非均匀土壤含水量次网格尺度空间变率所形成的非均匀蒸发散率解析表达式,从而将通常的次网格尺度地表蒸散率的参数化方案(mosaic方法),改进为考虑网格区整体非均匀性的统计-动力参数化方案。该方案以区域内土壤水分在水平空间上分布的非均匀性和相对饱和区地表蒸发力为基础,在已知土壤水分水平空间分布律的概率密度函数(PDF)和饱和区地表蒸发力的前提下,实现区域平均蒸发散量的计算。 为了证明土壤水分通量的非均匀性及其对区域蒸发的重要影响。首先从理论上推证出:由于土壤水分所存在的水平空间变率(非均匀分布,对网格区平均通量而言,可引发附加的量级与中尺度通量相当的非均匀扰动项。数值试验表明,这种因空间变率而引发的非均匀扰动项在估计区域平均通量时具有不可忽视的影响。其次,利用NOAA-AVHRR卫星遥感资料,借助于热惯量法和半经验半理论的土壤水分模型,反演了长江三角洲下垫面水分分布。并利用反演的土壤水分资料,拟合相应的概率密度函数(PDF)。结果表明,至少在夏半年(4-9月),长江三角洲地区土壤水分空间分布服从β或Weibull分布,由此提出适用于湿润气候区的土壤水分PDF。 为了更有效地计算非均匀地表蒸发力,对现行的K-B模式加以改进。试验表明,改进后的模式适用于湿润气候区的蒸发计算。用该模式对长江三角洲地区进行蒸发计算,与水热平衡法结果比较,具有较高可信度。 基于本文所提出的适用于湿润气候区非均匀地表的区域蒸散率解析表达式,一方面,充分考虑土壤表层水分状况和水力学特性,计算土壤水分吸附力;另一方面,又充分考虑大气条件,引进以Penman公式为基础的K-B模式(加以改进)计算潜在蒸发力。从而将非均匀地表区域的蒸发过程的复杂机制分解为地表层土壤水分饱和区与非饱和区影响下的通量贡献积分式,从理论上证明,网格区平均蒸散率的计算可简化为不同性质的区域加权平均。这种统计-动力参数化方案具有较大的优越性。


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