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《兰州大学》 2012年
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干旱半干旱区两种典型下垫面的陆面过程模拟研究

杨启东  
【摘要】:干旱半干旱区占全球陆地面积近40%,其地表类型复杂多样,涵盖了草地,农田,沙漠,戈壁以及冻土等多种类型。这些复杂下垫面的陆面过程特征随地域和季节的变化较大,并且明显受到自然变迁及人类生活生产活动所引起的土地利用和地表覆盖方式改变的影响,因而其陆面过程在全球气候系统中占有十分重要的地位。现有的大部分陆面过程模式对干旱半干旱区典型下垫面的陆面过程模拟仍然存在较大偏差,并且陆面过程观测实验中存在的能量不闭合等问题更是增加了陆面过程模拟研究的复杂性。因此如何改进陆面过程参数化方案,发展更适用于干旱半干旱区的陆面过程模式是陆面过程研究中的重要任务。 为了提高陆面模式对干旱半干旱区典型下垫面的模拟性能,本文从以下三个方面进行了研究。首先发展了一个陆面过程模式TBLSHAW,并利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)观测资料进行验证;其次针对陆面观测实验中普遍存在的近地层能量不闭合问题,利用陆面过程模式TBLSHAW和SACOL站近地层观测资料,研究了半干旱区近地层能量闭合度对陆面过程模式的影响;最后,鉴于干旱区地表大量覆盖地膜抑制蒸发的事实,利用西北干旱区开展的“古浪非均匀下垫面近地层观测实验(GHUSLE)"中地膜覆盖农田下垫面的观测资料,建立了相应的参数化方案,发展了TBLSHAW_MULCH模式,并对干旱地区地膜覆盖农田下垫面的陆面过程特征进行了模拟研究。主要结论如下: (1)基于陆气间物质和能量平衡原理,在SHAW模式和CoLM模式的基础上发展了TBLSHAW模式。该模式吸收了CoLM模式中的双大叶模型用于计算植被与大气间的物质和能量平衡,详细考虑了植被层辐射传输,降水截留,蒸发蒸腾以及光合作用等物理过程;利用通用的土壤水热耦合传输模型计算土壤温度和湿度,并包含了土壤冻融,蒸发及降水渗透等过程;结合由SACOL站长期观测的土壤温湿及近地层资料发展而来的适用于半干旱区的部分陆面参数化方案,最后采用SHAW模式的动力框架,形成了一个土壤-植被-大气相互作用的陆面过程模式。 (2)利用SACOL站观测资料,通过模拟黄土高原半干旱区典型干季(裸土)和湿季(草地)陆面过程特征以及土壤冻融过程验证了TBLSHAW模式的模拟性能,通过对比分析观测资料和不同模式的模拟结果,发现TBLSHAW模式改善了该地区土壤水热传输过程的模拟能力。TBLSHAW模式能较好的模拟黄土高原半干旱区干湿两季的净短波和净长波辐射以及土壤温度和湿度,并能合理的反映黄土高原地区的能量分配状况,模式模拟值与相应的观测值偏差较小,模式效率较高;TBLSHAW模式能较好的模拟土壤冻融过程中土壤温度和湿度的变化,模拟的土壤温度和湿度与相应的观测值偏差较小。 (3)针对干旱半干旱区(甚至大部分地区)观测的近地层能量不闭合问题,利用2007年春季SACOL站的近地层观测资料和TBLSHAW模式,通过数值模拟和对比分析方法研究了半干旱区近地层能量闭合度对陆面过程模式的影响。结果表明:在半干旱区近地层能量不闭合将通过近地层湍流参数化方案传导到陆面过程模式中,当湍流通量低于可利用能量时,能量不闭合将使得陆面过程模式模拟的地表长波辐射和土壤温度明显较观测值偏高;而将实际观测中能量不闭合部分以某种形式分配到观测的湍流通量中,即修正观测的湍流通量使之达到近地层能量平衡,并依据修正的湍流通量发展湍流参数化方案,在不改变任何地表土壤物理生化属性的情况下,陆面过程模式能较好地模拟地表长波辐射和土壤温度。 (4)以GHUSLE实验中地膜覆盖农田下垫面观测为基础,发展了一个地膜层子模型,并建立了相应的陆面参数化方案,发展了TBLSHAW_MULCH模式,利用该模式模拟了地膜覆盖农田下垫面的陆面过程特征;同时利用相同的大气强迫数据运行TBLSHAW模式作为数值对比试验,研究了地膜覆盖对农田陆面过程特征的影响。结果表明:TBLSHAW_MULCH模式能够较好的模拟地膜覆盖农田下垫面的各项陆面过程特征,模式效率较高,模拟值与观测值的偏差较小。通过与TBLSHAW模式模拟的陆面过程特征对比发现,地膜覆盖显著地影响了陆面过程,因此在模拟干旱区地膜覆盖下垫面的陆面过程时应该考虑地膜的作用。
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