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《兰州大学》 2017年
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干旱区地膜覆盖农田下垫面陆面过程的观测与数值模拟研究

陆莎  
【摘要】:人类活动引起的土地利用与土地覆盖变化对环境气候的影响是全球气候变化研究的热点和难点问题之一。在现代农业快速发展的背景下,塑料薄膜覆盖技术被广泛采用。塑料薄膜不仅显著改变了地表反照率等下垫面物理特征,而且人为抑制了地气间的能量和物质交换,这些改变必将通过改变陆气相互作用而给气候环境带来明显影响。为了准确地模拟研究塑料薄膜覆盖农田下垫面与大气间的能量和物质交换特征,本文首先利用中国西北“干旱区地膜覆盖农田地气相互作用观测实验”在2015年6月1日-7月24日的数据,分析了干旱区地膜覆盖农田下垫面的陆面过程特征;随后,在陆面过程模式CoLM中引入了一个地膜层子模型,建立了地表层、地膜层和土壤层的能量平衡方程,提出了地膜层的辐射传输和感热输送参数化方案,接着以观测资料为基础发展了一个地表反照率动态参数化方案,从而形成了一个新的陆面过程模式CoLM-mulch;最后,利用CoLM-mulch模拟研究了干旱区地膜覆盖条件下农田下垫面的陆气相互作用特征。同时,利用相同的大气强迫场,以及土壤和植被参数运行CoLM模式作为对比模拟试验,考察了塑料薄膜覆盖对农田下垫面陆面过程的影响。主要研究结论如下:(1)地膜覆盖农田浅层20cm以上深度处的土壤温度受灌溉影响较大,灌溉后,5cm处土壤温度的日平均值从24℃下降至19℃,而较深层40cm和80cm处土壤温度受灌溉的影响较小,其日均值变化较小。当对农田进行灌溉后,各层的土壤湿度剧增,产生明显的突变,但深层土壤湿度的变化显著落后于浅层,随着灌溉效应的消失,观测峰值后土壤湿度有明显的回落,尤其浅层5cm的土壤湿度迅速下降,而10cm、20cm、40cm和80cm处的土壤湿度缓慢减小。通过对比地膜玉米、地膜无玉米和裸土这三种下垫面的特征,发现地膜覆盖下垫面的各层土壤温度、湿度基本上都大于裸土下垫面,尤其是浅层土壤,说明地膜覆盖对土壤有一定的保温和保墒作用;同时发现地膜覆盖下垫面的向上长波、短波辐射也均大于裸土下垫面,而且地膜覆盖农田下垫面地表反照率的变化与太阳高度角和植被覆盖度有关。(2)假设地膜覆盖完全切断了土壤与大气间的水汽输送,阻断了大气与土壤呼吸产生CO_2的交换,据此建立了地表层、地膜层和土壤层的能量平衡方程,提出了地膜层辐射传输和感热输送参数化方案,便得到一个描述地膜层物理过程的子模型。同时,发现实质上地膜覆盖农田下垫面地表反照率不受土壤湿度影响,而与植被覆盖度和太阳高度角有关,从而发展了一个地表反照率动态参数化方案。进一步,将地膜层子模型耦合到CoLM模式中,并利用建立的地表反照率动态参数化方案改进CoLM模式,形成了一个可模拟大气-植被-塑料薄膜-土壤相互作用的陆面过程模式CoLM-mulch。(3)CoLM-mulch模式能够合理地模拟塑料薄膜覆盖农田下垫面土壤温度,土壤湿度,以及辐射、水热、CO_2通量的日变化特征,模式效率较高,模拟偏差较小,模式中的地表反照率动态参数化方案较为合理。对比模拟试验显示:CoLM-mulch模式模拟的各个特征量与观测值间的各个统计评估量较CoLM合理,尤其在植被覆盖度较低的时期。但同时从平均偏差值来看,CoLM-mulch模式模拟的土壤温度和土壤湿度,向上长波辐射,感热通量,以及CO_2通量均稍高于观测值,CoLM-mulch模式模拟的向上短波辐射和潜热通量较观测值偏低,而CoLM模式则相反。结果表明,塑料薄膜覆盖可以显著提高土壤温度与湿度,影响地表反照率和近地层辐射平衡,阻碍土壤水分蒸发,并抑制土壤呼吸产生的CO_2,改变地气间水热传输和CO_2收支平衡过程。
【关键词】:干旱区地膜覆盖农田下垫面 陆气相互作用 地膜层子模型 地表反照率动态参数化 CoLM-mulch模式
【学位授予单位】:兰州大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:S316
【目录】:
  • 摘要3-5
  • Abstract5-11
  • 第一章 绪论11-19
  • 1.1 研究背景及意义11-13
  • 1.2 研究现状13-17
  • 1.2.1 陆面过程野外观测现状13-14
  • 1.2.2 陆面过程模式研究现状14-15
  • 1.2.3 陆面过程研究存在的问题与发展方向15-17
  • 1.3 本文的主要研究内容17-19
  • 第二章 野外观测实验及模式介绍19-29
  • 2.1“干旱区地膜覆盖农田地气相互作用观测实验”介绍19-21
  • 2.2 陆面模式CoLM简介21-29
  • 2.2.1 模式的控制方程22-25
  • 2.2.2 模式中的参数化方案25-29
  • 第三章 干旱区地膜覆盖农田下垫面的陆面过程特征29-38
  • 3.1 引言29-30
  • 3.2 研究方法30
  • 3.3 地膜覆盖农田下垫面陆面过程特征分析30-36
  • 3.3.1 土壤温度30-32
  • 3.3.2 土壤湿度32-34
  • 3.3.3 地表辐射通量和反照率34-36
  • 3.4 本章小结36-38
  • 第四章 干旱区农田地膜覆盖条件下陆面模式的发展与改进38-47
  • 4.1 引言38-39
  • 4.2 地膜层子模型的引入39-41
  • 4.2.1 能量平衡方程39-40
  • 4.2.2 辐射传输方案40
  • 4.2.3 感热传输方案40-41
  • 4.3 地膜覆盖农田地表反照率的动态参数化41-45
  • 4.3.1 地表反照率的变化特征41-43
  • 4.3.2 地表反照率与土壤湿度的相关性分析43-44
  • 4.3.3 地表反照率动态参数化方案的提出44-45
  • 4.4 本章小结45-47
  • 第五章 干旱区地膜覆盖农田下垫面陆面过程的数值模拟研究47-62
  • 5.1 模拟试验设置47-49
  • 5.1.1 模式的大气强迫场及初始条件47
  • 5.1.2 模式的输入参数47-48
  • 5.1.3 模式评估48-49
  • 5.2 模拟验证与分析49-59
  • 5.2.1 土壤温度49-51
  • 5.2.2 土壤湿度51-52
  • 5.2.3 辐射通量52-54
  • 5.2.4 感热和潜热通量54-57
  • 5.2.5 CO_2通量57-59
  • 5.3 本章小结59-62
  • 第六章 总结与展望62-66
  • 6.1 主要结论62-64
  • 6.2 本文的创新点64
  • 6.3 本文存在问题及展望64-66
  • 参考文献66-71
  • 在学期间的研究成果71-72
  • 致谢72

【共引文献】
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