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北冰洋与青藏高原近地面边界层湍流参数研究

张雅斌  
【摘要】: 本文主要分析了北冰洋地区浮冰—大气、海洋—大气间物质能量交换的差 异,同时,使用简单生物圈模式(SiB2)模拟了我国青藏高原地区植被—大气、 土壤—大气间物质能量的交换过程。最后还对与高原下垫面能量循环密切相关 的土壤热力参数进行了定量化计算。本文目的在于对不同下垫面—大气之间的 能量物质交换过程有更进一步的比较和认识,从而为准确进行不同区域边界层 大气参数化研究有所帮助。 第一章利用中国首次北极考察队于1999年8月19日~24日在北冰洋浮冰 区获得的大气廓线和辐射等资料,依据相似理论,对比分析了北冰洋无冰海面 和冰面上热平衡参数的变化特征。结果表明,海面—大气、冰面—大气之间相 互作用的边界层物理过程差异十分明显。冰面吸收的净辐射仅为海面的6%左 右,主要消耗于感热输送和冰面融化过程,不足部分由水汽在冰面上凝结释放 的潜热和冰中的热通量来补充。海面吸收的净辐射主要消耗于潜热输送过程, 占净辐射的50%,其余热量传向水体深层和用于感热输送,分别占净辐射的26 %和24%。由此可见,在北冰洋夏季,无冰海面有大量的水汽向大气输送,这 对研究北冰洋地区大气边界层的季节变化过程是至关重要的。最后通过试验, 给出了北冰洋地区辐射的参数化方案。 第二章利用GAME/Tibet试验期间获得的安多观测站9月1日~9月16日、 MS3637观测站7月1日~7月11日自动站气象资料和土壤水文资料以及TIPEX 试验期间获得的昌都观测站5月18日~7月1日边界层观测资料,使用简单生 物圈模式(SiB2)对高原下垫面植被—大气、土壤—大气之间物质能量交换的差 异进行了计算比较。同时,将模拟的能量平衡结果与观测结果进行了对比分析, 得到的结论是:植被存在的下垫面上,感热向大气的输送主要来自于植被表面; 同时,潜热向大气的输送相当一部分来自植被的蒸腾作用。三个站的模拟结果 与实况相比,感热始终存在明显的高估现象,这是由模式对这一过程的参数化 尚不完善造成的,最后给出了解释。土壤含水量对潜热的模拟结果影响很大, 今后需要在区域边界层试验中加强这一方面的观测与研究工作。 第三章首先用Laplace变换推导了土壤热传导方程的解析解和包含热对流 项的土壤热传导方程的解析解。在1998年9月4日到10日GAME/Tibet在青 藏高原8个土壤湿度、温度廓线观测站实测资料的基础上,利用由谐波法和 Laplace变换法得到的土壤热传导方程的解析解计算了这些站的总体土壤热扩散 率;用包含热对流项的土壤热传导方程的解析解计算了土壤热扩散率。结果表 明:青藏高原地区,0.04米到0.20米深度的土壤内部,总体土壤热扩散率介 于0.30-0.98×10~(-6)m~2s~(-1)之间,土壤热扩散率的值介于0.15-0.72×10~(-6)m~2s~(-1)。由 谐波法(HM)得到的总体土壤热扩散率比由Laplace变换得到的值稍大。


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