Knowledge Resource Center for Ecological Environment in Arid Area
| DOI | 10.27248/d.cnki.gnjqc.2021.000002 |
| 青藏高原西部戈壁地表能量平衡特征与湍流通量参数化研究 | |
| 赵兴炳 | |
| 出版年 | 2021 |
| 学位类型 | 博士 |
| 学位授予单位 | 南京信息工程大学 |
| 中文摘要 | 地表能量平衡过程对净辐射进行分配与转换,是地表辐射收支的重要组成部分,是气候格局形成及变化的重要影响因素,不同地表的能量平衡特征存在很大的差异,探究各种地表的能量平衡特征具有重要意义。整体空气动力学方法在天气和气候模式中广泛应用,动力、热力粗糙度和稳定度等陆面参数是其工作之前提。青藏高原对高原及其周边地区,乃至东亚的天气气候的形成都有着重大的影响,但关于青藏高原西部的研究长期缺乏。因此,在青藏高原西部狮泉河镇建设近地层综合观测实验站,利用实验站获取的长期观测数据,分析该地区的能量平衡特征,计算陆面过程关键参数,评估稳定度参数化方案对于数值模式模拟该地区陆面过程的影响,可在一定程度上补充青藏高原西部陆气相互作用过程观测与研究的不足。主要结论如下:(1)分析了狮泉河常规气象要素变化特征,辐射平衡过程和地表能量平衡过程的月平均日变化和季节变化特征,地表能量闭合情况及形成原因。狮泉河站以较弱(年平均2.17 m·s~(-1))的偏西气流为主导(年偏西风频次59.2%),气温季节变化明显,湿度较小(分析时段平均比湿2.6 g kg~(-1))但干湿季分明,受季风影响降水集中在6-9月,气压变化符合典型高山气压变化特征。辐射平衡分量(向下短波辐射、向上短波辐射、向下长波辐射和向上长波辐射),热量(感热通量、潜热通量和土壤热通量)和CO_2通量均具有明显的日变化。净辐射主要受向下短波辐射影响,向下长波辐射变化幅度(最大50 W m~(-2))比向下短波辐射变化幅度(最大1078.24 W m~(-2),最小632.14 W m~(-2))和向上长波辐射变化幅度(最大218.88 W m~(-2),最小132.67 W m~(-2))都小。干季潜热通量日变化很小,不超过5 W m~(-2)。夏季下午(冬季午夜)CO_2通量表现为明确的碳汇(源),强度可达0.1 mg m~(-2) s~(-1),可能是由土壤中生物和化学过程引起的,年平均而言,这种源、汇的作用可相互抵消。辐射、湍流通量和土壤热通量逐日白天(北京时10:00–19:00)平均序列具有明显的季节变化,各物理量的最大值都出现在夏季,最小值出现在冬季。感热通量和土壤热通量是主要能量支出项,潜热通量在湿季可达到净辐射的20%。能量闭合率,夏季月份在0.6以上,冬季在0.5左右,实验期间平均为0.58。(2)计算分析了青藏高原西部狮泉河的陆面过程参数和土壤热属性参数,结果表明:狮泉河站的零平面位移和动力粗糙度,各方位存在差异,零平面位移和动力粗糙度随方位的变化与各方位的粗糙元分布一致,平均而言动力粗糙度为5.58×10~(-2) m,零平面位移为0.44 m。热力粗糙度与大气层结状态有关,边界层大气层结以不稳定为主,Z95方案计算的不稳定层结热传输附加阻尼k B~(-1)与基于观测数据采用Monin-Obukhov相似理论计算的结果分布最为接近。狮泉河地表反照率变化范围为0.18～0.24,全年平均为0.2,与沙漠和戈壁下垫面相当。狮泉河站土壤热容量、土壤热传导率、土壤热扩散率和土壤水通量密度年平均值依次为0.95×10~6 J m~(-3)K~(-1)、0.24 W m~(-1)K~(-1)、2.73×10~(-7) m~(-2) s~(-1)和0.12×10~(-5) m s~(-1),受降水影响有微弱的变化,与塔克拉玛干沙漠和敦煌戈壁的观测结果较一致。狮泉河干旱少雨,下垫面状况稳定,与所在区域一致,因此地表反照率、土壤属性参数具有区域代表性,可供相关研究参考。(3)基于Noah LSM评估了5种常用的稳定度参数化方案对陆面模式模拟青藏高原西部陆面过程的影响。结果表明Noah LSM能够模拟出高原西部动量通量、感热通量、向上长波辐射和土壤温度等的日变化趋势和季节特征,模拟结果对采用的稳定度参数化方案敏感,改进稳定度参数化方案可以提高陆面模式的模拟能力。与Noah LSM默认迭代方案相比,非迭代方案在计算效率方面具有优势。根据模型效率指数、相关系数、平均偏差、均方根偏差等统计参量综合评价,Li等提出的方案表现最佳,其动量通量,感热通量,向上长波辐射以及10和40 cm土壤温度的模拟效率分别比Noah默认方案高1%,88%,8%,6%,和13%,该方案更适合于不稳定情形,而青藏高原西部狮泉河及类似地区不稳定情形发生频率较高,因此,该方案具有改善青藏高原陆面模型的潜在应用价值。 |
| 中文关键词 | 青藏高原西部 ; 地表能量平衡 ; 陆面过程参数 ; 稳定度方案 |
| 语种 | 中文 |
| 国家 | 中国 |
| 中图法分类号 | P422.4 |
| 资源类型 | 学位论文 |
| 条目标识符 | http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/373132 |
| 作者单位 | 南京信息工程大学 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 赵兴炳. 青藏高原西部戈壁地表能量平衡特征与湍流通量参数化研究[D]. 南京信息工程大学,2021. |
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