| 题名 | 非均匀边界层特征与陆面过程参数化的初步研究 |
| 作者 | 左洪超 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2004 |
| 授予单位 | 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 |
| 授予地点 | 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 |
| 导师 | 吕世华 |
| 关键词 | 非均匀下垫面 边界层 陆面过程 地球系统气候 全球气候变化 蒸发皿观测的蒸发量 绿洲 荒漠环境 冷岛效应 逆湿现象 内边界层 |
| 其他题名 | A Preliminary Study about Boundary-Layer Characteristics and Land Surface Parameterization over Heterogeneous Underlying Surfaces |
| 中文摘要 | 陆面过程是地球系统科学的重要组成部分，它决定着陆地表面的物质能量交换特征，从而深刻地影响着全球大气环流和气候的基本特征。在气候模式中，各个圈层之间的相互作用是通过陆面过程模式来实现的。陆面过程模式要求能最大限度地真实地反映地球表面的物理与生物化学过程，其核心问题是研究地表与大气交界面物质能量交换规律，以便正确地确定交界面的通量与参数化方案。在现阶段，边界层和陆面过程的研究中下垫面水平均匀的假定是关键，大部分的野外观测试验也是在均匀下垫面上进行的。目前陆面过程参数化方案是基于均匀下垫面边界层理论建立的。相应地陆面过程模式基本上都是基于Doardorff（1972年）的大叶模型思想，分别构造了适用较湿润地区，且较稠密、均一的植被下垫面上的。真实的自然陆面具有多重尺度的非均匀性。自然界中存在如海陆交界处的大尺度非均匀性；又存在如干旱地区从几米尺度的稀疏草原，到几公里尺度的交错分布的林田，再到几十公里尺度的沙漠绿洲等中小尺度的非均匀性。当将上述陆面过程模式应用在干早区非均匀下垫面上时，他们有可能带来不可忽视的误差。再者，在各类数值模式的分辨率日趋提高的今天，这些研究不仅是非常必要的，而且也是陆面过程模式急迫解决的问题之一。所以必须展开非均匀边界层和陆面过程的研究。非均匀下垫面陆面过程的核心问题是如何定量分析陆面非均匀性对地表与大气交界面物质能量交换过程的影响，并将它们有效地参数化。问题的焦点是如何揭示出各种各样非均匀的复杂下垫面的共同基本特征以及能量物质输送的一般规律。本文利用包括“黑河地区地气相互作用野外观测实验研究（HEIFE）”、“中国西北干旱区陆—气相互作用实验（DHBX）”及“全球能量水循环之亚洲季风青藏高原实验（GAME／Tibet）”三个大型综合野外观测实验的资料和一些常规气象站的观测资料，分析总结非均匀下垫面边界层和陆面过程的基本特征和规律，对比检验现有陆面过程模式方案的不足，提出一种非均匀陆面过程的参数化方案，并对之进行检验，根据现有的研究成果提出了一些适合干旱区绿洲环境建设对策。主要结论如下：（l）关于内边界层方面，（a）内边界层现象是下垫面参量非均匀和平流或局地环流共同作用的产物。观测资料分析表明它们在自然界中普遍存在，但它们的强度和特征可能有所不同。非均匀下垫面的相互作用可以显著地影响近地层的物质和能量交换，造成局地能量不平衡和局地水分不平衡。（b）冷岛效应和逆湿现象是内边界层现象，它们是由下垫面参量非均匀相互作用的造成的。利用在我国西北地区进行的三个大型综合野外观测实验的资料，分析研究了冷岛效应和逆湿现象的完整物理图像和形成机制，总结出了其发展的概念模型。（c）现在的陆面过程模式还不能正确的刻画冷岛效应和逆湿现象对地表水分转化过程和能量转化过程。（2）关于非均匀陆面过程参数化和数值模拟，（a）冬季近地层的大气湿度与土壤含水量的相关较好，但是它们的对应关系图上的图像点还是很分散的；夏季近地层的大气湿度与土壤含水量的相关很差，或者说，它们就根本不相关。（b）利用实际观测资料对a方案中二种参数化方法的检验表明，在冬季第一种和第二种参数化方法计算的近地层大气湿度与1.0米处观测的大气湿度相比都比较差，但相比之下，第二种参数化方法的稳定性远好于第一种参数化方法；而在夏季，由于戈壁土壤非常干燥，第一种和第二种参数化方法计算的近地层大气湿度都非常小，基本上为O，连最基本的日变化都无法反映出来。（c）不考虑非均匀相互作用的陆面过程模式，在发生逆湿现象时，地表产生虚假的凝结现象，它最终使得近地层大气湿度增加。（d）针对逆湿现象建立了一种合理的陆面过程参数化方案。新建立的陆面过程模式与三阶湍流闭合边界层模式祸合成的二维边界层模式能较成功地模拟绿洲和沙漠环境相互作用在戈壁上形成戈壁一绿洲内边界层结构，通常所说的戈壁逆湿就是它的一个重要方面。（3）关于典型非均匀陆面过程分析，（a）用蒸发皿观测蒸发量时，蒸发皿与所代表的地表所处的大环境相同，只是将下垫面人为地设定成了特殊的、统一的、有限的水面。它是大气中水汽距离饱和的程度的一种综合表征，环境因子通过各自过程影响蒸发皿观测的蒸发量。由于蒸发皿所处的环境不同，环境因子影响蒸发皿观测的蒸发量的过程可能随地点变化。（b）分析蒸发皿观测的蒸发量与环境因子的关系表明，蒸发皿观测的蒸发量是各种因子通过非线性共同作用的结果，将蒸发皿观测的蒸发量的变化趋势归结为任何单一的环境因子的变化都会产生较大的偏颇。（c）在所选的观测站中41个观测站蒸发皿观测的蒸发量有下降趋势（约为66％），下降趋势相对较大，最大可达-24.9mm／a：而有21个观测站蒸发皿观测的蒸发量有上升趋势（约为34％），上升趋势相对较小，最大可达10.4mm／a。（d）利用近年卫星观测的结果分析发现云存在逐渐变浓厚的趋势，原因可能是全球气候变暖一方面增加了地表的蒸发量，另一方面使得大气更加不饱和，从而使得更多的水汽被保留在大气中。（e）利用大气环流模式CCM3通过数值试验证明如果改变地表水体的蒸发量可明显地引起陆地上的大气相对湿度、地面接收的太阳总辐射和地表潜在蒸发量的明显变化。（4）关于干早区生态环境建设对策，（a）“良性绿洲”应提高水资源利用效率，节约水资源，以保证流域下游水资源供给。（b）“低效绿洲”生态环境建设的中心课题是尽量调整绿洲格局，将破碎绿洲连通成片。力图减小晒衣绳效应。（c）“退化绿洲”生态环境建设的对策是在足够水资源供给的条件之下修复自然生态系统。（d）“新建绿洲”的原则是避免窄长或破碎绿洲，绿洲尺度应大于绿洲稳定的临界尺度。新建绿洲切忌分片开发，以减小晒衣绳效应。目前非均匀边界层理论尚不成熟，观测仪器和资料分析方法也不成熟，这严重阻滞了非均匀边界层和陆面过程的发展。以我国为例，我国科学家观测到“冷岛效应”和“逆湿现象”已有几十年的历史，由于受观测条件限制目前还没有建立和发展与之相应的陆面过程参数化方案。本研究也是初步的，有关结论也只能通过更多的观测实验来证实。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2013-08-22 |
| 页码 | 112 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.casnw.net/handle/362004/22013]  |
| 专题 | 寒区旱区环境与工程研究所_研究生学位论文_学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 左洪超. 非均匀边界层特征与陆面过程参数化的初步研究[D]. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所. 2004. |
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