内蒙古典型草原近地层湍流特征与湍流通量模拟

摘要

陆面过程主要通过地气之间的湍流、动量、热量、水汽和二氧化碳交换影响天气与气候。气候模拟结果对地表能量分配的日变化和季节变化尤为敏感。陆面过程对区域和中尺度大气模式模拟至关重要。陆地表面是地球气候系统的重要组成部分，陆地下垫面状况及其与大气的相互作用在很大程度决定了陆地表面的能量和水分循环，从而影响区域以及全球气候及其异常。草原约占地球自然植被面积32％，草原生态系统在初级生产力中存在着明显的年际变化；同时草原生态系统对气候变化和相应的生物量变化有显著的非线性关系。包括内蒙古草原在内的欧亚大草原是全球最大的草原地区，这部分草原位于半干旱温带大陆性气候区。目前这一区域气候变化显现出的结果是冬季变暖，春季干旱。因此掌握草原生态系统水汽和能量交换的日变化和季节变化是十分重要的。
　　 本文利用锡林浩特国家气候观象台野外试验基地实地观测的近地层辐射分量、涡动相关和廓线资料，计算分析了不同季节典型草原下垫面的湍流特征、辐射平衡、湍流通量和热量收支差异。同时采用简单生物圈模式(SiB2)，利用2007年7月1日到9月30日实测的强迫变量和所需要的参数及初始值驱动SiB2，对典型草原生长期的湍流通量进行模拟试验和对比。本文结果对进一步改进典型草原为下垫面的陆面过程参数化提供了重要的认识和依据。主要结论如下：
　　 ⑴典型草原气象环境场温度、湿度、气压有明显的季节变化。夏季温度和湿度为最大值，冬季其值最小，气压与之相反。整个观测期背景体现为夏季高温高湿，冬季低温干燥，雨热同季的华北类型气候特征。
　　 ⑵湍流和湍流通量的基本统计特征分析表明：(1)水平风的平均湍流强度为0.13，垂直风的平均湍流强度为0.1。(2)风速和标量的方差、协方差均符合相似规律。方差相似函数与文献中平原地区的相似函数比较接近，但稳定条件下温度和水汽相似函数差别较大。协方差相似函数表明动量输送在中性条件下效率最高，感热输送随稳定性绝对值增大而增大，潜热始终从地面向大气输送，输送效率随稳定度增大而减小。
　　 ⑶典型草原辐射平衡各分量具有很强的季节变化，其表现在日变化幅度的季节变化、晴天日最大值的季节变化、日均值的季节变化。辐射分量日均值的年最大值基本都出现在夏季，最小值出现在冬季。值得指出的是，在冬季由于降雪影响，雪后向上的短波辐射很大。典型草原为下垫面的地表反照率具有相似的日变化和季节变化，冬季较大，夏季较小；地表反照率的日变化随天气条件的不同而不同，晴天日变化曲线如U型。下垫面地表反照率的差异在冬季主要受降雪的影响，最大0.89。在夏季受降雨的影响较大，但地表反照率差异不大。秋季由于植被的枯萎地表裸露，反照率同比春夏季节变大。
　　 ⑷典型草原近地层能量平衡各分量表现出明显的日变化、季变化周期。夏季各个通量变化最强，冬季变化较弱。日变化周中除生长期外，感热通量占主导地位。由于观测时段正处少雨期，土壤较为干旱，潜热通量对降水量的影响较为敏感。夏季土壤热通量最大，其他各个季节土壤热通量大小相当。二氧化碳通量在夏季最大，是由于植被的光和作用最强，其次春季、秋季和冬季逐渐减少。
　　 ⑸简单生物圈模式模拟结果表明：(1)模式分别高估净辐射、潜热通量和土壤热量通量1.1％、10％和5％，低估感热通量6％；(2)模拟的7月和8月二氧化碳通量和实地观测值有较好的一致性，9月低估二氧化碳通量14.2％(3)模式得出的地表有效辐射温度白天低估晚上高估；(4)土壤湿度估计合理。

目录

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第一章绪论

1.1研究目的和意义

1.2湍流研究发展概况

1.3涡动相关技术的介绍

1.4本论文的主要内容和结构安排

参考文献：

第二章观测场地、仪器及资料处理

2.1研究区域概况

2.2观测站点简介

2.2.1观测场地

2.2.2观测项目及仪器

2.3资料预处理与质量控制

2.3.1野点去除

2.3.2坐标旋转

2.3.3超声虚温的湿度修正

2.3.4 WPL修正

参考文献：

第三章湍流及湍流通量方差的特征

3.1气象环境场特征

3.1.1近地面层风速风向

3.1.2近地面层温度、湿度、气压和降水

3.1.3大气稳定度

3.2湍流特征分析

3.2.1摩擦速度和特征温度分析

3.2.2湍流强度

3.2.3湍流方差特征分析

3.3湍流谱

3.4本章小结

参考文献

第四章近地层辐射能量和湍流通量的输送特征

4.1近地面层辐射能量的变化特征

4.1.1各季节辐射能量的日变化

4.1.2全年辐射能量月平均的日变化

4.1.3全年辐射能量的季节变化

4.2地表反照率的变化特征

4.2.1各季节地表反照率的日变化

4.2.2全年地表反照率月平均的日变化

4.2.3全年地表反照率的季节变化

4.3近地面层湍流通量的变化特征

4.3.1引言

4.3.2各个湍流通量的公式表达

4.3.3各季节湍流通量的日变化

4.3.4全年湍流通量月平均的日变化

4.3.5全年湍流通量的季节变化

4.4近地面层湍流通量整体输送系数

4.4.1夏季湍流通量整体输送系数分析

4.4.2冬季湍流通量整体输送系数分析

4.5本章小结

参考文献

第五章简单生物圈模式(SiB2)的应用

5.1引言

5.2 SiB2简介

5.2.1 SiB2模式结构

5.2.2参数与强迫变量

5.2.3预报量的控制方程

5.2.4 SiB2中通量计算方法

5.3资料介绍

5.4参数及初值设置

5.4.1参数设置

5.4.2强迫数据

5.4.3初始设置

5.5锡林浩特典型草原生长期的模拟结果与讨论

5.5.1辐射分量的模拟

5.5.2能量平衡分量和CO2通量的模拟

5.5.3地表有效辐射温度和土壤湿度的模拟

5.5.4统计分析

5.6本章小结

参考文献

第六章结论和讨论

6.1结论

6.2讨论

致谢