绿洲系统陆面过程及绿洲效应研究

摘要

荒漠包围的绿洲是西北干旱区人民生产、生活的主要基地，更是该地区人们生存的生命线。但目前随着气候变化和人口剧增等使得人们对自然资源的需求持续扩大，再加上掠夺式经营和不合理开发，导致了绿洲水分失衡、生态破坏、环境污染等一系列问题，对绿洲的可持续发展构成了威胁。而同时发展速度较快的荒漠化、干旱化严重威胁着我国西北人民的生活环境和质量。因此，对绿洲与其周围荒漠相互作用的研究将有助于揭示绿洲的维持和发展机理，为绿洲的良性发展提供一定的科学参考。
　　 本文旨在通过改进陆面模式中涉及土壤温度、地表温度模拟的参数和参数化方案，使MM5模式和其耦合的Noah Lsm更适合于在西北干旱区绿洲系统的应用；同时通过同化陆面观测数据提高模式的模拟精度，提供真实的非均匀热力加热场，以便较好的描述绿洲-荒漠的相互作用。之后利用模式研究了典型晴天个例和较长时段的绿洲小气候效应，探讨了环境风场和绿洲内的另一种典型下垫面城镇对绿洲效应的影响。全文研究分为以下几个方面：
　　 1.利用“金塔绿洲能量和水分循环观测实验”获得的资料分析了绿洲系统不同下垫面的热性质参数，包括土壤热容、导热系数、热扩散系数，通过研究发现需要在下一步的观测实验中对绿洲的土壤湿度进行深入研究；利用空气动力学方法计算得到了金塔荒漠区的输送系数和动、热力粗糙度长度，并应用到Noah Lsm中，改进了地表温度和感热通量模拟不准确的问题；分析了绿洲系统不同下垫面的地表反射率，发现早晚的地表反射率普遍随太阳高度角呈不对称分布，拟合了适合于植被茂盛、植被指数变化不明显的夏季地表反射率同土壤湿度、太阳高度角的经验公式，解决了MM5和Noah Lsm中地表反射率仅为季节(夏、冬季)和土地分类的函数，而不受土壤湿度影响的问题。
　　 2.利用集合卡尔曼滤波方法将陆面观测资料同化到模式的模拟过程中，改进了土壤温度的模拟效果；模拟发现在同化某些变量后不仅较准确的模拟了该同化变量，也提高了其它变量的模拟精度。
　　 3.利用中尺度数值模式MM5分析了典型晴天个例的绿洲效应特征。白天绿洲上为冷中心，由低层向高层强度逐渐减弱，绿洲冷区可维持到3000m左右。白天绿洲上低层高压控制，高层低压控制。高低压转变大约出现在1300m,沙漠上情况刚好相反。白天绿洲风控制绿洲低层，地面风场辐散中心位于绿洲中心稍偏东，随着高度的增加，辐散风逐渐减弱，在750hPa以上表现为与背景风垂向的微弱的辐散。此高度层以上，风场表现为以背景风为主，略微向绿洲中心靠拢。
　　 4.模拟结果较细致的描述了逆湿的特征和逆湿产生的条件：逆湿出现在临近绿洲的周围沙漠上，随着高度的增加，逆湿的范围在缩小，最大比湿差出现在低层，逆湿范围缩退同绿洲上的下沉气流的扩张同步。临近绿洲的沙漠上，越靠近绿洲，比湿越大，逆湿消失的高度越低。从绿洲向外辐散的平流和下沉运动对于逆湿的出现是不可缺少的，迫使它产生的又一个重要条件则是上升气流的存在，且需要上升、下沉运动的过渡带位于沙漠上。
　　 5.绿洲上冷湿及绿洲边缘沙漠上的逆湿是夏季绿洲系统长期平均态，与典型晴天个例类似，只是风场在白天表现为在白天背景风场基础上向南北两侧辐散。
　　 6.利用模式设计了敏感性试验，探讨了自然的背景风场和人为作用的绿洲内城镇对绿洲效应的影响，模拟结果显示：背景风将使绿洲效应产生的冷中心偏离绿洲的地理中心。背景风风速越小，冷岛效应越显著；风速越强，冷中心偏离程度越大；风速增大至一定量值后，冷岛效应将被背景场掩盖。绿洲内城镇的存在增大了绿洲的破碎度，当城镇较大时，加大了绿洲内水汽的消耗，升高了边界层高度，不利于绿洲的发展

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

第一章绪论

1.1研究背景及意义

1.2绿洲系统及研究进展

1.3金塔绿洲能量与水分循环观测实验简介

1.3.1 2003年金塔实验介绍

1.3.2 2004年金塔实验介绍

1.3.3 2005年金塔实验介绍

1.4本文的主要研究内容

参考文献

第二章陆面过程方案改进

2.1模式介绍

2.1.1土壤温度

2.1.2土壤湿度

2.1.3蒸发

2.1.4地表特征参数

2.2土壤热性质参数

2.3荒漠地区粗糙度长度的确定及应用

2.3.1研究方法

2.3.2总体输送系数和粗糙度长度

2.3.3在模式中的应用

2.4地表反射率的参数化研究

2.4.1绿洲地表反射率特征

2.4.2绿洲地表反射率的参数化

2.4.3荒漠地区地表反射率的参数化

2.5小结

参考文献

第三章陆面数据同化研究

3.1陆面数据同化系统的组成

3.1.1集合卡尔曼滤波

3.1.2误差估计

3.2同化结果分析

3.2.1绿洲土壤湿度的同化试验

3.2.2戈壁土壤湿度的同化试验

3.2.3土壤温度的同化试验

3.3小结

参考文献

第四章典型晴天个例绿洲效应研究

4.1绿洲冷岛效应的观测分析

4.2绿洲冷岛效应的三维结构分析

4.2.1模拟设计方案和所用资料

4.2.2模拟结果验证

4.2.3绿洲冷岛效应的结构特征

4.3绿洲边缘逆湿特征的数值研究

4.4小结

参考文献

第五章夏季绿洲小气候效应的观测和数值研究

5.1夏季绿洲小气候效应的观测研究

5.1.1研究时段

5.1.2观测的绿洲温度场

5.1.3观测的绿洲风环流

5.2夏季绿洲小气候效应的数值研究

5.3小结

参考文献

第六章背景风场和城镇对绿洲效应的影响

6.1背景风场对绿洲效应的影响

6.1.1所用资料和模拟设计方案

6.1.2模拟结果分析

6.2绿洲内城镇斑块效应的数值研究

6.2.1城镇的斑块效应

6.2.2不同尺度的城镇斑块效应

6.3小结

第七章总结与展望

7.1主要结论

7.2问题及展望

在读期间参加课题情况及在读期间发表论文