旱区土气界面水热传输机理及对包气带水热运移的影响

摘要

土气界面是连接大气与土壤地下水的关键界面，界面上发生的一切物质和能量的交换不仅受到大气环流驱动和太阳辐射的限制，还受到界面土复杂的物理性质的制约；同时界面上不断进行的物质和能量的交换不仅影响到局地气候变化，而且影响土壤中水汽热传输和盐分循环。由于其复杂性，目前针对土气界面的研究尚比较薄弱。因此，深入研究土气界面上水热迁移转化机制，厘定了其对包气带水分运移的影响，对研究地表地下系统水循环，评价地下水资源量，发展和完善陆面模型以及提高气候模拟的准确率都具有十分重要的科学意义和实际应用价值。本文以粉砂为研究对象，依托于长安大学渭水校区原位试验场，通过物理实验和数值模拟等方法，对土气界面水热传输机理及其对包气带水热的影响进行了研究，得到以下主要结论：
　　1.揭示了不同气候条件下土气界面水热传输的规律，发现了土气界面上含水率和温度在晴天呈现正弦波状态，阴雨天无此趋势。在夏季的典型晴天，土气界面热通量最大值在200W/m2以上，且峰值出现的时间为正午13:00左右；阴雨天界面上热通量峰值小于晴天，雨天会出现多个峰值的情况。如果忽略地表热通量项，估算流域内的蒸发量，会造成约30％的估算误差。
　　2.研究了时间尺度对土气界面水热传输的影响，发现小时尺度能够更准确的刻画界面上水热传输过程。发现土气界面上含水率和温度小时变化呈现明显的日波动特征；且温度月变化也呈现标准正弦函数形式。界面热通量的小时值差异很大，上午9点至下午18:00间热通量值大于零；初夏时节，土气界面上热通量日均值大于零，月均值在-10~20W/m2之间变化。土气界面上含水率和温度的分布具有季节性差异，界面热通量夏季平均值最大，约25W/m2，冬季热通量平均值最低，为-5W/m2。
　　3.分析了土气界面温度与气象因子的相关关系，验证了土壤热传输的滞后性。土气界面温度与太阳辐射和大气温度呈现正相关，与气压和相对湿度呈负相关，与阵风风速的相关关系复杂。热量向下传递的过程中，土壤温度存在振幅减小和相位滞后现象，深度每增加，振幅衰减约exp，相位滞后τ。
　　4.揭示了土壤热传输模型在不同天气条件下估算土气界面热通量的准确性。晴天，推荐使用谐波法估算地表热通量，而阴雨天应避免使用该法；热传导对流法在雨天能够大体上描述地表热通量的正弦变化趋势。而由于具有连续自动观测的功能，且估算误差在可接受范围，在晴阴雨不同天气条件下，热通量板校正法估算地表热通量都能得到较为可靠的结果。
　　5.揭示了目前较为常用的利用野外观测资料估算土壤热扩散率的方法在不同天气条件下的适用性及其可靠性。晴天，谐波法估算土壤热扩散率结果准确度最高，在极端干旱的条件下，热传导对流法估算结果误差较差；阴雨天，当土壤较湿润时，由于考虑了水分对流作用的影响，热传导对流法能够获得较准确的土壤热扩散率；而雨天，气温骤降等影响导致谐波法和振幅法估算结果误差很大。从计算简便性出发，在土壤含水率高而土壤水分垂直运动微弱的阴天，相位法可用于土壤热扩散率和热通量的计算。
　　6.确定了土壤热通量板的最优埋藏深度，验证了土气界面热通量校正法的可靠性。热通量板埋设在土壤剖面上温度变化拐点附近时，会导致估算地表热通量误差增加，因此板的布设应该避开土壤热量传递方向的转折点。通过对土气界面热通量进行校正发现，Philip校正法仅对埋深较浅的热通量板的校正有效，能够提高估算土气界面热通量的准确度，当热通量板埋藏深度大于5cm时，Philip校正效果较差，降低了地表热通量的估算精度，增加了估算误差。
　　7.揭示了土气界面上水热互馈机制，厘定了土气界面热传输滞后与含水率的定量关系，构建了相位滞后τ和滞后时间τ'与含水率的关系式τ(τ')=aθ-0.134；发现热传导率随着含水率的增加先增加而后趋向于稳定，而热容量与含水率呈线性正相关关系，随着含水率的增加而增大。
　　8.研究了土气界面上水热传输对包气带内部水热运移影响的变化规律。土气界面上水分通量变化影响包气带含水率和温度场分布状况，水分通量越大，穿透深度增大，穿透时间缩短。土气界面上温度变化是导致包气带温度场分布差异较大的主要原因，发现土气界面温度的差异对包气带中液态水的日变化影响并不显著。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪 论

1.1研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目标、内容及方法

1.4 主要创新点

第二章 土气界面及包气带水热传输的理论与方法

2.1土气界面水热传输

2.2 土气界面对包气带水分运移的影响

第三章 研究区概况与实验方法

3.1 研究区气象条件

3.2 研究方法及手段

第四章 土气界面水热传输规律研究

4.1 不同气候条件下土气界面水热变化规律

4.2 不同时间尺度下土气界面水热变化规律

4.3本章小结

第五章 土气界面热动力学过程研究

5.1 土气界面热传输的影响因素

5.2土气界面热传输的特征

5.3 土气界面热传输模型的适用性分析

5.4 土气界面热参数估算的可靠性分析

5.5 土气界面热通量估算及其改进

5.6 土气界面水热互馈机制研究

5.7本章小结

第六章 土气界面对包气带水热运移的影响

6.1包气带水汽热运移耦合模型

6.2模型的求解

6.3模型的识别

6.4结果与分析

6.5本章小结

第七章 结论

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢