四类求解地表湍流热通量方法在中国西部地区的应用及其误差分析

摘要

地表湍流热通量是陆面过程中关键物理量之一，对它准确计算是大气、水文和农业等学科必需的。伴随着天气和气候模式物理过程的不断改进以及时空分辨率的快速提高，为模式提供高精度的地表湍流热通量下边界显得尤为重要。根据观测资料和下垫面的不同，目前存在多种计算地表湍流热通量的方法，影响计算精度的不确定因素也不尽同。中国西部地区下垫面种类复杂，地形起伏较大，各类方法在该地区应用时的具体表现可能不尽相同。因此，本文从方法论的角度出发，评估四类代表性估算地表湍流热通量方案在西部地区的性能，它们是涡动相关法（EC）、变分法、陆面模式Noah-MP的模拟方法和集合卡尔曼滤波（EnKF）数据同化方法；重点分析可能存在的误差源并针对部分方案提出改进措施，以期提升不同方法估算地表湍流热通量的精度。主要结果如下：　　（1）针对西北地区一类特殊的非均匀绿洲下垫面上单站点EC法求解地表湍流热通量存在较大的不确定性问题，论文进行了定量误差源分析。首先，利用单点观测资料计算EC湍流热通量并探究低估原因。单站点EC湍流热通量的误差部分来源于绿洲上空较大的平均垂直速度（VA）能量输送以及下沉气流，尤其在中午前后，其中VA感热输送（潜热输送）对感热通量（潜热通量）日均方根平均值贡献约为16.5％（7.4%）。其次，为了弥补上述单一站点资料分析结果的代表性不足问题，借助WRF-LES大涡模拟手段研究理想带状非均匀绿洲沙漠下垫面上不同位置处EC热通量的空间代表性。绿洲不同位置EC观测对区域平均热通量的代表性空间差异较大，原因各点受下垫面上空湍流有组织结构（TOS）和次级环流（SC）的影响不同；由TOS与SC引起的热通量与区域平均热通量的比值在边界层中上层较大，从而单站点EC热通量观测很难代表区域平均值，部分位置处甚至出现严重低估。　　（2）针对西部地区部分下垫面（绿洲和高原冻土）存在较大能量存储进而影响变分法求解精度的问题，论文在变分法中提出两种能量存储方案：第一种方法为利用观测资料计算，第二种方法为分段线性拟合能量存储。最后，利用地处甘肃省张掖绿洲上大满站（有植被能量存储和灌溉造成的较大土壤热存储）和青藏高原上安多站（土壤冻融会伴随大量热量吸收/排放）的资料，对所提两类方案进行验证，并与EC观测的热通量进行比较，结果表明：两种方法都提高了热通量估计精度；相对而言，第一种方法结果较好，尤其在中午或边界层强不稳定条件下。此外，在没有足够观测资料计算这些能量存储时，还可以把已有能量存储项“移植”到同一地区其他观测时段用于热通量的估算，从而增大了方法的适用范围。　　（3）利用甘肃张掖绿洲大满站观测资料，利用陆面模式Noah-MP求解地表热通量，并仔细分析误差源。若只采用默认参数化方案，模式能够较好地模拟晴天净辐射、感热通量和潜热通量，但在晴天中午前后模拟的峰值明显低于观测值，并且高估土壤蒸发比和低估植物蒸腾。其次，通过相关物理过程分析和不同的参数化方案的替换试验探寻误差源。采用Cai11地表反照率方案和/或Jarvis气孔阻抗方案替代默认方案可以部分解决模拟的净辐射通量和潜热通量偏低的问题，同时也使土壤蒸发和植物蒸腾的分配比例更为合理，地表辐射温度更接近观测值；采用Alpha方案可解决原有SZ09方案土壤蒸发过大问题，减少土壤蒸发的比例。　　（4）利用地处甘肃省榆中县原生植被下垫面上的SACOL站观测资料，开展EnKF同化试验来改善地表热通量的计算。相对于没有进行同化的陆面模式模拟结果，同化表层土壤湿度观测可以有效地克服感热通量模拟偏高、潜热通量模拟偏低的问题，其中在9:00-12:00 LT改进最大。最后，采用敏感试验方法，探究观测误差和背景场误差对EnKF估算的影响：当观测误差减小（增大），感热通量和潜热通量估算值均方根误差也减小（增大）；EnKF估算值随着背景场方差放大系数的增大而增大。因此，高质量的观测资料和能真实反映背景场误差协方差的样本是提升地表热通量估算精度的关键。　　总之，上述四类求解地表湍流热通量的方法各有优缺点，虽然在西部地区能较好地估算地表湍流热通量，但是由于所用观测资料来源和性质不同，难于对它们估算结果进行优劣比较，在实际中可根据观测资料性质和不同下垫面特点进行针对性地选用。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容及创新点

第二章 方法及所用模式介绍

2.1 引言

2.2 涡动相关法介绍

2.3 变分方法介绍

2.4 陆面模式及参数化方案介绍

2.5 耦合陆面模式的WRF大涡模拟（WRF-LES）介绍

2.6 集合卡尔曼滤波（EnKF）同化算法介绍

第三章 涡动相关法求解地表湍流热通量及误差分析

3.1 引言

3.2 观测结果和误差分析

3.3 EC通量误差的大涡模拟研究

3.4 本章小结

第四章 变分法估算地表湍流热通量及误差分析

4.1 引言

4.2 资料介绍及变分法参数值选取

4.3 原始变分法结果及误差分析

4.4 引入能量存储的变分法介绍

4.5 结果与分析

4.6 对不同误差的敏感性分析

4.7本章小结

第五章 陆面模式Noah-MP计算地表湍流热通量及误差分析

5.1 引言

5.2 站点和资料介绍

5.3 模式默认参数化方案下的模拟结果及误差分析

5.4 处理方案

5.5 本章小结

第六章 EnKF方法同化表层土壤湿度估算地表湍流热通量及误差分析

6.1 引言

6.2 观测资料

6.3 未同化的集合预报结果及误差分析

6.4 EnKF同化结果

6.5 误差敏感试验

6.6 本章小结

第七章 总结与讨论

7.1 总结

7.2 研究展望

参考文献

在学期间的研究成果

致谢