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题名: 青藏高原地气能量交换的观测分析及其对参数化的改进
作者: 陈学龙
答辩日期: 2011-05-01
导师: 马耀明
专业: 自然地理学
授予单位: 中国科学院研究生院
授予地点: 北京
学位: 博士
关键词: 青藏高原 ; 地表能量平衡 ; 湍流通量参数化 ; 边界层 ; 对流层顶 ; 上对流层/下平流层 ; SEBS
摘要:

地表的微气象学特征参数是研究地表能量平衡和物质平衡的基础,青藏高原地表湍流特征参数的变化和地表通量的遥感估算对高原乃至其与周边地区的能量和水循环研究具有重要的意义。本研究基于近几年最新的高原大气边界层、陆气相互作用观测试验及中高层大气的探测资料,对高原地区的近地层气象要素、土壤湿度对地表能量平衡的影响、热力和动力总体传输系数、边界层的高度和结构的日变化和季节变化、雪面辐射平衡和能量分配及其参数化、裸土下垫面的热通量参数化、遥感反演地表通量模型中湍流通量参数化以及高原中上层大气的交换过程与高原深厚混合层的相互作用等进行了详细分析。具体研究结果如下:

1.青藏高原地区复杂的地形和强烈的太阳辐射使得近地层气象要素和地表通量均存在着明显的日变化和季节变化;高原地区的干季以感热为主、湿季以潜热为主,显著区别于高原以外的其他地区。高原四个观测站中纳木错的地面加热强度最强,其次分别为玛曲、珠峰和林芝。林芝全年的感热通量变化不大,而其他几个高原站1-5月感热加热作用一直在增加。

2.由观测资料揭示出夏季较高的土壤湿度相对应的地表反照率明显低于正常的反照率。土壤较干时,感热与净辐射的比例系数可达到0.49,随着土壤变湿,该值逐渐减小到0.14.与此相反,潜热通量与净辐射的比例系数随土壤变湿而逐渐增加,在土壤湿度处于15-20%范围内比例系数达到最大值0.5,之后又开始下降。利用台站观测资料对土壤湿度进行分级,证明当前高原土壤变湿的背景下,高原地表的感热加热作用减弱,潜热加热增强,并定量化了其对地表能量平衡各项变化的影响。

3.总体输送系数具有明显的日变化特征,中午时段最大,夜晚最小;几个站的总体输送系数最大可达到0.01,最小可到0.001,相差一个量级。林芝站热量输送系数最大可达到0.01,最小可到0.001,相差一个量级。林芝站热量输送系数平均为0.004左右,珠峰站和纳木错站热量输送系数平均为0.002,且各月拟合得到的值相差不大,热量输送系数明显小于幼量输送系数值。中性层结条件下的总体输送系数在低风速条件下随风速减小呈指数增长变化,而风速大于5m/s时,总体输送系数趋于一个稳定的值。认为不同的植被对于动量和热量输送系数的影响是不同的。

4.发现高原边界层高度的积极性差异很大,冬季23月份的对流边界层反而比夏季567月的对流边界层高,最高可达到地面以上5km。结合中上层的大气过程,解释了高原边界层高度季节性差异的原因。

5.详细分析了雪面的辐射平衡和雪面对地气交换的影响,发现降雪前后向上和向下的长波辐射变化不大,而净辐射由原来的大于500W/m²降低到100W/m²左右,主要由雪面的高反射率引起。动量剪切作用引起的机械湍流的发展对涡动相关在稳定层结下的观测有较大影响,并且机械湍流对雪面的感热输送也起到了一定的作用。

6.通过单点裸土下垫面的模拟值与观测值比较,认为遥感反演地表通量的SEBS模型较为可靠,可以很好的给出感热通量,引入yang et al.(2002)的热力学参数方案之后,感热低估得到明显改善,并且该方法对于雪面的感热计算也有较好表现。Brutsaert1982)给出的kB-1最适合裸土地表。高原的kB-1变化范围要大的多,而且还存在显著的日变化特征。

7.利用TM卫星可见光和短红外波段数据,估算了珠峰地区地表特征参数(地表温度、地表反射率等)和植被参数(归一化植被参数NDVI、植被覆盖度和叶面积指数LAI等)。结果表明:TM遥感数据能够较详细地得到各个参数的空间分布特征,能较好的反应河流、冰川、湖面等地表通量的分布特征。通过验证该模型在珠峰复杂地形条件下得到的地表能量平衡各项,认为采用该模型来处理各种卫星资料是目前获取高原地区大面积的陆气交换通量的最有效、最简便的方法。

8.加深了高原地区上对流层和下平流层结构和过程的认识,指出了前人工作中对该地区多对流层发生频率的低估。采用观测资料证明高原地区冬季对流层大气向对流层大气倾入的频繁性。并且给出了另一种高原夏季对流层臭氧低估现象的解释。

内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.itpcas.ac.cn/handle/131C11/1616
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陈学龙.青藏高原地气能量交换的观测分析及其对参数化的改进 [博士].北京.中国科学院研究生院.2011
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