绿洲系统能量水分循环及边界层过程的数值研究
本论文运用RAMS模式对我国西北典型农业区金塔绿洲非均匀下垫面条件下的能量水分循环和大气边界层过程进行了诊断与数值模拟研究,为金塔绿洲的维护提供了有意义的科学依据。本文的具体研究步骤如下:一是利用野外观测资料分析绿洲的辐射平衡和地表能量特征;二是将RAMS模式的模拟值与MM5模式的模拟结果以及观测资料进行对比分析,对RAMS在该地区非均匀下垫面的适用性进行检验;三是对该地区的大气边界层结构进行数值模拟和分析；四是对该地区中尺度通量和湍流通量进行了数值模拟和诊断研究,并有目的的设计了几组数值实验；五是对该地区对流边界层进行大涡模拟研究,具体结论归纳如下:
1)不同天气条件下,金塔绿洲的辐射平衡和地表能量平衡各分量昼间变化差别较大,夜间也存在一定的差异;土壤温度随净辐射能的变化而变化,随着深度的增加,土壤温度受太阳辐射的影响变小:夏天该地区以晴天为主,整个夏天平均的辐射平衡、地表能量和土壤温度的变化形态与晴天比较接近。
2)RAMS模式对绿洲、戈壁和沙漠不同下垫面近地面温度、相对湿度的模拟表现良好,RAMS模式对绿洲下垫面潜热通量的模拟比感热通量更接近实况,而对戈壁和沙漠下垫面感热通量的模拟好于潜热通量,三种下垫面净辐射的模拟都与观测值较接近；同MM5模式的模拟结果比较,RAMS模式对非均匀下垫面净辐射、感热通量的数值模拟更优于MM5模式,表明了RAMS模式更适用于金塔地区通量特征的数值模拟。
3)金塔绿洲非均匀下垫面的大气边界层内白天感热和潜热通量的分布受背景风的影响不大,分布与绿洲形状重合,温度、比湿、湍流受背景风的影响较大,背景风导致了“冷岛”和“湿岛”中心的偏移,绿洲左右两侧沙漠湍流所达到的高度有一定的差异；位温和比湿廓线很好的展现了从稳定层结到混合层发展,夹卷层形成,接着底层逆温层出现,混合层过渡到残留层的演变过程,呈现了从初始的稳定边界层发展到对流边界层,最后又形成夜间稳定边界层的日变化规律。
4)金塔绿洲非均匀下垫面中尺度环流有比湍流更重要的作用,中尺度环流使热量和水汽输送到达了更高的层次,有利于中尺度天气系统的形成和绿洲的保护。
绿洲土壤湿度的加大能使水汽的输送到更高的高空,有利于降水的形成；风速的增大不利于中尺度通量的输送,有利于湍流感热和潜热的输送；绿洲内部斑块状的小沙漠存在不利于(利于)白天中尺度潜热(感热)的输送,利于(不利于)白天湍流感热(潜热)的输送。
植被覆盖度保持在0.55左右最利于绿洲的维持；反照率的增强不仅能增强绿洲的“冷岛”和“湿岛”效应,还能加强中尺度环流,减弱湍流,有利于绿洲的维持；粗糙度增大不利于绿洲的维持,近地层的水汽更容易被湍流带走,中尺度环流对水汽的输送减小,不利于降水的形成。
5)运用RAMS,并在模式中加入高分辨的MODIS植被数据和探空资料,对金塔绿洲有代表性的三区域(绿洲内部、绿洲与上下游沙漠过渡带)的对流边界层进行了大涡模拟研究,得出非均匀下垫面的垂直速度在边界层下部呈现蜂窝状结构,垂直速度的带状结构有利于热空气的积聚,形成热泡,在背景风的影响下,上游沙漠和下游沙漠的湍流、位温扰动、比湿、运动学通量具有较大差别。
- 作者：
- 李万莉
- 学位授予单位：
- 中国科学院研究生院
- 专业名称：
- 大气物理学与大气环境
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2010年
- 导师姓名：
- 吕世华
- 中图分类号：
- P431.2
- 关键词：
- 大气边界层结构；背景风；中尺度环流；大涡模拟；数值模拟；能量水分循环；绿洲系统
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