北大环境生态学课件13沙漠－绿洲生态系统水热输送及相互作用数值模拟

沙漠－绿洲生态系统沙漠－绿洲生态系统陆－气相互作用陆－气相互作用和绿洲效应的数值模拟和绿洲效应的数值模拟第13章outline一、引言二、资料来源三、模式介绍四、结果分析引言研究意义在干旱条件下，千百万年来，是什么原因使得有的绿洲萎缩消失了，有的绿洲则生存了下来，并且有所扩展，一定有其原因所在，既有外因、也有内因；什么尺度的绿洲及绿洲植被覆盖度多大最有利于绿洲的维持等是要探索的关键问题。我们利用数值模拟的方法在研究了绿洲荒漠地区水热输送、动力学机理的基础上，对以上问题进行了系列数值模拟和灵敏度因子检验，得到了一些值得思考的结果。陆面物理与大气耦合模式•本模式：参考了Deardorff地-气相互作用参数化方案Noilhan土壤含水量参数化方案Dickinson生物圈大气圈模式参数化方案Sellers简单生物圈模式参数化方案完善了陆面物理过程参数化模式完成了陆面物理过程与大气边界层模式的耦合资料来源-黑河实验•在水平尺度50km的模式中，应用了1991年夏季HEIFE实验野外观测基本观测实验（FOP）•张掖站(绿洲）：平坦开阔，春小麦、玉米套种；化音站（戈壁）：水平均匀戈壁；沙漠站（沙漠）：起伏沙丘06时的平均资料作为初始场资料；•在水平尺度100km的模式中，应用了1991年夏季HEIFE实验野外观测IOP—2观测中小屯(绿洲)、化音（戈壁）的月平均资料拟合，作为绿洲、戈壁地区的模式初始场资料陆面过程参数化地表能量收支平衡短波辐射通量长波辐射通量感热通量潜热通量土壤热通量入射太阳短波辐射反射短波辐射太阳高度角大气光学厚度天空漫反射地表反照率大气射向地面地面射向大气大气长波放射系数大气温度地表温度感热输送系数土壤热力系数深层土壤温度水汽通量地表蒸发植被蒸腾地表含水量大气湿度空气饱和比湿深层土壤含水量土壤常温层温度层结稳定度植被覆盖率叶面积指数微分方案及模式模拟区域•时间微分：向前差分（时间步长为10s）•空间网格：1、50×20个格点，水平1－15荒漠，16－35绿洲，36－50荒漠2、100×20个格点，水平1－30戈壁，31－70绿洲，71－100戈壁水平方向：间隔为1000m垂直方向：0,10,20,50,80,100,150,200,250,300,400,500,750,1000,1250,1500，2000,2500,3000,4000结果分析绿洲-荒漠地区地表辐射平衡6789101112131415161718Time(h)-40004008001200Heat(W/m2)HeatBalanceonOasisQKRnGHQRLE6789101112131415161718Time(h)-40004008001200Heat(W/m2)HeatBalanceonGobiQKRnGHLEQRDiurnalvariationofgroundsurfaceheatbalanceoverdesertandoasisareas荒漠和绿洲地表热量平衡的日变化4.008.0012.0016.0020.0024.000.00200.00400.00600.00800.00HEATFLUXQHQEQ*QswQG(W/m2)t4.008.0012.0016.0020.0024.00-200.000.00200.00400.00600.00800.00LegendTitleQHQEQ*QswQGdesertoasisHLEHLE潜热通量地表温度与土壤含水量6789101112131415161718Time(h)290300310320330T(K)gobioasis6789101112131415161718Time(h)0.220.240.260.280.30.320.34wg(m3/m3)0.4350.4360.4370.4380.4390.44W2(m3/m3)w2wg绿洲-荒漠地表温度日变化图绿洲土壤含水量日变化图6789101112131415161718Time(h)012345-T(K)上下游荒漠之间地表温度差Fig.1Diurnalvariationofgroundsurfaceheatbalanceoverdesertandoasisareas图1荒漠和绿洲地表热量平衡的日变化4.008.0012.0016.0020.0024.000.00200.00400.00600.00800.00HEATFLUXQHQEQ*QswQG(W/m2)t4.008.0012.0016.0020.0024.00-200.000.00200.00400.00600.00800.00LegendTitleQHQEQ*QswQGdesertoasisHLEHLE绿洲－荒漠地区温度、湿度和风速的垂直输送特征6789101112131415161718Time(h)0100200300400500LE(W/m2/s)Veg=0.7Veg=0.5Veg=0.3不同植被覆盖度下绿洲地区潜热通量的日变化13:00垂直温度剖面13:00垂直湿度剖面13:00水平和垂直风速垂直剖面u(m/s)w(cm/s)13：00湍流动能垂直剖面图（单位：）22/ms2323Fig.6Thesimulatedverticalcrosssectionofpotentialtemperature(K)at1300LST(thevegetationcoverfactorsofovertheoasisareaandthedrybaredesertareaare0.92and0.0respectively).图6在绿洲和干旱沙漠区1300时（LST）模拟位温（K）垂直剖面图（植被覆盖率绿洲为0.92干燥裸沙漠区为,0.0）Fig.6Thesimulatedverticalcrosssectionofpotentialtemperature(K)at1300LST(thevegetationcoverfactorsofovertheoasisareaandthedrybaredesertareaare0.92and0.0respectively).图6在绿洲和干旱沙漠区1300时（LST）模拟位温（K）垂直剖面图（植被覆盖率绿洲为0.92干燥裸沙漠区为,0.0）OasisareaOasisareaDesertareaDesertarearFig.7Thesimulatedverticalcrosssectionofhorizontalwindspeed（m/s)at1300LST(thevegetationcoverfactorsofovertheoasisareaandthedrybaredesertareaare0.92and0.0respectively).图7在绿洲和干旱沙漠区1300时（LST）模拟水平风速(m/s)垂直剖面图（植被覆盖率绿洲为0.92干燥裸沙漠区为,0.0）Fig.7Thesimulatedverticalcrosssectionofhorizontalwindspeed（m/s)at1300LST(thevegetationcoverfactorsofovertheoasisareaandthedrybaredesertareaare0.92and0.0respectively).图7在绿洲和干旱沙漠区1300时（LST）模拟水平风速(m/s)垂直剖面图（植被覆盖率绿洲为0.92干燥裸沙漠区为,0.0）OasisareaOasisareaDesertareaDesertareaFig.8Thesimulatedverticalcrosssectionofverticalwindspeed(cm/s)at1300LST(thevegetationcoverfactorsofovertheoasisareaandthedrybaredesertareaare0.92and0.0respectively).图8在绿洲和干旱沙漠区1300时（LST）模拟垂直风速（m/s)垂直剖面图（植被覆盖率绿洲为0.92干燥裸沙漠区为,0.0）Fig.8Thesimulatedverticalcrosssectionofverticalwindspeed(cm/s)at1300LST(thevegetationcoverfactorsofovertheoasisareaandthedrybaredesertareaare0.92and0.0respectively).图8在绿洲和干旱沙漠区1300时（LST）模拟垂直风速（m/s)垂直剖面图（植被覆盖率绿洲为0.92干燥裸沙漠区为,0.0）OasisareaOasisareaDesertareaDesertareaFig.9Thesimulatedverticalcrosssectionofspecifichumidityofair(g/kg)at1300LST(thevegetationcoverfactorsofovertheoasisareaandthedrybaredesertareaare0.92and0.0respectively).图9在绿洲和干旱沙漠区1300时（LST）模拟湿度（g/kg)直垂直剖面图（植被覆盖率绿洲为0.92干燥裸沙漠区为,0.0）Fig.9Thesimulatedverticalcrosssectionofspecifichumidityofair(g/kg)at1300LST(thevegetationcoverfactorsofovertheoasisareaandthedrybaredesertareaare0.92and0.0respectively).图9在绿洲和干旱沙漠区1300时（LST）模拟湿度（g/kg)直垂直剖面图（植被覆盖率绿洲为0.92干燥裸沙漠区为,0.0）OasisareaOasisareaDesertareaDesertareaOasisareaOasisareaOasisareaOasisareaDesertareaDesertareaDesertareaDesertareaFig.10horizontalwind(m/s),(c)theverticalvelocity(cm/s)and(d)thespecifichumidity(g/kg)at1300LST(thevegetationcoverfactorsofovertheoasisareaandthedrybaredesertareaare0.92and0.5respectively).图10在绿洲和荒漠区1300时（LST）模拟（a)位温（K）,(b)水平风速（m/s),(c)垂直风速（cm/s),(d)湿度（g/kg)垂直剖面图（植被覆盖率湿润绿洲为0.92,干燥荒漠区为0.5）Fig.10horizontalwind(m/s),(c)theverticalvelocity(cm/s)and(d)thespecifichumidity(g/kg)at1300LST(thevegetationcoverfactorsofovertheoasisareaandthedrybaredesertareaare0.92and0.5respectively).图10在绿洲和荒漠区1300时（LST）模拟（a)位温（K）,(b)水平风速（m/s),(c)垂直风速（cm/s),(d)湿度（g/kg)垂直剖面图（植被覆盖率湿润绿洲为0.92,干燥荒漠区为0.5）绿洲效应及其敏感性因子的研究1、背景场风速（外部因子）中尺度运动随大尺度水平风速变化绿洲效应及其敏感性因子的研究2、降水与灌溉（外部因子）绿洲效应及其敏感性因子的研究3、绿洲尺度（内部因子）西北地区地区现存绿洲水平空间尺度的概率分布绿洲效应及其敏感性因子的研究4、土壤湿度（内部因子）绿洲效应及其敏感性因子的研究5、粗糙度（内部因子）绿洲效应及其敏感性因子的研究6、植被覆盖率（内部因子）绿洲效应及其敏感性因子排序敏感性因子排序背景场风速1降水