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1、沙漠绿洲生态系统沙漠绿洲生态系统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和绿洲效应的数值模拟和绿洲效应的数值模拟 第第13章章 outline 一、引言一、引言 二、资料来源二、资料来源 三、模式介绍三、模式介绍 四、结果分析四、结果分析 引引 言言 研究意义研究意义 在干旱条件下，千百万年来，是什么在干旱条件下，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，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、也有一定有其原因所在
2、，既有外因、也有 内因；什么尺度的绿洲及绿洲植被覆内因；什么尺度的绿洲及绿洲植被覆 盖度多大最有利盖度多大最有利于于绿洲的绿洲的维持等维持等是是要要 探索探索的的关键问题。我们关键问题。我们利用数值模拟利用数值模拟 的的方法方法在研究了绿洲在研究了绿洲荒荒漠漠地区水热输地区水热输 送送、动力学机理动力学机理的的基础上基础上，对以上问对以上问 题进行题进行了系了系列列数值模拟和数值模拟和灵敏灵敏度因度因子子 检验检验，得，得到到了一了一些些值得值得思考思考的结果的结果。 陆面物理与大气耦合模式陆面物理与大气耦合模式 本模式：本模式：参考参考了了 Deardorff 地地- 气相互作用参数化方案气
3、相互作用参数化方案 Noilhan 土壤含水量参数化方案土壤含水量参数化方案 Dickinson生物圈大气圈模式参数化方案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简单生物圈模式参数化方案 完善完善了了 陆面物理过程参数化模式陆面物理过程参数化模式 完成完成了了 陆面物理过程与大气边界层模式的耦合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 在水平尺度在水平尺度50km的模式中，应用了的模式中，应用了1991 年夏季年夏季HEIFE实验野外观测基本观测实验实验野外观测基本观测实验 （FOP） 张掖站张掖站(绿洲）：平坦开阔，春小麦、玉绿洲）：平坦开阔，春小
4、麦、玉 米套种；化音站（戈壁）：水平均匀戈米套种；化音站（戈壁）：水平均匀戈 壁；沙漠站（沙漠）：起伏沙丘壁；沙漠站（沙漠）：起伏沙丘06时的时的 平均资料作为初始场资料；平均资料作为初始场资料； 在水平尺度在水平尺度100km的模式中，应用了的模式中，应用了1991 年夏季年夏季HEIFE实验野外观测实验野外观测IOP2观测中观测中 小屯小屯(绿洲绿洲)、化音（戈壁）的月平均资、化音（戈壁）的月平均资 料拟合，作为绿洲、戈壁地区的模式初料拟合，作为绿洲、戈壁地区的模式初 始场资料始场资料 陆面过程参数化 地表能量收支平衡地表能量收支平衡 短波辐射短波辐射 通量通量 长波辐射长波辐射 通量通量
5、 感热感热 通量通量 潜热潜热 通量通量 土壤热土壤热 通量通量 入射太阳入射太阳 短波辐射短波辐射 反射反射 短波辐射短波辐射 太阳太阳 高度角高度角 大气大气 光学厚度光学厚度 天空天空 漫反射漫反射 地表地表 反照率反照率 大气大气 射向地面射向地面 地面地面 射向大气射向大气 大气长波大气长波 放射系数放射系数 大气大气 温度温度 地表地表 温度温度 感热感热 输送系数输送系数 土壤土壤 热力系数热力系数 深层土壤深层土壤 温度温度 水汽水汽 通量通量 地表地表 蒸发蒸发 植被植被 蒸腾蒸腾 地表地表 含水量含水量 大气大气 湿度湿度 空气空气 饱和比湿饱和比湿 深层土壤深层土壤 含水
6、量含水量 土壤常温层土壤常温层 温度温度 层结层结 稳定度稳定度 植被植被 覆盖率覆盖率 叶面积叶面积 指数指数 微分方案及模式模拟区域微分方案及模式模拟区域 时间微分：向前差分（时间步长为时间微分：向前差分（时间步长为10s） 空间网格：空间网格： 1、5020个格点，水平个格点，水平115荒漠，荒漠，1635绿洲，绿洲， 3650荒漠荒漠 2、10020个格点，水平个格点，水平130戈壁，戈壁，3170绿洲，绿洲， 71100戈壁戈壁 水平方向：间隔为水平方向：间隔为 1000m 垂直方向：垂直方向：0, 10, 20, 50, 80, 100,150, 200, 250, 300, 40
7、0,500, 750, 1000,1250,1500，2000,2500,3000,4000 结果分析结果分析 绿洲绿洲-荒漠地区地表辐射平衡荒漠地区地表辐射平衡 6789101112131415161718 Time(h) - 400 0 400 800 1200 Heat(W /m2) Heat Balance on Oasis QK Rn G H QR LE 6789101112131415161718 Time(h) - 400 0 400 800 1200 Heat(W/m2) Heat Balance on Gobi QK Rn G H LE QR Diurnal variatio
8、n of ground surface heat balance over desert and oasis areas 荒漠和绿洲地表热量平衡的日变化 4.008.0012.0016.0020.0024.00 0.00 200.00 400.00 600.00 800.00 HEAT FLUX QH QE Q* Qsw QG (W/m2) t 4.008.0012.0016.0020.0024.00 - 200.00 0.00 200.00 400.00 600.00 800.00 Legend Title QH QE Q* Qsw QG desert oasis H LE H LE 潜热通
9、量潜热通量 地表温度与土壤含水量地表温度与土壤含水量 6789101112131415161718 Time(h) 290 300 310 320 330 T(K) gobi oasis 6789101112131415161718 Time(h) 0.22 0.24 0.26 0.28 0.3 0.32 0.34 wg(m3/m3) 0.435 0.436 0.437 0.438 0.439 0.44 W2(m3/m3) w2 wg 绿洲绿洲-荒荒漠漠地地表温表温度度日变日变化化图图 绿洲绿洲土壤含水量土壤含水量日变日变化化图图 6789101112131415161718 Time(h)
10、0 1 2 3 4 5 -T (K ) 上下游荒漠之间地表温度差上下游荒漠之间地表温度差 Fig.1 Diurnal variation of ground surface heat balance over desert and oasis areas 图1 荒漠和绿洲地表热量平衡的日变化 4.008.0012.0016.0020.0024.00 0.00 200.00 400.00 600.00 800.00 HEAT FLUX QH QE Q* Qsw QG (W/m2) t 4.008.0012.0016.0020.0024.00 - 200.00 0.00 200.00 400.00
11、 600.00 800.00 Legend Title QH QE Q* Qsw QG desert oasis H LE H LE 绿洲荒漠地区温度、绿洲荒漠地区温度、 湿度和风速的垂直输送特征湿度和风速的垂直输送特征 6789101112131415161718 Time(h) 0 100 200 300 400 500 LE (W /m 2/s) Veg=0.7 Veg=0.5 Veg=0.3 不同植被覆盖度下绿洲地区潜热通量的日变化不同植被覆盖度下绿洲地区潜热通量的日变化 13:00垂直温度剖面垂直温度剖面 13:00垂直湿度剖面垂直湿度剖面 13:00水平和垂直风速垂直剖面水平和垂直
12、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：湍流动能垂直剖面图（单位：） 22 /ms 23 23 Fig.6 The simulated vertical cross section of potential temperature (K) at 1300 LST( the vegetation cover factors of over the oasis area and the dry bare desert area are 0.92 and 0.0 respectively). 图图 6 在在绿洲和绿洲和干旱沙干旱沙漠区漠区1300时（时（LST）
13、模拟位）模拟位温温（K）垂直剖面垂直剖面图（图（植被覆盖率绿植被覆盖率绿 洲洲为为0.92干燥裸沙干燥裸沙漠区漠区为为,0.0） Fig.6 The simulated vertical cross section of potential temperature (K) at 1300 LST( the vegetation cover factors of over the oasis area and the dry bare desert area are 0.92 and 0.0 respectively). 图图 6 在在绿洲和绿洲和干旱沙干旱沙漠区漠区1300时（时（LST）模拟
14、位）模拟位温温（K）垂直剖面垂直剖面图（图（植被覆盖率绿植被覆盖率绿 洲洲为为0.92干燥裸沙干燥裸沙漠区漠区为为,0.0） Oasis area Oasis area Desert area Desert area r Fig.7 The simulated vertical cross section of horizontal wind speed （m/s) at 1300LST( the vegetation cover factors of over the oasis area and the dry bare desert area are 0.92 and 0.0 respe
15、ctively). 图图 7 在在绿洲和绿洲和干旱沙干旱沙漠区漠区1300时（时（LST）模拟）模拟水平风速水平风速(m/s)垂直剖面垂直剖面图（图（植被覆盖率植被覆盖率 绿洲绿洲为为0.92干燥裸沙干燥裸沙漠区漠区为为,0.0） Fig.7 The simulated vertical cross section of horizontal wind speed （m/s) at 1300LST( the vegetation cover factors of over the oasis area and the dry bare desert area are 0.92 and 0.0
16、respectively). 图图 7 在在绿洲和绿洲和干旱沙干旱沙漠区漠区1300时（时（LST）模拟）模拟水平风速水平风速(m/s)垂直剖面垂直剖面图（图（植被覆盖率植被覆盖率 绿洲绿洲为为0.92干燥裸沙干燥裸沙漠区漠区为为,0.0） Oasis area Oasis area Desert area Desert area Fig.8 The simulated vertical cross section of vertical wind speed (cm / s) at 1300LST( the vegetation cover factors of over the oasis area and the dry bare desert area are 0.92 and 0.0 respectively). 图图 8 在在绿洲和绿洲和干旱沙干旱沙漠区漠区1300时（时（LST）模拟）模拟垂直风速垂直风速（m/s)垂直剖面垂直剖面图（图（植被覆盖
