华北玉米下垫面湍流输送特征及参数化方案比较研究

论文摘要

本文围绕涡旋相关资料的处理方法和应用目标,利用中国气象局固城生态站2004年6月11日至10月20日玉米全生育期测量资料,详细分析了快速变化的农作物覆盖下垫面涡旋相关资料的预处理和质量控制方法,系统研究了湍流及湍流通量的统计特征,分析了地表能量平衡状况,估算了华北玉米生育期对大气的碳汇,并对比分析了模式中常用的几种通量参数化方案。主要结论如下:1、平均时间、坐标旋转与通量修正是资料预处理与质量控制中的重要问题,本文研究表明:（1）积分时间尺度在不同长度序列和不同变量之间变化较大,不适宜作为确定涡旋相关资料平均时间的依据。（2）平均时间低于30分钟有通量低估现象,高于l小时日变化型出现较大不稳定,30分钟到l小时之间通量无明显增加或减小。合理的平均时间应不低于30分钟,同时不高于1小时。（3）对于快速生长变化的下垫面,根据作物生长阶段,分时段平面拟合旋转坐标,能有效地订正资料中的倾斜和扰动。（4）经典的WPI,修正方法对水汽的作用估计过高,可能存在对潜热通量和CO2通量修正过量问题,Liu修正方法理论上较为合理,能够有效修正密度影响。（5）坐标旋转和通量修正使能量闭合率上升2.6%。2、湍流和湍流通量的基本统计特征分析表明:（1）水平风的平均湍流强度为0.2,垂直风的平均湍流强度为O.l。（2）风速和标量的方差、协方差均符合相似规律。方差相似函数与文献中平原地区的相似函数比较接近,但稳定条件下温度和水汽相似函数差.别较大。协方差相似函数表明动量输送在中性条件下效率最高,感热输送随稳定性绝对值增大而增大,潜热始终从地面向大气输送,输送效率随稳定度增大而减小。（3）三维速度谱与Kaimal et al.（1972）的经典谱具有大致相同的特征,但温度谱的惯性副区出现较宽收缩带。小湍涡对动量的输送比感热输送更为有效。3、地表能量平衡分析表明:（1）白天能量闭合率平均为78.3%,夜间平均仅有12.6%,整个生育期能量闭合率平均为77.9%。自天能量闭合率有明显的日变化和季节变化规律,下午能量闭合率普遍高于上午,随玉米生长和季节演变能量闭合率逐渐下降。（2）玉米整个生育期中,潜热一直是能量消耗的主要形式,占净辐射比例为32～54%,感热占净辐射比例14～37%,土壤热通量占净辐射比例11～l 8%,剩余项占净辐射比例4～28%,植被冠层的热储存是能量不闭合的主要原因。（3）讨论了能量不平衡的其他原因,认为源区差异对本文的能量不平衡有一定的贡献,能量各分量的位相差异可能是导致能量不平衡的原因之一。（4）地表反照率变化范围为0.07～O.18,出现概率最大为O.12。正午波文比在玉米播种和收获时期高达3.6,在玉米生长阶段维持在0.5左右。4、CO2浓度和通量的分析表明:（1）人类播种和焚烧秸秆等活动对CO2,浓度有

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 涡旋相关资料的处理和质量控制
• 1.2.2 能量平衡与闭合分析
• 1.2.3 湍流特征及有关参数的分析
• 2收支（NEE）分析与评估'>1.2.4 陆地生态系统与大气间CO₂收支（NEE）分析与评估
• 1.3 本论文的主要内容
• 第二章 资料处理与质量控制
• 2.1 观测站点、仪器、方法简介
• 2.1.1 观测站点
• 2.1.2 测量仪器和方法
• 2.2 资料预处理与质量控制
• 2.2.1 噪音剔除
• 2.2.2 平均时间的选取
• 2.2.3 坐标旋转
• 2.2.4 通量修正
• 2.3 本章小结
• 第三章 湍流及湍流通量的统计特征
• 3.1 平均场特征
• 3.1.1 风速风向
• 3.1.2 温度、水汽、气压、降水
• 3.1.3 大气稳定度
• 3.2 湍流的统计特征
• 3.2.1 湍流强度
• 3.2.2 湍流方差的相似规律
• 3.2.3 湍流谱
• 3.3 湍流协方差（湍流通量）的统计特征
• 3.3.1 标准化协方差的相似规律
• 3.3.2 湍流协方差谱分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 地表能量平衡分析
• 4.1 地表能量平衡方程和各分量的计算公式
• 4.2 地表能量各分量特征及其变化规律
• 4.2.1 太阳辐射
• 4.2.2 感热通量和潜热通量
• 4.2.3 土壤热通量
• 4.2.3.1 土壤温度和水分随时间的变化特征
• 4.2.3.2 土壤热通量的变化特征
• 4.3 地表能量平衡及各分量转化特征
• 4.3.1 地表能量平衡分析
• 4.3.1.1整 整个生育期的能量平衡状况
• 4.3.1.2旬 旬尺度能量平衡状况
• 4.3.1.3典 典型天的能量闭合状况
• 4.3.2 能量分量之间的转化规律
• 4.3.2.1 旬尺度的能量分配与转化特征
• 4.3.2.2 能量分量分配与转化的日变化规律
• 4.3.3 与能量平衡与转化有关的参数变化特征
• 4.4 地表能量不平衡的原因讨论
• 4.4.1 关于测量源区的讨论
• 4.4.2 关于能量各分量位相差异的讨论
• 4.5 本章小结
• 2 净交换量估算与分析'>第五章 玉米生育期陆地与大气CO₂净交换量估算与分析
• 2 浓度的变化特征'>5.1 CO₂浓度的变化特征
• 2 通量的变化特征'>5.2 CO₂通量的变化特征
• 2 浓度和通量的逐旬日变化特征'>5.3 CO₂浓度和通量的逐旬日变化特征
• 2 净交换量估算'>5.4 玉米生育期陆地与大气CO₂净交换量估算
• 5.4.1 有关NEE 概念的讨论
• 5.4.2 NEE 日总量的计算及其变化特征
• 5.4.3 玉米整个生育期NEE 的估算
• 5.5 玉米生育期NEE 与气象条件的关系
• 2 通量的关系'>5.5.1 辐射与CO₂通量的关系
• 2 通量的关系'>5.5.2 温度、水汽条件与CO₂通量的关系
• 2 通量的关系'>5.5.3 感热、潜热与CO₂通量的关系
• 2 通量与大气稳定性的关系'>5.5.4 CO₂通量与大气稳定性的关系
• 5.6 本章小结
• 第六章 通量参数化方案比较研究
• 6.1 湍流通量参数化方案概述
• 6.2 空气动力学粗糙度和零平面位移的确定
• 6.2.1 单层超声资料确定粗糙度和零平面位移的方法
• 0 和d 的变化特征'>6.2.2 玉米生育期z₀ 和d 的变化特征
• 0 和d 随风向的变化'>6.2.2.1 z₀ 和d 随风向的变化
• 0 和d 随生育期的变化'>6.2.2.2 z₀ 和d 随生育期的变化
• 0 和d 随风速的变化'>6.2.2.3 z₀ 和d 随风速的变化
• 6.3 几个参数化方案的比较与分析
• 6.3.1 动量通量的比较
• 6.3.2 感热通量的比较
• 6.3.3 潜热通量的比较
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简介