流域水热耦合平衡方程推导及其应用

流域水热耦合平衡方程推导及其应用

论文摘要

流域蒸散发研究是明晰流域水循环机理,支撑流域水资源优化配置的基础。但是,现有的流域蒸散发理论尚不能全面揭示不同时间和空间尺度上的蒸散发变化规律。本论文的主要研究目的是:从理论上重新推导流域水热耦合平衡方程,并探讨将其用于估计流域实际蒸散发量和预测气候变化对流域蒸散发的影响。Budyko假设指出,多年尺度上流域实际蒸散发量E的控制性因素是降水量P和潜在蒸散发量E0,三者之间存在一定的函数关系。基于这一思想,本文提出了描述多年平均流域水热耦合平衡关系的偏微分方程,并从理论上证明该方程的解含有一个参数;由流域水文过程的基本原理给出偏微分方程的边界条件,结合量纲分析的Buckingham Pi定理,求得偏微分方程的解析解,即流域多年平均水热耦合平衡方程。考虑土壤初始含水量的影响,定义任意时段可利用水量的概念,推导得到任意时间尺度的水热耦合平衡方程,以此将适用于长时间尺度的Budyko假设和适用于短时间尺度的Penman假设从理论上进行了统一。采用通量实验站的观测数据,在田间尺度上验证了水热耦合平衡方程在月、旬和日时间尺度上的适用性。然后将方程用于模拟叶尔羌绿洲的月耗水过程,并对比干旱区平原绿洲四水转化模型的模拟结果,一定程度上说明了方程在区域尺度上的适用性,指出方程中的参数与区域综合的作物生长状况相关,这为作为水资源规划基础的耗水分析提供了工具手段。定量评估气候变化对水文循环的影响时,E0作为与大气状态相关的物理量,既是E变化的原因,也是E变化的结果,即E和E0同为未知量,故只依靠水热耦合平衡方程无法求解,为此引入Bouchet假设,建立定量评估E对气候变化响应的模型。对我国最近50年间的气象观测数据进行的分析表明,气象要素的变化具有地区差异,温室气体和气溶胶浓度的增加可能是气候变化的原因。利用模型进行的分析结果表明,不同地区实际蒸散发对气候要素变化的敏感性不同,实际蒸散发的变化趋势和起主导作用的气候要素也各不相同。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 研究背景及意义
  • 1.1.1 蒸散发与水资源配置
  • 1.1.2 蒸散发与流域水文循环及水资源
  • 1.1.3 气候变化对流域蒸散发的影响
  • 1.2 现有的流域蒸散发理论
  • 1.2.1 以陆面为研究对象的蒸散发理论和方法
  • 1.2.2 以近地面大气为研究对象的蒸散发理论和方法
  • 1.2.3 现有的流域蒸散发模型面临的问题
  • 1.3 论文研究思路和主要内容
  • 第2章 水热耦合平衡方程推导及验证
  • 2.1 多年平均的流域水热耦合平衡方程推导
  • 2.2 流域水热耦合平衡方程的水文学意义
  • 2.2.1 流域水热耦合平衡方程所描述的状态空间
  • 2.2.2 多年平均流域水热耦合平衡方程的物理意义
  • 2.2.3 与傅抱璞公式的比较
  • 2.2.4 流域水热耦合平衡方程导数的水文学意义
  • 2.3 任意时间尺度的水热耦合平衡方程推导
  • 2.3.1 方程的理论推导
  • 2.3.2 方程的物理意义
  • 2.4 水热耦合平衡方程在田间尺度的验证
  • 2.4.1 验证所采用的数据和方法
  • 2.4.2 结果及讨论
  • 2.5 水热耦合平衡方程中参数的影响因素
  • 2.5.1 参数影响因素的时间尺度效应
  • 2.5.2 多年尺度上参数的影响因素
  • 2.6 小结
  • 第3章 水热耦合平衡方程在干旱区绿洲(叶尔羌)的应用
  • 3.1 绿洲蒸散发(耗水)研究的方法
  • 3.1.1 四水转化模型模拟方法
  • 3.1.2 水热耦合平衡方程分析方法
  • 3.2 叶尔羌河平原绿洲四水转化模型及模拟结果
  • 3.3 水热耦合平衡方程模拟结果
  • 3.3.1 模拟方法
  • 3.3.2 与四水转化模型结果的比较
  • 3.3.3 参数的变化规律分析
  • 3.4 干旱区绿洲耗水分析的相关讨论
  • 3.5 小结
  • 第4章 流域蒸散发对气候变化响应的评估模型
  • 4.1 模型建立
  • 4.2 蒸发互补关系的时空变异性及其机理
  • 4.2.1 蒸发互补关系分析中采用的数据及方法
  • 4.2.2 蒸发互补关系的时空变化规律
  • 4.2.3 参数α的变化规律及机理分析
  • 4.3 模型在典型流域的验证
  • 4.4 小结
  • 第5章 过去50 年我国不同地区的实际蒸散发变化研究
  • 5.1 研究区域、数据及方法
  • 5.2 过去50 年间我国不同地区主要气象要素的变化趋势
  • 5.2.1 气温的变化趋势
  • 5.2.2 辐射的变化趋势
  • 5.2.3 降水的变化趋势
  • 5.3 过去50 年间我国不同地区气候要素变化的可能原因
  • 5.3.1 与温室气体和气溶胶的增加的关联分析
  • 5.3.2 温室气体和气溶胶对区域能量平衡的影响
  • 5.3.3 气溶胶对降水的影响分析
  • 5.4 实际蒸散发对气象要素变化的敏感性分析
  • 5.4.1 不同区域的敏感性分析
  • 5.4.2 不同流域的敏感性分析
  • 5.5 实际蒸散发的变化趋势分析
  • 5.5.1 不同区域的实际蒸散发变化趋势
  • 5.5.2 不同流域的实际蒸散发变化趋势
  • 5.6 小结
  • 第6章 总结与展望
  • 6.1 主要研究成果
  • 6.2 主要创新点
  • 6.3 研究中的不足及今后的工作展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 附录 A 相关水热耦合平衡方程的渐近线
  • 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果
  • 相关论文文献

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