陆面过程模式中土壤蒸发与水热耦合传输的进一步研究

论文摘要

陆面过程是指发生在控制地表面与大气之间水分、热量和动量交换的过程。土壤蒸发是地气交换中的主要过程之一,它既是地表能量平衡的组成部分,又是水分平衡的组成部分。水势梯度与温度梯度的同时存在会引起热量与水分的同时传输。土壤蒸发与水热耦合传输的研究对于陆面过程及气候模式的模拟具有重要意义。本文绪论部分首先说明了论文的研究背景及意义,然后简要介绍了陆面模式的发展,然后从土壤蒸发、水热耦合传输以及土壤水力、热力特性三个方面对国内外研究情况进行了综述。通过阅读了大量的文献,了解了目前国内外关于土壤蒸发与水热耦合传输研究与发展动态,提出了研究面临的主要问题。通过问题的提出,指出了论文所研究的主要问题。最后指出了论文研究方法、结构与创新点。论文第二部分详细论述了土壤蒸发模式研究方法与过程。首先说明了土壤蒸发研究背景及理论基础,然后第二节详细介绍了土壤蒸发模式建立过程。首先说明了土壤蒸发模拟常用方法,然后介绍了CoLM模式对土壤蒸发的模拟以及模式改进的必要性,最后论文详细介绍了改进后土壤蒸发建立过程,即把土壤表层蒸发与内部水蒸气传输相结合。第三节为结果验证部分。首先介绍了实验数据来源,本文采用黑河沙漠站实验结果,对改进前后土壤蒸发模拟结果进行比较。通过不同时间段黑河沙漠站模拟结果的对比发现,改进后模型模拟结果比改进前更接近于实验观测值。论文第三部分对土壤水热耦合传输模式进行了研究。第一节论述了土壤水热耦合传输研究背景及理论基础。第二节建立了土壤水热耦合传输模式。第三节通过实验结果对改进前后模拟结果进行了详细的比较与分析。讨论了本文所发展的土壤蒸发及水热耦合传输模式对于土壤温度、土壤湿度、能量平衡及土壤蒸发等模拟结果的影响。并且对土壤蒸发及水热传输物理过程进行了详细的分析。本文第四部分概括了论文的主要结论并提出了进一步研究设想。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 陆面模式发展
• 1.3 土壤蒸发与水热传输文献综述
• 1.3.1 土壤蒸发文献综述
• 1.3.2 土壤水热传输文献综述
• 1.3.3 关于土壤水力、热力特性的研究
• 1.3.4 问题的提出及解决
• 1.3.4.1 问题的提出
• 1.3.4.2 论文需要解决的问题
• 1.4 研究方法
• 1.4.1 CoLM 模式简介
• 1.4.2 模式结构
• 1.4.3 模式输入
• 1.4.4 研究方法
• 1.5 论文结构及创新点
• 2 土壤蒸发模式研究
• 2.1 研究背景及理论基础
• 2.1.1 土壤蒸发产生和持续的必要条件
• 2.1.2 土壤水分蒸发的过程
• 2.1.3 土壤蒸发的影响因素分析
• 2.1.3.1 土壤含水量
• 2.1.3.2 潜水埋深
• 2.1.3.3 土壤质地及结构
• 2.1.3.4 土壤色泽及地表特性
• 2.1.3.5 风速
• 2.1.3.6 太阳辐射
• 2.1.3.7 大气湿度
• 2.1.3.8 降水与入渗方式
• 2.2 模式建立
• 2.2.1 土壤蒸发模拟常用方法
• 2.2.2 CoLM 模式对土壤蒸发模拟
• 2.2.3 土壤蒸发模式改进的必要性
• 2.2.4 土壤蒸发模式的建立
• 2.2.4.1 模式描述
• 2.2.4.2 土壤水蒸气扩散率计算
• 2.2.4.3 土壤蒸发模式与CoLM 模式的耦合
• 2.3 结果验证
• 2.3.1 实验数据来源
• 2.3.2 土壤蒸发模拟结果比较
• 2.3.3 土壤蒸发模式参数化
• 2.3.3.1 模式影响因子分析
• 2.3.3.2 弯曲因子选取
• 2.3.3.3 模式比较及参数化
• 2.4 本章小结
• 3 土壤水热耦合传输模式建立
• 3.1 研究背景及理论基础
• 3.1.1 饱和土壤中水的流动
• 3.1.1.1 达西定律
• 3.1.1.2 导水率
• 3.1.1.3 达西定律的局限性
• 3.1.2 非饱和土壤中水的流动
• 3.1.2.1 非饱和流与饱和流的对比
• 3.1.2.2 水蒸气的运移
• 3.1.3 溶质与土壤盐分的运移
• 3.1.3.1 溶质的对流传输
• 3.1.3.2 溶质扩散
• 3.1.3.3 溶质水力耗散
• 3.1.3.4 溶质运移对土壤水运动的影响
• 3.1.4 土壤中气体的运移与交换
• 3.1.4.1 土壤空气的对流运动
• 3.1.4.2 土壤气体的扩散
• 3.1.5 土壤温度与能量传输
• 3.1.5.1 能量输送方式
• 3.1.5.2 土壤热导率与热扩散率
• 3.1.5.3 水分与热量的同时传输
• 3.1.5.4 土壤剖面的温度分布状况及温度变化
• 3.2 模式建立
• 3.2.1 CoLM 模式对土壤水热传输的模拟
• 3.2.1.1 土壤水分传输方程
• 3.2.1.2 土壤能量传输方程
• 3.2.1.3 数值方法
• 3.2.1.4 参数选取
• 3.2.2 土壤水热耦合模式的建立
• 3.2.2.1 水分传输方程
• 3.2.2.2 能量传输方程
• 3.2.2.3 数值方法
• 3.2.3 土壤水热耦合模式与CoLM 模式的耦合
• 3.3 结果验证与分析
• 3.3.1 CoLM 模式对土壤温湿度初值敏感性研究
• 3.3.1.1 土壤温湿度初始化
• 3.3.1.2 结果分析
• 3.3.2 模拟结果比较及分析
• 3.3.2.1 土壤温度
• 3.3.2.2 土壤湿度
• 3.3.2.3 土壤内部水蒸气传输阻力
• 3.3.2.4 显热通量
• 3.3.2.5 潜热通量
• 3.3.2.6 土壤能量通量
• 3.3.2.7 能量平衡
• 3.3.2.8 水蒸气密度剖面
• 3.3.2.9 导水率与水蒸气扩散率
• 3.3.2.10 水流通量随时间变化
• 3.3.2.11 水流通量剖面
• 3.3.2.12 土壤水分有效性
• 3.3.2.13 土壤蒸发及水热传输原理分析
• 3.4 本章小结
• 4 结论及展望
• 4.1 本文主要结论
• 4.2 讨论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士期间发表论文