绿洲-荒漠交错带水热传输模拟研究

论文题目: 绿洲-荒漠交错带水热传输模拟研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 水利水电工程

作者: 苏里坦

导师: 张展羽,宋郁东

关键词: 绿洲荒漠交错带,潜水土壤植被大气系统,植被蒸腾,地表蒸发,水热传输,模型,应用

文献来源: 河海大学

发表年度: 2005

论文摘要: 本文研究绿洲-荒漠交错带潜水-土壤-植被-大气系统的水热传输模拟，它是干旱区GSVAC(Groundwater-Soil-Vegetation-Atmosphere Continuum)系统研究的热点和难点。由于干旱区绿洲-荒漠交错带潜水-土壤-植被-大气系统的复杂性和人类认识手段的局限性，目前该领域的研究大多局限在定性和简化模拟阶段。干旱区的生态过程包括水过程、土过程和生物过程，三者之间紧密联系，但各自有独立的科学内涵，其中干旱区水过程是生态过程的主线。因此本研究以水科学为主导，遵循土壤、气象、植物等相关学科原理，运用数学工具，开展创新研究。 本文是在天山北麓三工河流域的中国科学院阜康荒漠生态系统观测试验站进行定位试验所获取的资料以及该试验站MODIS(Mountain-Oasis-Desert Information System)观测数据的基础上，应用潜水-土壤-植被-大气连续体理论，对该流域典型种群在其生长状态下所消耗水量进行了从微观到宏观的定量模拟研究。 绿洲-荒漠交错带潜水-土壤-植被-大气系统水热传输模拟研究是干旱区生态系统的重要组成部分。文中根据质量守恒原理与能量平衡原理及水流的连续性方程建立了绿洲-荒漠交错带潜水-土壤-植被-大气系统水热传输模型，并将其分成两个相对独立的子系统来建立了相应的方程，即潜水-土壤子系统和植被-大气子系统之分。通过两个子系统的水热交换模式求解了植被-大气子系统中的植被蒸腾量、地表蒸发量、冠层温度、冠层水汽压、感热通量、潜热通量、地表热通量和潜水-土壤子系统中的根系吸水速率、土壤温度分布、土壤含水率分布等状态变量。 在模型求解方法的选择上，由于绿洲-荒漠交错带潜水-土壤-植被-大气系统水热传输模型以水分、温度等多种变量高度耦合在一起，无法对其进行直接求解。因此选用有限差分方法对绿洲-荒漠交错带潜水-土壤-植被-大气系统的水热传输进行了求解，由于整个模型在数值求解的过程非常复杂，很难用人工手算来完成，因此借助计算机语言编制了相应的计算机程序，并开发了相应的人机界面平台。 文后利用三工河流域试验站所测定土壤、植被、大气等资料验证了模型的可靠性，在植被-大气子系统中分别用GSVAC模型和回归神经网络(Regression Neural Network简称RNN)模型计算了植被蒸腾量和地表蒸发量，并将两种模型各自计算的结果分别与实测值做了对比，结果表明两种方法都具有一定的可靠性，其中博士学位论文绿洲·荒淇交错带水热传翰模拟研究植被耗水的GSVAC模型计算结果更加接近实测值。随后对模型进行了敏感性分析，结果表明，大气温度、大气水汽压、植被盖度、叶面积指数、地表含水率、地表温度等参数对模型的影响较大，而其它参数对模型的影响相对小一些。 在本文的最后给出了用绿洲一荒漠交错带GSVAC模型计算三工河流域植被耗水量的具体方法。首先在三工河流域试验区的点上进行试验，然后用区域分类法将点资料换算成面计算。关键词:绿洲一荒漠交错带;潜水一土滚一植被一大气系统;植被蒸腾;地表蒸发;水热传输;模型;应用

论文目录:

第一章 绪论

1.1 绿洲一荒漠交错带水热传输模拟的研究意义

1.2 国内外研究动态及发展趋势

1.3 本文研究思路和技术路线

1.3.1 本文研究思路

1.3.2 主要技术手段

1.3.3 研究目标

1.3.4 本文的主要研究内容

第二章 绿洲-荒漠交错带 GSVAC水热传输模型

2.1 绿洲-荒漠交错带水热传输物理模式

2.2 绿洲-荒漠交错带潜水-土壤子系统中水热传输模型

2.2.1 土壤中水分传输的数学模型

2.2.2 土壤中热量传输的数学模型

2.3 绿洲-荒漠交错带植被-大气子系统中水热传输模型

2.3.1 植被冠层的感热与潜热消耗模型

2.3.2 地表的感热与潜热消耗模型

2.3.3 植被一大气子系统系统总净辐射消耗模型

2.3.4 植被蒸腾量与地表蒸发量的回归神经网络模型

2.4 GSVAC水热传输模型中有关参数的测取和计算

2.4.1 大气参数

2.4.2 植被参数

2.4.3 土壤参数

2.5 本章小结

第三章 绿洲-荒漠交错带 GSVAC水热传输模型的数值求解

3.1 概述

3.2 绿洲-荒漠交错带潜水-土壤子系统的有限差分求解

3.2.1 水热方程组的数学描述

3.2.2 方程组的拟线性化处理

3.2.3 水热方程组的有限差分解法

3.3 绿洲-荒漠交错带植被-大气子系统的求解

3.4 整体模型的叠代求解

3.5 本章小结

第四章 绿洲-荒漠交错带 GSVAC水热传输模拟系统

4.1 概述

4.2 系统开发的目的

4.3 系统结构设计

4.3.1 系统管理模块

4.3.2 数据库模块

4.3.3 模型库模块

4.4 系统的特点和功能

4.4.1 系统的特点

4.4.2 系统的功能

4.5 系统开发和运行环境

4.5.1 系统开发环境

4.5.2 系统运行环境

4.6 系统水热传输计算机模拟的流程图结构

4.7 本章小结

第五章 绿洲-荒漠交错带水热传输模型的验证及敏感性分析

5.1 研究区自然地理概况

5.1.1 地质地貌土壤条件

5.1.2 水文条件

5.1.3 水文地质条件

5.1.4 气候气象条件

5.1.5 自然植被与土壤条件

5.1.6 三工河流域分带

5.2 研究区试验的布置与分析

5.2.1 试验布置方案

5.2.2 试验小区布置示意图

5.2.3 试验数据的测定方法

5.2.4 试验观测数据的分析

5.3 GSVAC模型在试验区的验证

5.4 RNN模型的验证

5.5 GSVAC模型的敏感性分析

5.5.1 模型对土壤水热运动参数的敏感性分析

5.5.2 模型对气象、植被和土壤参数的敏感性分析

5.6 本章小结

第六章 绿洲-荒漠交错带 GSVAC水热传输模型的应用

6.1 植被耗水量对参数变化的响应规律

6.1.1 植被耗水量对植被高度变化的响应规律

6.1.2 植被耗水童对植被盖度变化的响应规律

6.1.3 植被耗水量对植被叶面积指数变化的响应规律

6.1.4 植被耗水量对地下水埋深变化的响应规律

6.1.5 能量通量的日内变化规律

6.2 研究区域的耗水量计算

6.3 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 本文总结

7.2 进一步的研究

参考文献

博士生期间科研情况

博士生期间发表的论文

致谢

发布时间: 2005-04-25

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