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《中国科学:地球科学》2020,(6)
植被是重要的城市地表覆盖类型之一,它通过蒸散降温和阻挡强冷空气,对城市风温湿大气微环境和污染物扩散特征会产生显著影响.准确预测植被环境流动和标量输运特性,理解植被与大气之间湍流交换过程,对城市环境改善具有重要意义.文章建立和发展了适用于森林植被环境湍流流动和标量场演化仿真计算的大涡模拟方法,将中尺度气象预报模式与微尺度精细大涡模拟方法耦合,利用地表能量平衡关系考虑大气辐射等多物理过程,研究了典型天气条件下复杂森林下垫面大气流动问题.通过考察不同大气稳定度条件下森林植被环境流动发现,在不稳定和稳定大气情况,浮力分别起到增强和抑制大气湍流混合作用,风切变也相应减小和增加.在北京奥林匹克森林公园的多尺度模拟试验中,通过与外场观测结果比较,文章验证了耦合模型可以较好地模拟城市复杂地表上空风速、温度和相对湿度的日变化.尤其是对于风场的模拟,耦合方案明显优于传统中尺度数值模拟,这主要是由于耦合方案既考虑了外部中尺度流动的影响,又通过降尺度方法可以精细分辨城市非均匀地表粗糙元素分布,从而较为精确的复现了城市粗糙子层内复杂大气流动和湍流通量输运. 相似文献
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能量平衡原理是遥感反演地表通量,波文比法计算地表通量的基础.但大量的观测数据表明,多数情况下,非均匀地表的地表能量是不闭合的,一方面是由于观测仪器的误差及各参量观测尺度差异造成的,更重要的则是由地表不均质性引起的水平平流效应导致的.因此,定量的估算水平平流效应对地表能量平衡的影响具有很重要的意义.以地表可供能量差、水分状况差异、风速和垂直空气温度梯度四个参数为基础,本文提出了一个基于遥感信息的水平平流通量观测影响纠正模型,其中引入了像元尺度与风浪区长度的关系.文章通过模拟计算,分析了模型中各参数对平流估算结果的影响,同时分析了水平平流的尺度效应问题.进一步,在地表实验数据的支撑下,给出了在农田下垫面情况下模型的验证结果.结果表明模型估算的能量变化率与实测的能量变化率有较好的相关性,经过纠正后的能量闭合状况有很好的改善. 相似文献
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《中国科学:地球科学》2015,(5)
干旱区内陆河下游荒漠河岸林带蒸散耗水规律及其控制机制是内陆河流域下游水资源管理的重要科学基础.本研究对塔里木河下游两种典型河岸林群落胡杨群落和柽柳群落的地下水、土壤水和地表蒸散过程进行了连续观测.结果发现河岸林带生长季的蒸散过程季节趋势受到植被物候期的控制,非生长季蒸散微弱;蒸散日过程是大气要素综合影响的结果,与参考蒸散显著线性相关;蒸散的空间格局则受到植被叶面积指数的控制,植被盖度越大,蒸散量越大;地下水是地表蒸散的水分来源,浅层土壤水参与水循环微弱;胡杨和柽柳蒸散过程特征一致,但胡杨耗水能力高于柽柳.进一步分析表明,植物蒸腾是地表蒸散的主体,土壤蒸发占地表蒸散的比例很小;地下水位是控制干旱区荒漠河岸林水循环的关键因素,它通过影响植物生长和植被盖度来影响荒漠河岸林带地表蒸散过程和蒸散量;采用地下水位,而不是土壤含水量定量表达荒漠河岸林水分胁迫过程更为合适.基于揭示的水分运动和蒸散规律,系统描绘了一个表达干旱区内陆河下游河岸林带水循环过程控制机制的概化框架,并描述了一个简单实用,能满足内陆河水资源管理需要的荒漠河岸林需水量估算模型. 相似文献
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沙漠绿洲陆面物理过程和地气相互作用数值模拟 总被引：1，自引：0，他引：1
利用一个已发展的陆面物理过程参数化方案与大气边界层数值模式耦合, 模拟了半干旱区沙漠绿洲非均匀下垫面的陆面物理过程及其与大气边界层的相互作用过程, 成功地模拟了局地气候效应和地表温度、净辐射、感热和潜热通量特征并与实测资料进行了比较. 给出“绿洲效应”这一自然现象的垂直剖面上更为清晰准确和细致的结构特征, 结果表明: “绿洲效应”具有明显的“冷岛效应”和“湿岛效应”; 它表现为在绿洲区域比戈壁沙漠区域环境温度低、湿度大、湍流动能输送弱, 具有下沉气流而导致与周围戈壁沙漠区域产生水平输送环流. 这些结果对于深入了解绿洲气候的形成和绿洲的维持机理具有重要的意义. 相似文献
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本文利用一个已发展的陆面过程参数化方案与大气边界层模式耦合,模拟了半干旱区绿洲戈壁非均匀下垫面的陆面过程及其与大气边界层的相互作用,给出了“绿洲效应”这一自然现象垂直剖面上更为清晰、准确和细致的结构特征.数值模拟的结果与早前的许多观测实验结论相吻合,即“绿洲效应”具有明显的“冷岛效应”和“湿岛效应”;它表现为在绿洲区域比戈壁沙漠区域环境温度低、湿度大、湍流动能输送弱,具有下沉气流而导致与周围戈壁沙漠区域产生水平输送环流.而更加细致地研究这些现象对于深入了解绿洲气候的形成和绿洲的维持机理具有重要的意义. 相似文献
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《中国科学:地球科学》2015,(7)
对垂直剪切应力(雷诺应力)、湍动能剪切生成率与湍动能耗散率以及垂直涡黏性系数等湍流参数的现场观测与数值模拟,是理解强潮海湾中垂直混合过程及其动力与生物地球化学效应的基础.利用坐底ADCP流速观测资料、湍流剖面观测资料以及二阶湍流封闭模型,本文对一典型强潮海湾(厦门湾)中的湍流混合过程进行了观测与数值模拟研究.观测结果表明:在M2分潮占优的厦门湾中,湍动能剪切生成率与湍动能耗散率等湍流参数呈现明显的M4分潮周期,并具有显著的涨-落潮不对称性,涨潮时强,落潮时弱.在涨潮期间,整个水体在垂向上近似混合均匀,湍动能剪切生成率和垂直涡黏性系数的垂向平均值分别达到5×10-6 m2 s-3和2×10-2 m2 s-1;在落潮期间,强湍流则主要局限于厚度为5~8 m的底边界层内,且湍流强度随离底距离的增大而逐渐减小.基于重力位能异常控制方程的分析表明,潮流拉伸是造成湍流强度涨-落潮不对称性的主要原因,潮混合的贡献较小.基于二阶湍流封闭模型的模拟结果与实测结果的对比分析表明,在弱层化强潮海湾中,二阶湍流封闭模型能够较好地模拟湍动能耗散率与垂直涡黏性系等湍流参数的垂向结构与潮内变化;模拟结果与实测值之间的差异主要源于一些理想化的模型假设和数学近似. 相似文献
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2021年5月22日,中国青海玛多县发生了MW7.5地震.针对此次地震,国内外多家机构发布的震源机制解和有限断层滑动模型结果大都是基于半无限空间地球模型的位错理论反演得到的,未考虑地球曲率和层状效应的影响.该影响的量级以及其是否可以忽略目前仍是一个未知问题,值得研究.为此,本文利用美国地质调查局(USGS)、中国科学院青藏高原研究所以及中国地震局地球物理研究所提供的三个断层模型,基于弹性半无限空间、均质球、PREM三种地球模型的位错理论,分别计算了地表同震位移场和应变场,并对比分析了这些结果的差异.我们发现基于PREM位错理论的同震位移场与半无限空间模型的对应值差异约为3~28 cm,占PREM位错理论值的10%~30%,应变场差异更大,表明地球曲率和层状效应的影响不可忽略.此外,理论同震形变结果与GNSS和InSAR形变观测数据对比发现,基于PREM模型的理论位移场最接近于观测值.利用InSAR数据和三种地球模型反演得到的有限断层滑动模型存在差异,说明了地球模型的选择对断层模型的反演具有一定影响.本文的结果为今后对此次地震的观测数据物理解释和断层滑动反演提供了理论参考. 相似文献
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CEVSA模型是一个基于生理生态过程模拟植物-土壤-大气系统能量交换和水碳氮耦合循环及其对环境变化响应和适应的机理模型,在区域和全球尺度上得到广泛应用.尽管该模型在大尺度上已经应用大量的植被生产力,碳储量和叶面积测定以及遥感反演数据进行了验证,但还缺乏在冠层和景观尺度上对模型的机理过程(如对光合,呼吸和蒸散过程及其导致的水碳通量变化)模拟的检验.以近年来生态系统机理过程研究的最新进展为基础,对模型进行改进,应用一个亚热带针叶林水碳通量连续观测数据对模型模拟结果进行检验,并分析机理模拟与涡度相关观测得到的水碳通量与环境条件关系的差异.模型模拟的主要水碳通量季节变化特征均与观测值一致.对蒸散和土壤水分的模拟结果与观测值相近,分别解释了观测值90%和86%的变异性,但是模拟值系统偏低.模拟的年总光合碳固定(GPP)和生态系统呼吸(Re)接近于观测值,并且能够分别解释其观测值79%和88%的变异性.尽管净生态系统生产力(NEP)的模拟值(394 gC/m2)也与观测值(387.15 gC/m2)接近,但是它仅能解释观测值31%的变异性.与观测值相比,模拟的NEP在冬季偏低而在夏季偏高.通过与温度、水汽压差的相关分析表明,在严重的高温和缺水胁迫条件下,模型没有准确模拟生态系统光合和呼吸过程.结果证明CEVSA模型对水碳循环的模拟与植被冠层尺度水碳通量测定结果一致,但仍然需要对极端温度和水分胁迫效应的模拟作进一步的ChinaFLUX. 相似文献
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重力测量中需要扣除大气的影响.大气负荷对重力测量的影响可以分为大气质量变化引起的直接效应和大气负荷引起的地球变形带来的间接效应,大气负荷对重力观测值的直接影响,相对于间接效应量级较大.本文从理论上研究了大气负荷对重力观测的直接影响,仿照Farrell定义的负荷格林函数,引入大气重力格林函数,用来表示大气压变化对于重力观测的直接引力影响.在前人的基础上,本文采用了更为精细的大气模型,考虑大气温度随高程的变化,用离散褶积的方法求得了大气重力格林函数的理论值.实际计算时还要考虑地表温度、台站高程、周围地形等因素的影响,本文讨论了这些因素对大气重力格林函数的影响.考虑地表温度、台站高程、地形改正等各种影响因素以及地球变形引起的间接效应后,对台站周围区域积分即可求得大气变化引起的理论重力信号. 相似文献
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陆面过程模式是气候模式和天气模式的核心组成部分之一.在土壤—植被—大气耦合模式(Soil-PlantAtmosphere Model,SPAM)的基础上,发展了新一代北京大学陆面过程模式PKULM(Peking University Land Model).本文首先介绍了PKULM的辐射传输、湍流输送、光合作用、土壤水热输送等过程的参数化方案;采用隐式迭代计算框架,发展并应用了一个快速的线性方程组求解算法,提高了模式计算稳定性;提出并使用了二分搜索算法计算气孔阻抗,避免了CLM(Community Land Model)等使用的迭代方法在干旱区不稳定的情况,提高了模式的适用性;采用水势为基础的土壤水分扩散方程,使模式能够模拟土壤饱和区的水分输送过程,为进一步与水文过程模式耦合奠定了基础;还发展了一个地表积水与径流过程的机理模型,提高了模式对地表水分平衡过程的模拟能力;最后,使用"中国西北干旱区陆—气相互作用观测试验"平凉站的资料对模式进行了检验并与NOAH(National Center for Environmental Prediction,Oregon State University,Air Force,and Hydrology Lab model)陆面过程模式的模拟结果进行了比较,结果表明PKULM能够较好地模拟西北半干旱区农田下垫面地气交换过程. 相似文献
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《中国科学:地球科学》2015,(10)
陆面过程模式中有关土壤水热传输、植被冠层和空气动力学等过程的关键参数的不确定性严重制约着地表-大气相互作用模拟能力的提高.本文利用架设在我国吉林通榆和甘肃榆中典型半干旱区陆-气相互作用野外试验站的观测资料,结合大气边界层理论,利用多种方法系统估算了上述试验站地表空气动力学粗糙度(z0m)以及热传输附加阻尼(?B?1)的量值.结果表明,z0m在半干旱区具有明显的季节变化和年际变化特征,且在植被低矮的下垫面与现行通用的陆面模式中的默认值相差较大;而?B?1的日变化和季节变化特征明显.将修正后的z0m和?B?1参数化方案引入陆面过程模式,发现能够明显改善模式对于半干旱区地表感热通量的模拟能力.这些结果说明有必要进一步结合半干旱区的野外观测试验对陆面模式在该地区的缺省参数设置进行更广泛的评估,而基于外场观测试验和大气边界层理论估算的关键地表参数对于改进陆气相互作用的模拟体现出较大的应用潜力. 相似文献
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目前定量研究下垫面不均匀性对大孔径闪烁仪(LAS)、涡动相关仪(ECS)观测感热通量差异的影响还比较少.本文利用黄土高原庆阳观测站2012年6、7月典型晴天两主风向范围E-SE和SW-W的陆面过程数据,在建立了下垫面不均匀性定量化指标的基础上,分析了下垫面不均匀性与地表温度变率的关系及其对LAS、ECS观测感热通量差异的影响.结果表明:庆阳站下垫面不均匀性大小η和地表温度变率г具有很好的相关性,相关系数达到0.566以上,证明了新建立指标的合理性.下垫面不均匀性大小η和LAS、ECS观测的感热通量差异HLAS-HECS具有很好的一致性,相关系数达到0.634.下垫面不均匀性对LAS和ECS的感热通量差异影响显著,下垫面越不均匀LAS和ECS测量的感热通量差异越大.对两主风向分别进行分析,在E-SE风向范围η和HLAS-HECS的相关系数为0.430,HLAS和HEC拟合的线性趋势系数为1.279,在SW-W风向范围η和HLAS-HECS的相关系数为0.680,HLAS和HEC拟合的线性趋势系数为1.297.下垫面不均匀性的影响程度越大,LAS和ECS观测的感热通量差异越大. 相似文献
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陆面蒸散对气候变化的影响 总被引：24，自引：0，他引：24
利用含有较真实的陆面过程的GOALS/LASG陆气耦合模式, 分别进行亚洲/北美洲陆面蒸散的敏感性试验来研究陆地与大气环流的相互作用. 模拟结果表明：模式气候对地表蒸散的变化是极其敏感的. 尤其是亚洲地表蒸散的变化将引起极为显著的气候效应, 若地表无蒸散将使气候在一定程度上变暖变干; 此外, 陆面蒸散的异常还通过季风降水的变化和 β 效应进一步影响副热带高压的形成和变异; 进而造成北半球甚至全球大气环流发生显著变化. 因此, 除了传统观点使人们很重视副热带高压活动对我国东部大陆夏季降水的影响以外, 陆面蒸散的异常通过季风降水的变化也会对副热带高压的活动产生明显影响. 由此, 夏季陆面蒸散及其水汽相变所致的大气内热源的变化是影响天气和气候的一个重要外强迫. 相似文献
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全球地表热流是反映地球内部热与动力学过程的一种主要能流.本文在三维球坐标框架下，就几个不同的粘度模型分别研究地幔内部密度异常(基于全球地震层析结果)以及板块运动激发的地幔流动的热效应及其对于观测地表热流产生和分布特征的贡献.由于地幔动力系统具有较高的Pe数，可以期望由板块运动激发的地幔流动将强烈地扰动地幔内部初始传导状态下的温度场以及地表热的热流分布.结果表明，与地幔内部密度异常产生的热效应相比，运动的板块及其激发的地幔流动在全球地表观测热流的产生和分布特征上起着更为重要的作用.观测到的大洋中脊处的高热流在很大程度上可以归因于板块激发的地幔流动的热效应.计算的平均温度剖面较好地揭示了岩石圈和D″层的温度特征，即温度随深度的剧烈变化，这与我们目前通过其他手段对岩石圈和D″层的温度结构了解是一致的.一个下地幔粘度比上地幔高出30倍的粘度结构(文中使用的粘度模型2)较之其余模型的拟合程度似乎更好. 相似文献
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《中国科学:地球科学》2017,(7)
城市土地利用/覆盖变化及其生态环境效应是当前城镇化研究的热点问题,但是由于城市内部空间结构异质性刻画不足,以及与城市地表热环境之间定量关系认识不足,严重制约其在城市生态规划管理方面的应用能力.本研究耦合城市地理学"空间结构理论"和城市气候学"地表能量平衡原理",提出了城市地表结构与热环境调控新的理念,揭示了城市空间结构与地表热环境之间的互馈机制;并自主研发了地表覆盖结构组分与热环境调控模型(EcoCity),确定了城市地表热环境生态调控阈值.基于实验观测、遥感反演和气象资料等数据,揭示了城市内部生活空间、生产空间、服务空间和生态空间分布格局以及相应的城市不透水地表、绿地和水域等地表覆盖组分布局模式对城市热岛形成的地表辐射与热通量影响程度.结论表明,不同城市功能区之间热环境的差异与其地表覆盖组分关系密切,商业、住宅等高密度城市不透水地表区,会显著增加显热通量起到升温作用,而绿地、水域等生态功能区会显著增加潜热通量起到降温作用.我们也发现,不同功能区由于其绿地组分比例差异导致植被热耗散作用不同,而且存在一定的生态阈值,对于商业、交通道路和住宅等高密度城市不透水地表功能区,其城市绿化工程对于提升植被潜热耗散效率更加有效,导致单位植被盖度的降温效果更为显著.同时也表明,EcoCity模型为城市地表结构特征和地表热通量之间耦合作用机制的理解和时空特征分析提供了有效的支撑,而且对于特定规模城市热岛缓减以及不同功能区绿化控制指标和阈值的界定,提供了普适性通用的计算模型系统,从而科学有效的服务于城市生态规划与管理. 相似文献
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地球物理场观测中的大气效应问题研究 总被引：2，自引：2，他引：2
作用在地表的大气质量不仅产生引力位的扰动，而且会引起各种地球物理场的附加效应，本文综述了近年来国内外同行在研究地表位移、重力、倾斜和应变固体潮观测中实施的大气效应改正问题，包括利用台站气压资料建立的实测模型，建立大气重力格林函数，利用全球和区域气象数据计算大气效应，建立大气改正的误差模型等，最后文章讨论了今后研究展望。 相似文献