地表湿度导致土壤电参数变化对雷电电磁场传播的影响

基于Scott提出的土壤电参数等效模型和二维分形布朗运动粗糙地表模型,利用Cooray和Wait近似算法,研究了地表湿度引起的土壤电参数变化对雷电回击电磁场传播的影响.结果表明:土壤湿度的增加引起垂直电场和水平磁场的上升随时间减小,对峰值影响不太明显;土壤湿度对水平电场的影响很大,水平电场的峰值与湿度成反比.实际上,雷暴天气往往伴随降水,因此对雷电电磁辐射环境的研究应该考虑土壤湿度的影响.     

土壤水平分层条件下的闪电电磁场计算

研究了土壤水平分层条件下雷电电磁场的传播和衰减,分别利用Wait算法和Cooray算法对上下层土壤电导率存在差异的不同情况进行了计算,并利用FDTD精确算法对二者的计算结果进行了检验。结果表明:当下层土壤电导率小于上层土壤电导率时,Wait算法和Cooray算法的计算结果基本一致,均与FDTD精确算法结果较为吻合。而当下层土壤电导率大于上层时,相应的,其土壤复折射指数亦大于上层土壤,由于干涉效应的影响致使部分较高频段雷电电磁波发生选择性增大,衰减因子的幅值大于1,从而出现振荡现象。对比表明,Wait算法较好地反应了该现象,而Cooray算法则出现一定误差。     

河南省土壤湿度年变化规律

利用河南省土壤墒情预报模型中建立的河南省台站土壤墒情数据库资料,对不同类型土壤湿度进行分析,从而确定不同类型土壤湿度差异、地下水对土壤湿度的影响及河南省土壤湿度的年变化规律.     

陆面过程模型中垂直非均匀土壤的水分传输及相变的模拟

土壤湿度在陆气相互作用中的重要性体现在它既能影响陆地和大气之间水循环的速率, 又能改变地表的能量分配。本文针对陆面过程模型中描述土壤湿度变化的方程进行了理论分析, 指出在非均匀土壤和冻土中采用土壤水势梯度描述垂直非均匀土壤水分流动的合理性。基于描述土壤内部水热传输的统一土壤模型, 并利用推广的表征土壤水分特征的Clapp-Hornberger关系式, 研究了非冻结和冻结的土壤湿度对于垂直非均匀土壤的敏感性。结果表明, 由土壤质地决定的土壤水势和导水率对土壤湿度的模拟有重要的影响。具体地, 在决定土壤性质的Clapp-Hornberger关系式中, 与土壤质地有关的饱和水势、饱和导水率以及土壤孔隙大小分布指数B, 对土壤湿度的模拟起到了关键作用。参数B的重要性尤为突出, 它的增加会引起导水率的大大下降, 从而对水分在土壤中的垂直分布产生重要影响。饱和水势的绝对值和参数B的增加会使得土壤水势绝对值增加明显, 使土壤的结冰(融化)过程延迟, 土壤温度因为没有结冰(融化)释放(吸收)的潜热加热(冷却)而持续下降(上升), 因此在冻融时期土壤温度会比观测值振幅偏大。上述结果揭示了考虑土壤垂直非均匀性并采用有效的土壤特性参数对于陆面过程模型的重要性。     

植被温度条件指数在土壤墒情遥感监测中的应用

利用多年极轨气象卫星遥感资料,在计算出植被条件指数和温度条件指数的基础上,计算了遥感监测土壤墒情的植被温度条件指数(TV)。通过实测土壤湿度和TV的散点图,可以得到土壤墒情遥感模型的干旱等级指标,可用于干旱等级定性监测;通过建立土壤湿度和TV的回归方程,可进行土壤墒情定量监测。该方法兼有植被条件指数和温度条件指数的优点,且计算简单,对地面气象要素依赖性小,实时性好,在作物生长旺盛期,其定量反演0~30 cm土壤墒情精度平均可达80%以上,可以替代作物缺水指数法。     

基于自动土壤水分观测数据的吉林省西部干旱预报方法研究

利用吉林省西部10个自动土壤水分观测站数据与人工取土烘干法实测土壤湿度数据,制作吉林省西部土壤墒情监测及干旱预报模型.结果表明:不同气候背景下在作物不同生育期、土壤不同深度、不同初始湿度下的土壤湿度的变化趋势大致相同,但在相同的无降水日数或降水量时,不同台站不同深度的土壤湿度变化率却有一定的差异.各站农田土壤初始湿度越大,无降水时初期墒情下降速率越明显;而土壤湿度初始值越低,则失墒速率越慢.土壤不同深度均是开始时间失墒较快,后期变化逐渐趋于减弱状态.土壤深度越深则水分变化速率越缓,降水量越大,0～50 cm土壤湿度变化曲线整体越接近一致,直到从上而下几层土壤湿度全部达到饱和.通过对2017—2019年吉林省西部玉米农田土壤湿度预报结果和实测值进行对比检验,基于自动土壤水分观测数据的吉林省西部干旱模型预报的准确率超过80％.     

河南省土壤湿度年变化规律

利用河南省土壤墒情预报模型中建立的河南省台站土壤墒情数据库资料，对不同类型土壤湿度进行分析，从而确定不同类型土壤湿度差异、地下水对土壤湿度的影响及河南省土壤湿度的年变化规律。     

利用CDEGS软件分析高层建筑底部人员雷击安全

该文利用接地与电磁场分析软件CDEGS,建立贵阳市某高层建筑三维数值模型。利用土壤电阻率和土壤分层模型,结合贵阳市雷电特征参数和建筑拟采用的防雷系统,分析高层建筑遭受直接雷击时,其底层接触电压、跨步电压的最大值,并计算由该接触电压、跨步电压引起的通过人体的最大能量,从而分析其是否造成人员伤亡。     

亚洲东部和南部土壤干湿状态对陆气耦合的影响分析

基于1979—2020年5—8月欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF）第五代全球大气再分析产品——ERA5逐日数据计算了3个度量陆气耦合强度的指数,分析了亚洲东部和南部区域陆气耦合的气候态特征及其在不同土壤干湿条件下的差异。结果表明,从气候态看,华北-东北、青藏高原、印度、中国云南-东南亚和中纬度干旱带为较强陆气耦合区。在华北-东北、青藏高原、印度、中国云南-东南亚地区,土壤越干,陆气耦合强度越大,这种因土壤湿度不同而导致的耦合强度的显著差异,存在于从土壤湿度到蒸散发,再从蒸散发到边界层水汽和不稳定度的各耦合过程中,产生这种差异的主要原因是上述区域土壤湿度变率较大。而在中纬度干旱带,由于土壤湿度值及其变率均很小,耦合强度随土壤干湿条件变化无明显差异。华南为弱陆气耦合区,只有土壤偏干时,土壤湿度和蒸散发之间才能发生显著耦合,而蒸散发和边界层在所有土壤干湿条件下均不发生显著耦合。     

土壤电学的产生与发展趋势

根据国内外大量文献资料的分析以及作者的科研成果和实际工作经验,探讨了土壤电学产生的背景,给出了土壤电学的定义、学科分支、研究领域、发展趋势,提出了土壤电学的分支学科--土壤电腐蚀学和土壤电导学,旨在为开展雷电流入地引起的土壤物理化学变化研究,从微观和宏观角度揭示雷电流入地后的散流机理、增强土壤导电性的机理、降低土壤电阻率的机理、地下设施雷电防护机理,完善雷电从大气中形成到土壤中消散的物理过程的科学研究体系,为开发接地工程技术、地下金属设施防腐工程技术提供理论基础.     

土壤湿度对不规则起伏地表雷电垂直电场传播影响的研究

本文采用二维fractional Brown motion(f Bm)随机分形界面模拟不规则起伏地表,基于Longmire-Scott提出的土壤电参数等效模型(L-S模型),分析研究不规则起伏地表的土壤湿度对地闪回击垂直电场传播的影响。结果表明:(1)地表的不规则起伏程度主要会引起垂直电场峰值的衰减和上升沿时间的滞后。随着地表不规则起伏程度的增大,垂直电场峰值衰减越明显,且波形上升沿时间增长。(2)无论地表不规则程度如何,随着土壤湿度的增大,垂直电场的衰减反而减小。(3)总的来说,地表的不规则程度越大,土壤湿度越小,垂直电场的峰值衰减越大,波头上升沿时间越长。     

Extended application of the conditional nonlinear optimal parameter perturbation method in the common land model

An extension of the conditional nonlinear optimal parameter perturbation (CNOP-P) method is applied to the parameter optimization of the Common Land Model (CoLM) for the North China Plain with the differential evolution (DE) method. Using National Meteorological Center (NMC) Reanalysis 6-hourly surface flux data and National Center for Environmental Prediction/Department of Energy (NCEP/DOE) Atmospheric Model Intercomparison Project II (AMIP-II) 6-hourly Reanalysis Gaussian Grid data, two experiments (I and II) were designed to investigate the impact of the percentages of sand and clay in the shallow soil in CoLM on its ability to simulate shallow soil moisture. A third experiment (III) was designed to study the shallow soil moisture and latent heat flux simultaneously. In all the three experiments, after the optimization stage, the percentages of sand and clay of the shallow soil were used to predict the shallow soil moisture in the following month. The results show that the optimal parameters can enable CoLM to better simulate shallow soil moisture, with the simulation results of CoLM after the double-parameter optimal experiment being better than the single-parameter optimal experiment in the optimization slot. Furthermore, the optimal parameters were able to significantly improve the prediction results of CoLM at the prediction stage. In addition, whether or not the atmospheric forcing and observational data are accurate can seriously affect the results of optimization, and the more accurate the data are, the more significant the results of optimization may be.     

不同土壤水分对向日葵光合光响应的影响

以食用向日葵为试验材料,大田试验采取人为控制土壤水分在胁迫、适宜和过湿 (土壤田间持水量的40%~54.9%,55%~69.9%和70%~90%) 条件下,研究了向日葵3个生育期 (二对真叶—花序形成期、花序形成—开花期、开花—成熟期) 的光合光响应特性。结果表明:在试验设置光强条件下,各生育期净光合速率随着光合有效辐射的增加而增加,同等的光合有效辐射下净光合速率也随着土壤水分的减少依次降低,尤其是随着光合有效辐射的增大愈加明显。土壤湿度对最大净光合速率和表观量子效率的影响并不是同步的,最大净光合速率随着土壤湿度的增加而增大,而表观量子效率在一定程度的水分胁迫情况下出现最大值。不同的土壤水分含量对光补偿点和光饱和点影响不同,光饱和点随着土壤水分的增加而增加,光补偿点却相反,表明水分胁迫使向日葵可利用光的范围缩小,而适宜水分则扩大了光的利用范围,更有利于干物质积累。暗呼吸速率随着植物的生长进程逐渐降低,不同生育期的水分胁迫均导致暗呼吸速率降低。     

建筑物高度对地闪回击电磁场影响的模拟

基于三维时域有限差分数值算法（3D-FDTD）建立了雷击高建筑物电磁场传播模型,研究了负地闪击中不同高度建筑物时回击垂直电场、角向磁场以及水平电场沿地表的传播规律。模拟结果表明:建筑物的高度对雷电电场峰值的影响显著,如当建筑物高度从100 m增加至600 m时,在距离d=100 m位置的垂直电场峰值减小了63%,水平电场正极性峰值的增加比例为84%、负极性峰值的绝对值增加比例高达130%;观测位置不变时,角向磁场峰值和水平电场正极性峰值均会随着建筑物高度的增加而增大;对于距离d=100 m,300 m时,垂直电场的峰值随着建筑物高度的增加而减小,而d=500 m时,垂直电场峰值随着建筑物高度的增加呈现出先增大后减小的趋势;此外,建筑物高度会影响垂直电场峰值对距离的敏感程度,建筑物越低（高）,相应的垂直电场峰值随着观测距离增大衰减越快（慢）。该文研究结果能够为现代化城市中高建筑物附近线缆、室外设备等的雷电防护方案设计提供参考。     

复杂地形对雷电云地闪观测电磁场传输影响的实例分析

考虑探测原理和地形因素,基于Barrick表面阻抗理论和Wait近似算法等理论,利用不规则起伏地表的雷电电磁场传播模式,结合四川省真实的复杂地形地表数据,以半径r=60km的二维地表为模型,分析复杂地形对雷电电磁波传输的影响。以温江和白玉典型地势为例,分析得出:温江东部平原低海拔区域,雷电电磁波传输路径延长增量的最小值仅为182m,对应的时间延迟增量为0.61μs,温江西部多山高海拔区域,路径延长增量达到最大值,为2290m,对应的时间延迟增量为7.63μs;西部高原的白玉站,此区域地表的路径延长增量都在3000m以上,路径延长增量的最小值也达到3025m,对应的时间延迟增量为10.1μs,路径延长增量达到最大值,为8283m,对应的时间延迟增量为27.6μs。由此可见,在实际雷电探测定位中,必须考虑复杂地形引起的雷电电磁波传输路径增量和相应传输时间增量的影响,才能提高雷电定位精度和效率。      

中高层（60-120km）大气电参数非线性效应对地闪回击电磁场传播的影响

基于麦克斯韦方程组,通过综合考虑电子热效应和电离、吸附效应的非线性变化,利用二维时域有限差分算法(2D FDTD),建立了对流层-中高层大气电动力耦合模式,分析了中高层大气电参数的非线性效应对地闪回击电磁场传播的影响。结果表明,对微秒量级的地闪回击辐射场而言,在60 km以下,由于弛豫时间为毫秒量级,不需要考虑电参数的非线性效应。而在60 km以上的空间,由于弛豫时间快速减小至小于微秒量级,必须考虑电参数非线性效应带来的影响。如果考虑中高层大气电参数非线性效应,距地面90 km高度处地闪回击辐射场峰值明显减小,其中,垂直电场受影响最明显,场峰值最大可减小75%左右,而水平电场受影响相对较小。因为垂直电场脉冲持续时间为几百微秒,而水平电场脉冲持续时间仅为几十微秒,电磁场脉冲持续时间越长,受微秒量级中高层大气电介质弛豫时间的影响越大。     

自动土壤水分观测数据异常值阈值研究

根据从国家气象信息中心实时资料数据库读取的自动土壤水分监测资料,计算出各个测站相应的土壤容重、田间持水量、凋萎湿度数据。在具体的业务实践中,参照土壤最大吸湿量数值,将6%作为土壤相对湿度的低值异常阈值;参照土壤饱和含水量数值,将190%作为土壤相对湿度的高值异常阈值;参照土壤水分日变化特点,初步将24 h变化幅度0.1%作为10和20 cm土层土壤相对湿度监测异常的变化阈值。具体分析代表站实测土壤相对湿度随时间的变化幅度,认为在土壤水分上升过程中的小时之间变化幅度应小于土壤饱和含水量（%）与前一监测数据的差值;土壤相对湿度>100%时的下降幅度应小于土壤饱和含水量（%）减去95%;土壤相对湿度≤100%时的下降幅度应小于5%。     

土质对FDR水分传感器拟合参数影响的试验研究

通过制作人工土柱的方法,对壤土、黏土、砂土等土质进行FDR(Frequency Domain Reflectometry)水分传感器拟合标定试验,分析了传感器频率与土壤水分之间的关系,以及不同质地土壤对传感器标定参数的影响。数据分析结果表明:FDR土壤水分传感器感应频率随土壤体积含水量的增加而单调减小,具有很好的相关性,不同的土质对土壤水分传感器标定参数影响较大,黏土测试的传感器归一化频率范围在0.64~0.94之间,壤土测试的传感器归一化频率范围在0.4~0.86之间,砂土测试的传感器归一化频率范围在0.3~0.94之间,土壤按类别进行标定比集中标定的效果更好。分析结果对土壤种类复杂地区的自动土壤水分观测仪精细化标定具有一定指导意义。