土壤热传导方程解析解和那曲地区土壤热扩散率研究

文中用Laplace变换推导了土壤热传导方程的解析解和包含热对流项的土壤热传导方程的解析解。用青藏高原 8个土壤湿度、温度廓线观测站 1998年 9月 4日到 10日实测资料基础上 ,根据谐波方法和Laplace变换方法得到了土壤热传导方程的解析解 ,计算了这些站的总体土壤热扩散率 ;用包含热对流项的土壤热传导方程的解析解计算了土壤热扩散率。结果表明 :对于一个深度从 0 .0 4～ 0 .2 0m的浅薄土壤层 ,总体土壤热扩散率的值为 0 .30×10 -6～ 0 .98× 10 -6m2 /s,土壤热扩散率的值为 0 .15× 10 -6～ 0 .72× 10 -6m2 /s。由谐波方法得到的总体土壤热扩散率比由Laplace变换的值稍大 ;总体土壤热扩散率总是比土壤热扩散率大     

青藏高原深层土壤热通量的变化特征分析

青藏高原地表热状况不仅对局地天气和气候变化有重要影响,而且还在次季节到季节尺度上对周边特别是下游地区的短期气候变化产生影响,因此日益受到研究者的关注。土壤热扩散率和土壤热通量是决定土壤热状况的两个重要因素。不同于以往的研究,本文利用青藏高原地区1980—2001年39个气象站0.8 m和3.2 m的土壤温度资料,采用热传导对流法计算了0.8~3.2 m深层土壤热扩散率和土壤热通量,分析了它们的年变化和年际变化特征,并分析了深层土壤热通量和高原季风的相关关系,得到了一些有意义的结论。青藏高原深层土壤温度随深度的增加振幅减小、位相延迟;在1980—2001年间,土壤热扩散率的变化总体呈减小趋势;土壤深层热通量年变化与土壤表层热通量的年变化具有相反的相位;总热通量与对流热通量的变化具有相同的相位;深层土壤热通量月平均值在冬季为负值(定义热流向上为正),夏季土壤热通量都为正值。土壤热通量与高原冬季风指数的变化趋势相反,相关系数为-0.53;而与高原夏季风指数变化趋势一致,相关系数为0.58,都通过了95%的显著性检验。这些结论对于促使我们认识高原陆气相互作用是非常有意义的。     

黄土高原典型塬区土壤热性质变化特征研究

利用2014年7月至2015年1月黄土高原地区土壤含水量和土壤热性质观测资料,分析了该区域土壤热性质及其变化特征,并讨论了降水对土壤热性质的影响,结果显示:(1)除10 cm外,各层土壤热扩散率整体上呈现夏季下降,秋季平稳,冬季上升三个阶段,土壤体积比热容和土壤导热率表现为夏季上升,秋季平稳,冬季下降的趋势;100 cm处的土壤热扩散率始终高于40 cm,土壤热扩散率不随土壤深度增加而线性增加。(2)5 cm与10 cm层的土壤热性质均有明显日变化特征,且振幅较大,40 cm与100 cm处的日变化振幅逐渐变小。由于10 cm层土壤含水量的波动最大,该层的土壤热性质变化波动也最大。(3)土壤温度与土壤热扩散率随降水增加而下降,土壤热扩散率下降主要是土壤含水量较高时,土壤导热率与土壤体积比热容变化的幅度不一致所致;土壤体积比热容与土壤导热率随降水量增加而上升,降水主要通过土壤含水量的变化影响土壤热性质。     

藏北高原土壤热传导率参数化方案的优化和检验

利用中国科学院大气物理研究所发展的冻土模式FSM中原始和优化的土壤热传导率参数化方案分别对青藏高原中部NewD66观测点土壤温度进行了模拟.结果表明,该模式中原始的土壤热传导率参数化方案高估了实际的土壤热传导率,因而导致模拟的土壤温度偏高.优化的参数化方案较原始参数化方案更能真实地模拟出土壤温度的变化,尤其对深层土壤温度的模拟效果更加显著.这些表明应用优化参数化方案的FSM模式对土壤温度模拟的准确性比原模式有所提高.     

青海南部冻融区高寒草地土壤温度变化及热量传输特征

为进一步了解高寒地区草地土壤冻融期（5—9月为融期,10月—翌年4月为冻期）能量收支平衡及不同剖面物理属性过程,采用热传导对流法、振幅法和相位法就该区不同深度土壤热通量分别进行了计算,并初步分析了不同年际间土壤热力学参数的变化特征。结果表明,热传导对流法能较好地描述高寒地区不同深度土壤热通量的变化特征。不同深度土壤温度的多年平均值由地表向深层土壤逐渐呈滞后效应,地表温度（T_0cm）最高值出现在7月份左右,而深层土壤T_160cm和T_320cm的最高值出现时间分别为8月和9月,且随着土壤深度的增加,其振幅减小,相位滞后。中间层土壤温度实测值与模拟值的拟合效果最佳,回归校正系数分别为0.9361、0.9509和0.9133;土壤总热通量与对流热通量相位的变化趋势一致,而与传导热通量相反。因此,季节变化是影响该区土壤剖面热量传递过程和传输方向的主导因子。     

两种土壤温度算法的对比分析

为了定量理解黄土高原土壤的物理特性和过程, 为进一步提高陆面模式对该地区地表能量平衡模拟能力奠定基础, 本文利用2005年黄土高原陆面过程试验中7月22～26日期间裸土地表观测站土壤温度观测资料, 采用热传导（结合数学拟合法)、热传导－对流两种方法分别计算了该地区土壤热扩散率。本文还利用热传导－对流方法计算0.05～0.1 m浅薄土壤层的热扩散率垂直梯度与水通量密度之和, 其值介于0.80×10-6～2.43×10-6m/s之间。在此基础之上, 以0.05 m深度的土壤层为上边界, 分别利用上述两种方法模拟0.10 m深度的土壤层温度, 结果表明: 由于忽略土壤的垂直不均匀性和水分的垂直运动而只考虑热传导过程, 热传导方法不仅高估了土壤温度振幅, 而且高估了位相的延迟。而热传导－对流方法对温度振幅和位相的模拟值与实际观测值吻合较好, 白天 (北京时间08:00～20:00) 的温度模拟值相对测量值的平均误差、 标准差和归一化标准差分别为0.19 K、0.18 K和0.08%。     

张掖戈壁地区土壤热通量特征分析

土壤热通量在地表能量交换中扮演着重要角色,干旱半干旱区土壤热通量更加重要。利用张掖国家气候观象台的土壤热通量观测资料,分析了不同天气状况下戈壁土壤热通量的日变化特征及其与辐射通量的关系。结果表明:晴天大气向土壤传递热量,阴天和雨天土壤释放的热量大于获得的热量。另外还分析了土壤热通量季节和年变化特征。在秋冬季节,土壤热通量基本处于负值而春夏则刚好相反。     

青藏高原理塘地区土壤热参数的确定及其土壤温度模拟试验

为了准确获取青藏高原理塘地区的土壤热参数,利用2006年8月27日至9月4日期间青藏高原理塘地区陆面过程试验采集的土壤温度资料,分别采用位相法、振幅法以及耦合热传导-对流法计算了0~10 cm,10~15 cm,15~20 cm三层土壤热扩散率,并用耦合热传导-对流法计算了土壤液态水通量密度。根据计算结果,以地表温度作为上边界条件,分别模拟了9月19-21日期间10 cm、15 cm和20 cm三个深度的土壤温度。对比模拟值与观测值后发现:由于考虑了土壤中液态水的动态变化,耦合热传导-对流法对各层土壤温度模拟效果最为理想,其模拟值与观测值的相关系数分别为:r10cm=0.97、r15cm=0.98、r20cm=0.99,置信度为99%。其中,对10 cm深度而言,耦合热传导-对流法模拟的土壤温度位相比实际观测值平均前移约0.21 h,土壤温度日振幅比实际值高估约0.79℃,而振幅法则平均前移约0.45 h,位相法高估土壤温度日振幅约0.96℃。     

青藏高原西部狮泉河陆面过程参数和土壤热属性参数研究

青藏高原陆面过程对中国的天气和气候具有重要影响。高原西部因自然环境恶劣、近地层观测实验缺乏而难以精确确定陆面过程参数和土壤热属性等参数,陆面过程模型通常只能采用模型默认参数,给该地区陆面过程模拟结果带来了不确定性,也降低耦合了陆面过程模型的天气气候模式性能。本文利用2015年6月至2017年1月期间青藏高原西部狮泉河站的陆面过程观测资料,分析了该地区常规气象特征,估算了空气动力粗糙度、热力粗糙度、地表反照率、土壤热容量、土壤热传导率、土壤热扩散率和土壤水通量密度等重要参数。结果表明,狮泉河区域近地层以偏西风为主;气温、太阳辐射、比湿等的季节变化比较显著;干湿季分明,降水主要集中在6—9月。地表反照率受土壤湿度影响,存在微小的季节变化,平均为0.20,与沙漠和戈壁相当。空气动力粗糙度和零平面位移受各方位地物分布影响而存在差异,平均分别为5.58×10~(-2)m和0.44 m。不同热力粗糙度计算方案在该地区的性能存在较大差异;热传输附加阻尼及热力粗糙度受大气边界层层结状况影响,狮泉河大气边界层层结以不稳定为主,不稳定层结下热传输附加阻尼kB-1和热力粗糙度平均值分别为11.37和6.44×10~(-7)m。土壤热容量、热传导率、热扩散率和水通量密度年平均分别为0.95×106J·m~(-3)·K~(-1)、0.24 W·m~(-1)·K~(-1)、2.73×10~(-7)m~2·s~(-1)和0.12×10~(-5)m·s~(-1),与塔克拉玛干沙漠和敦煌戈壁的观测结果比较一致。     

基于土壤温湿度观测资料估算藏北高原地区土壤热通量

基于"全球协调加强观测计划(CEOP)亚澳季风之青藏高原试验研究"(CAMP/Tibet)土壤温湿度观测资料(2004年6月8日至7月30日),利用TDEC(土壤温度预报校正)法估算并分析了藏北高原地区土壤热通量的变化特征。通过与热通量板测量结果比较发现,它们在热流方向和相位上基本一致,且在量值上具有很好的线性关系(R~20.74),但热通量板测量值普遍偏小。通过对比不同天气条件下TDEC法的估算结果表明,云的存在以及降水发生都可导致土壤热通量的波动,且表层土壤热通量波动更加强烈。对于TDEC法估算的表层土壤热通量,发现它与净辐射通量线性关系密切(R20.78),而在土壤热传导率较大的地区,其日变化相位明显先于其他地区。对于土质均匀的砂质土壤,其土壤热通量日变化振幅最大,土壤的垂直热量交换最剧烈。     

一次春季冷空气过程中东海海域海气通量与界面热交换分析

利用船测资料分析一次冷空气过程中东海海域海气通量特征及海洋表面热收支变化特征。2017年5月5日20时—6日14时冷空气过境期间,动量通量平均值为0.22 N·m-2。感热和潜热通量的平均值分别为27.17 W·m-2和90.25 W·m-2,是春季整个观测期间（2017年4月20日—5月26日）平均值的2.8倍和1.1倍。冷空气爆发当天,净热通量为-12.73 W·m-2,海洋失热。白天海表面热收入58.36 W·m-2,影响海面热收支变化的主要是净辐射通量和潜热通量。夜间海表面热支出156.89 W·m-2,海洋作为热源向大气释放潜热99.79 W·m-2,占海洋释放能量过程的63.61%,向大气释放感热27.11 W·m-2,占海表释放热量的17.28%,海表面损失的热量主要以潜热的形式向大气传输。     

半干旱草原下垫面能量平衡特征及土壤热通量对能量闭合率的影响

土壤热通量在半干旱草原下垫面能量平衡研究中极为重要,土壤热通量估计不够准确是导致地表能量不平衡的一个重要原因。利用2008年6—9月锡林郭勒草原主生长期地表辐射、通量和土壤温度梯度观测资料,研究中纬度半干旱草原下垫面地表能量平衡特征。首先,在分析能量平衡各分量月平均日变化特征的基础上,通过对土壤热流量板观测的5 cm深度土壤热通量(G)的相位前移,研究了土壤热通量相位滞后对地表能量平衡产生的影响;其次,利用谐波分析方法,通过计算地表土壤热通量(Gs),分析了地表到热流量板之间的土壤热量储存对地表能量平衡的影响。结果表明:(1)将土壤热通量相位前移30 min,湍流通量与可利用能量(Rn-G)线性回归的斜率从0.835增加到0.842,地表能量闭合率提高了0.7%,但仍有15.8%的能量不闭合;(2)考虑了地表到热流量板之间的土壤热量储存之后,湍流通量与可利用能量之间的回归斜率达到0.979,能量不闭合程度仅为2.1%。     

土壤热扩散系数的确定及其应用

本文应用六种方法，采用四种不同土壤的实测土壤温度梯度，分别计算了其表面热扩散系数，比较分析了每种方法的特点以及计算时对数据数量和精度的要求。结果表明:振幅法、位相法、反正切法和对数法，虽然可提供计算热扩散系数的解析方程，从而使计算简便，数据量少，但要求地温为单纯的正弦波，计算结果不稳定。数值法和调和分析法需应用隐含方程计算，需要数据量较大，但结果稳定可靠。用四种不同表面土壤热扩散系数模拟土壤的温度梯度，与实测值吻合得相当好，标准差小于0.043。本文还模拟了四种土壤条件下的土壤热通量，并与实测值进行了比较，结果也是令人满意的。     

深层地温变化无常与采集器接地的关系

1问题的引出西乌旗气象局2006年1月1日迁站,迁站后发现:320cm地温变化剧烈,日变化幅度大(见表1),每小时之间的变化在0.1~1.6℃,有时达2.7℃。变化时大时小,原因不明,引起了观测人员和技术人员的思索。经实际观测发现:深层地温变化无常与采集器接地是否良好有直接关系。2地温变化规律在无特殊天气条件情况下,地温的变化幅度从地表到深层是逐渐减小的。道理很简单,地表面直接接收太阳辐射,大量的热量都被地表所吸收或反射,只有少量的热量才由地表经浅层到深层靠土壤的热传导来传递,经过逐层土壤对热量的吸收,到深层时热量很少,因此深层地温变…     

地表热通量测量中的问题

由于缺乏对土壤表面发生的各种过程的了解，往往会导致土壤表面热通量测量的不正确。基想根据地表以下一些度处的抛弃爱量测量资料准确地确定地表的热通量，不但要考虑则板以上的热量存同，而且要考虑到测板以下的潜热损耗。如果忽略热储量就会导致大的误差，如忽略潜热过程，则会有更大的误差。     

对几例气温反常现象的分析

众所周知,白天土壤表面由于吸收太阳辐射而增温,并且通过分子热传导向深处传递热量。每层土壤都会吸收到一些热量。这样一来,越是处在下层的土壤获得的热量越少,所以土壤内部温度的变化随深度的增加而减小。从这个理论出发,表1中15cm、20cm深地温应低于5cm、10cm深地温,而该记录     

2008年夏季中国干旱-半干旱区陆面主要物理参数的平均特征

采用2008年7-9月观测的中国干旱-半干旱区试验观测协同与集成研究资料,选取12个测站(涵盖不同气候环境区的草地、农田、果林和森林等下垫面)比较分析了干旱-半干旱区的动力、热力和水汽粗糙度长度、总体输送系数、反照率以及土壤热传导率和热扩散率的夏季平均特征,并与陆面模式的理论参考值进行了对比。结果表明,植被下垫面的水、热特性和植被高度对主要陆面参数有重要影响,但植被下垫面的土壤热传导率和扩散率与下垫面类型之间无明显关系。动力学粗糙度长度与下垫面的植被高度呈正相关关系,无论是稳定还是不稳定层结下,动量拖曳系数都随着植被高度的增大而增大,而反照率随植被高度的增加而降低。在研究区的下垫面中,草地下垫面动力学粗糙度长度的实测值比模式理论参考值偏小,但农田和果林下垫面的实测值比理论参考值偏大;草地下垫面动量拖曳系数理论的参考值比实测值高,但其他下垫面的实测值高于理论参考值;实测反照率处于可见光反照率和近红外光反照率之间,但反照率的理论参考值比实测值偏高。     

冷迳流的理论研究

本文研究了在Y方向无限伸展的斜坡上冷迳流的形成和特征。在一般的条件下,通过数值求解大气运动方程、连续方程、热力学方程和地表热量平衡方程、土壤热传导方程,得出了冷迳流的时空变化规律;并试验了不同土壤热力特性、热含量、云量、湍流交换强度、斜坡的坡度和长度下冷通流的变化。计算的结果与观测数据相比较,基本是符合的。     

土壤热量通量和蓄热量的计算原理与方法研究

土壤热量通量和蓄热量的计算原理与方法研究郭绍存，杜秀贤，梁秀婷（内蒙古自治区气象科研所）利用土壤热传导方程推导出的式（６），又经图解积分法再次推导而成的式（１０），连同公式（７）分别是计算０─２０厘米深土壤表层某时段内平均热量通量和相应时段内总蓄热量...     

对云滴凝结增长方程的质疑

基于多元体系化学势和相平衡原理,分析认为“水蒸气凝结释放的潜热既升高了云滴表面温度,又向外传导热量”的观点违反了热力学第二定律,指出这样热传导过程是不可能进行的,分析认为大气中水蒸气凝结只能以辐射形式释放潜热。