第13章 沙漠一绿洲生态系統 陆一气相互作用 和绿洲效庇的数值模拟
沙漠－绿洲生态系统 陆－气相互作用 和绿洲效应的数值模拟 第13章
outline 、引言 资料来源 三、模式介绍 四、结果分析
outline 一、引言 二、资料来源 三、模式介绍 四、结果分析
研究义 在千早杀件下,千百万年来,是什么 原因使得有的绿洲蒌缩消失了,有的 引 绿洲则生存了下来,并且有所扩展, 一定有其原因所在,既有外因、也有 言 內因;什么尺度的绿洲及绿洲植被覆 盖度多大量有利于绿洲的维持等是蔓 探索的关鍵问题。我们利用数值模拟 的方法在研究了绿洲荒漠地区水热輸 送、动力学机理的基础上,对以上问 题进行了系列数值模拟和灵敏度因子 检验,得到了一些值得甩考的结果
引 言 研究意义 在干旱条件下，千百万年来，是什么 原因使得有的绿洲萎缩消失了，有的 绿洲则生存了下来，并且有所扩展， 一定有其原因所在，既有外因、也有 内因；什么尺度的绿洲及绿洲植被覆 盖度多大最有利于绿洲的维持等是要 探索的关键问题。我们利用数值模拟 的方法在研究了绿洲荒漠地区水热输 送、动力学机理的基础上，对以上问 题进行了系列数值模拟和灵敏度因子 检验，得到了一些值得思考的结果
陆面物理与大气耦合模式 本模式:參考了 Deardorff地气相互作用参数化方案 noilhan土壤含水量参数化方案 Dickinson生物團大气图模式参教化方案 Sellers简单生物團模式参教化方案 完菩了 陆面物理过程参教化棋式 完成了 陆面物理尅程与大气边界层棋式的耦合
陆面物理与大气耦合模式 • 本模式：参考了 Deardorff 地-气相互作用参数化方案 Noilhan 土壤含水量参数化方案 Dickinson生物圈大气圈模式参数化方案 Sellers 简单生物圈模式参数化方案 完善了 陆面物理过程参数化模式 完成了 陆面物理过程与大气边界层模式的耦合
资料來源-黑河奥验 ·在水平尺度50km的模式中,应用了1991 年夏季HⅠ奥验野外观测基本观测实验 (FOP) 张掖站(绿洲):平坦开阔,春小麦、〉 米条种;化音站(戈聲):水平均勻戈 壁;沙漠站(沙婆):起伏沙丘06驸的 平均资料作为初始场资料 在水平尺度100k的模式中,应用了1991 年夏季HIF实验野外观测1OP2观测中 小屯(绿洲)、化音(壁)的月平均资 料拟合,作为绿洲、戈壁地区的模初 始场资料
资料来源- 黑河实验 • 在水平尺度50km的模式中，应用了1991 年夏季HEIFE实验野外观测基本观测实验 （FOP） • 张掖站(绿洲）：平坦开阔，春小麦、玉 米套种；化音站（戈壁）：水平均匀戈 壁；沙漠站（沙漠）：起伏沙丘06时的 平均资料作为初始场资料； • 在水平尺度100km的模式中，应用了1991 年夏季HEIFE实验野外观测IOP—2观测中 小屯(绿洲)、化音（戈壁）的月平均资 料拟合，作为绿洲、戈壁地区的模式初 始场资料
陆面过程参数化 地表能量收支平衡 短波辐射 长波辐射 土壤热 通量 量 通量 通量 入射太阳 反射 地面 感热 水汽 士壤 深层土壤 短波辐射 短波辐射 射向地面 射向大气 输送系数 热力系数 温度 地表 大气长波 土壤常温层 高度角 反照率 放射系数 温度 大气 植被 光学厚度 盖率 含水量 叶面积 饱和比湿 层结 植被 稳定度
陆面过程参数化 地表能量收支平衡 短波辐射 通量 长波辐射 通量 感热 通量 潜热 通量 土壤热 通量 入射太阳 短波辐射 反射 短波辐射 太阳 高度角 大气 光学厚度 天空 漫反射 地表 反照率 大气 射向地面 地面 射向大气 大气长波 放射系数 大气 温度 地表 温度 感热 输送系数 土壤 热力系数 深层土壤 温度 水汽 通量 地表 蒸发 植被 蒸腾 地表 含水量 大气 湿度 空气 饱和比湿 深层土壤 含水量 土壤常温层 温度 层结 稳定度 植被 覆盖率 叶面积 指数
微分方案及模式模拟区域 时间微分:向前差分(时间步长为10s) 空间网格 1、50×20个格点,水平1-15荒漠,16-35绿洲, 36-50荒淇 2、100×20个格点,水平1-30戈壁,31一70绿洲, 71-100戈壁 水平方向:间隔为1000m 垂直方向:0,10,20,50,80,100,150,200,250,300, 400,500, ,750,1000,1250,1500,2000,2500,3000,4000
微分方案及模式模拟区域 • 时间微分：向前差分（时间步长为10s） • 空间网格： 1、50×20个格点，水平1－15荒漠，16－35绿洲， 36－50荒漠 2、100×20个格点，水平1－30戈壁，31－70绿洲， 71－100戈壁 水平方向：间隔为 1000m 垂直方向：0, 10, 20, 50, 80, 100,150, 200, 250, 300, 400,500, 750, 1000,1250,1500，2000,2500,3000,4000
结果分析 绿洲-荒漠地区地表辐射平衡 Heat balance on oasis Heat Balance on gobi Rn LE 12131415161718 678910111213141516118
结果分析 绿洲-荒漠地区地表辐射平衡 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Time(h) -400 0 400 800 1200 H eat(W /m 2) Heat Balance on Oasis QK Rn G H QR LE 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Time(h) -400 0 400 800 1200 Heat(W /m 2 ) Heat Balance on Gobi QK Rn G H LE QR
HEAT FLUX 80000 。H 60000 一0G 一0G 40000 H A人 1200 20.00 120016 24.00 desert oasIs Diurnal variation of ground surface heat balance over desert and oasis areas 荒漠和绿洲地表热量平衡的日变化
Diurnal variation of ground surface heat balance over desert and oasis areas 荒漠和绿洲地表热量平衡的日变化 4.00 8.00 12.00 16.00 20.00 24.00 0.00 200.00 400.00 600.00 800.00 HEAT FLUX QH QE Q* Qsw QG (W/m2) t 4.00 8.00 12.00 16.00 20.00 24.00 -200.00 0.00 200.00 400.00 600.00 800.00 Legend Title QH QE Q* Qsw QG desert oasis H LE H LE
潜热通量 地表温度与土壤含水量 - oasIs 437 678910111213141516118 绿洲-荒漠地表温度日变化国绿渊土壤含水量日变化图
潜热通量 地表温度与土壤含水量 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Time(h) 290 300 310 320 330 T(K) gobi oasis 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Time(h) 0.22 0.24 0.26 0.28 0.3 0.32 0.34 wg (m3 /m3 ) 0.435 0.436 0.437 0.438 0.439 0.44 W2 (m3 /m3 ) w2 wg 绿洲-荒漠地表温度日变化图 绿洲土壤含水量日变化图