随机平衡设计傅里叶振幅敏感性分析方法和拓展傅里叶振幅敏感性分析方法在陆面过程模式敏感性分析中的应用探索

探讨了随机平衡傅里叶振幅敏感性分析方法(RBD-FAST)和扩展傅里叶振幅敏感性分析方法(EFAST)在陆面过程模式参数敏感性研究中的应用. 试验中使用通用陆面过程模式(CoLM)和通榆退化草地2008年夏季观测资料, 针对陆气相互作用中重要的要素: 感热通量(SH)、潜热通量(LH)、地表温度(ST), 2 m气温(T2m)和2 m湿度(Q2m), 分析了11 个参数(土深、1–5层黏土比率、孔隙度、最大露水厚度、50%植物根深、地表空气粗糙度和冠层下土壤拖曳系数)的敏感性大小. 结果表明, RBD-FAST和EFAST对参数的一阶敏感性检验结果较为一致且与之前的研究结果类似, EFAST方法还可以得到考虑了参数间相互作用的整体敏感性. RBD-FAST的优势主要表现为在极大地减少了计算消耗机的同时, 一次取样即可计算所有参数的一阶敏感性, 而EFAST的优势则在于通盘考虑了参数之间的相互影响, 可以得到更为合理的整体敏感性序列. 针对不同需求, 选择使用这两种敏感性分析方法, 有助于提高陆面过程模式参数化方案的改进效率.     

黄土高原区域气候暖干化对地表能量交换特征的影响

本文将观测试验资料与陆面过程模式模拟资料相结合, 对目前4个流行的陆面过程模式的模拟资料进行了验证分析, 发现通用陆面模式(CLM)模式的模拟资料在黄土高原地区比较可靠. 在此基础上,利用近几十年CLM模式模拟资料和气象站观测资料, 分析了黄土高原地区的区域气候和地表能量交换特征的变化规律, 研究了该地区地表能量交换对降水和温度变化的响应特征, 讨论了该地区气候变化对地表能量交换特征的影响机理. 研究发现,近几十年来黄土高原区域气候表现为明显的暖干化趋势, 从而引起太阳总辐射、地表反射辐射和地表长波向上辐射的增加 及地表长波向下辐射的减小,并由此造成地表净辐射通量减少. 与之相对应,不仅地表潜热通量呈减小趋势,而且地表感热通量和土壤热通量也呈减小趋势, 但地表热量分量的分配比例基本不变.并且发现,地表感热通量的年变化主要由太阳辐射控制, 而潜热通量的年变化则受太阳辐射和降水共同影响;地表热量分量的年际变化均对降水变化响应很敏感, 而对温度变化响应不太敏感,气候干旱化对地表能量平衡的影响比气温变暖的影响更突出. 关键词： 黄土高原 区域气候暖干化 陆面过程模拟 陆面能量交换     

条件非线性最优扰动方法在陆面过程模式参数优化中的扩展应用初探

本文旨在探讨条件非线性最优扰动(CNOP)方法在陆面过程模式的参数优化工作方面的扩展应用.使用通用陆面模式(CoLM)和CEOP地面基准站——吉林通榆站退化草地2006年生长季的资料,针对土壤颜色、砂土比例和叶面积指数等关键模式参数,使用感热通量、潜热通量和浅层土壤温湿度作为检测变量,设计了单参数和多参数优化试验.结果表明,CONP扩展方法得到的优化参数提高了CoLM对检测变量的模拟能力,并且多参数的优化结果明显优于单参数的优化结果,在模式模拟偏差较大的土壤湿度方面改进尤为显著,此外,使用了差异进化算法( 关键词： 条件非线性最优扰动(CNOP) 陆面过程模式 参数优化     

陇中黄土高原自然植被下垫面陆面过程及其参数对降水波动的气候响应

作为气候敏感区和生态脆弱区,黄土高原地区的陆面物理过程受气候波动影响十分明显.目前,虽然对黄土高原特定气候条件下的陆面物理过程有了一定认识,但对其随气候波动的动态变化规律认识却非常有限.本文利用黄土高原陆面过程观测试验在陇中黄土高原榆中SACOL站5年多的观测资料,系统分析了该地区自然植被下垫面陆面水分收支和能量平衡及地表反照率、土壤热传导率和粗糙度长度等陆面过程参数对气候波动的响应规律,发现陇中黄土高原自然植被下垫面的陆面过程特征及其参数对降水的气候波动十分敏感,不仅对降水量波动响应显著,而且与降水性质也密切相关.土壤湿度并不完全随年总降水量波动,而是随有效降水量增加而增大;陆面水分收支和土壤水分收支也随有效降水量波动变化明显;近地层垂直感热平流通量随年总降水量增加而减弱,地表能量不平衡差额却随年总降水量增加而增大.夏半年平均反照率随有效降水量增加而减小,但全年平均地表反照率却受冬季积雪时数影响十分明显,而且随积雪时数增加而增大;土壤热传导率和粗糙度长度均随年有效降水量增加而增加.并且,降水量越小,陆面过程参数对降水波动的响应就越敏感.不过,陆面过程参数基本在荒漠气候平均值和农田气候平均值之间波动,并没有突破气候约束,能够用拟合关系来表示它们对降水因子波动的响应规律,这种动态参数化关系可用来改善以往数值模拟或微气象分析时由于使用非动态陆面过程参数所带来的误差.     

黄土高原地表能量平衡分量年际变化及其对气候波动的响应

本文利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL站)2006—2012年陆面过程观测资料和榆中站气象资料,分析了7年间榆中气温降水的气候变化背景,讨论了陆面地表能量平衡分量的年际变化,研究了波文比、能量闭合度的年际波动,探讨了地表能量平衡分量以及各陆面过程参数对黄土高原气温、降水年际波动的反馈.结果显示,地表各能量分量都对气候背景的波动做出响应,但敏感性各有不同,净辐射与气温相关性最强,感热潜热与降水相关性较好.分为冬夏半年讨论后得出,冬半年地表平衡分量与气候波动的相关性更好.冬半年中,各分量又与气温有着较高的相关,可见该地区地表能量各分量对冬半年气温波动的响应更为敏感.波文比的上升趋势与该地区降水量减少的背景响应,说明干旱程度的加深.能量闭合度的波动变化显示了在气候变化的背景下该地区陆面能量不闭合程度的加深.     

黄土高原地表能量不闭合度与垂直感热平流的关系

地表能量不平衡问题一直是陆面过程研究的一个重要科学难题.本文利用在陇中黄土高原观测的陆面过程资料,分析了气候地表能量不闭合度和短期地表能量不闭合度的分布特征,研究了地表能量不闭合度与垂直速度之间的关系,发现地表能量不闭合与垂直速度具有很好的相关性.并且,估算了近地层垂直感热平流通量,分析了考虑垂直感热平流后的地表能量平衡的特征,发现引入垂直感热平流输送对地表能量不闭合度有明显的改进. 关键词： 黄土高原 非均匀性 垂直感热平流 能量不闭合度     

空气热储存、光合作用和土壤垂直水分运动对黄土高原地表能量平衡的影响

地表能量不平衡问题一直是陆面过程研究的一个重要科学难题. 本文利用黄土高原陆面过程试验(LOPEX)资料, 在将垂直感热平流项引入地表能量平衡方程的基础上, 估算了空气热储存和光合作用储存的大小, 并分别用水分守恒关系和两层土壤温度方法计算了浅层土壤水分垂直通量, 考察了空气热储存、光合作用储存和水分垂直运动热量输送对地表能量平衡的影响.结果表明: 黄土高原区自然植被下垫面的空气热储存、光合作用储存和土壤水分垂直运动热量输送平均日变化峰值分别达到1.5, 2.0和7.9 W·m^-2; 在能量平衡方程中引入这三项后, 地表能量闭合度由88.1%提高到89.6%. 空气热储存、光合作用储存和水分垂直运动热量输送对于改善黄土高原地表能量不平衡状况有一定作用, 研究区域的半干旱气候背景和植被状况是导致各热储存量与其他试验区存在差异的根本原因.     

云和降水扰动对黄土高原半干旱草地辐射收支及能量分配的影响

地表辐射收支和能量分配对陆-气系统的反馈是气候模式中最重要的物理过程之一. 认识半干旱地区云和降水的扰动对辐射收支和能量分配的影响规律, 是提高数值模式中评估地表辐射收支和能量平衡参数化效果的关键环节. 利用兰州大学半干旱气候与环境观测站2008年的观测资料, 研究了云和降水的扰动对辐射收支各分量的削弱作用及对地表能量平衡的影响规律. 年平均结果表明, 多云状况可以作为年平均的气候背景; 云和降水对短波辐射削弱最强, 大气向下长波辐射随天空云量的增加而增强, 地表向上长波辐射随着云量的增加而减小, 净辐射占总辐射的比率受云和降水的影响较小. 季节平均结果显示, 短波辐射日积分量在生长季和非生长季均随云量的增加而降低, 生长季云和降水对短波辐射的削弱作用明显强于非生长季. 生长季, 晴天、少云和多云时向上长波辐射差异不大, 阴天时向下和向上长波辐射明显减小. 非生长季, 地表向上长波辐射受云和降水的影响较小, 日积分量变化不大, 向下长波辐射随云量的增多而增强. 地表反照率具有明显的日变化和季节变化, 冬季大, 秋季小; 地表反照率日变化呈不对称的“V”形分布. 生长季, 感热通量和土壤热通量随云量增多而减小; 潜热通量在晴天、少云和多云状况下随云量增多而增大; 阴天时受降水影响, 净辐射的严重削弱导致了潜热通量大大降低. 非生长季, 少云时净辐射日积分量最大, 晴天时的净辐射与多云和阴天状况接近; 感热和潜热通量随云量的增多而减小, 土壤热通量日平均积分值在非生长季为负. 生长季, 多云状况的能量闭合度最好, 能量不平衡差额占净辐射的3.9%; 阴天时最差, 不平衡差额占净辐射的16.8%; 晴天和少云状况不平衡差额约占净辐射量的7%. 非生长季受积雪影响, 能量不闭合差额明显大于生长季. 关键词： 半干旱草地 云和降水的扰动 辐射收支 能量平衡     

草原下垫面湍流动量和感热相似性函数及总体输送系数的特征

地表动量和热量输送对全球气候和大气环流变化具有重要影响,Monin-ObukhoV（M-O）相似性函数是计算近地层动量和热量通量的重要手段,获得准确的总体输送系数是提高大气模式模拟能力的关键环节.本文利用锡林郭勒草原2008年春季近地层湍流通量观测资料,对M-O相似性函数进行了修订,拟合出了经验公式,并建立了10 m高度水平风速与动量总体输送系数和感热总体输送系数的关系.研究发现,修订的M-O相似性函数计算的湍流通量与涡旋相关法测量值相比,动量通量低估了10.8%,感热通量高估了6.5%Businger-Dyer通量廓线关系计算的湍流通量与涡旋相关法测量值相比,动量通量低估了37.0%,感热通量高估了16.1%.近地层大气层结不稳定时,动量总体输送系数与10 m高度水平风速满足关系C_D=0.009u^-0.322,感热总体输送系数与10 m高度水平风速满足C_H=0.184U^-1.978;近地层大气层结稳定时,总体输送系数与10 m高度水平风速符合对数规律,并随风速增大趋于中性或近中性.修订的M-O相似性函数可显著提高平均梯度观测资料计算草原下垫面湍流通量的准确性;总体输送系数与10 m高度水平风关系的建立.为描述草原下垫面湍流输送特征提供了可靠的参数化方案.     

干旱区不同下垫面能量分配机理及对微气候反馈的研究

本文利用位于美国新墨西哥州距离接近并且天气背景相同的四种下垫面(沙漠草原、稀疏灌木林、稀树草原和浓密灌木林)站点的通量观测资料, 探讨了几种典型干旱下垫面的能量分配差异, 并分析了其对微气候的反馈机理. 结果表明, 四种下垫面叶面积指数和粗糙度在由沙漠草原指向浓密灌木林的梯度方向上呈现增加的趋势, 低覆盖度下垫面表现出更强的湍流输送阻力. 总体来看, 高覆盖度下垫面的净辐射、感热和潜热相对更高, 尤其在生长季更明显. 利用Penman-Monteith公式以及净辐射结合波文比两种方法诊断了在不同下垫面更替中湍流通量各影响因子的贡献. 随着植被覆盖程度的提高, 净辐射的变化对感热和潜热的变化起着决定作用, 且为正贡献; 地表阻抗和空气动力学阻抗变化引起的贡献相反. 此外, 沙漠草原和稀疏灌木林的地表温度和气温均高于浓密灌木林, 主要源于稀疏植被增大的空气动力学阻抗和波文比引起的增温贡献, 同时抵消了净辐射减小引起的降温效应, 表明在相同气候和天气背景下, 不同下垫面的陆面过程确实会对近地层微气候有明显的反馈作用.     

一维大气边界层光学折射率结构常数的数值模式

提出了一种大气光学折射率结构常数的数值模式。通过解大气边界层风速、位温度、绝对湿度预报方程,表面热平衡方程和土壤热传导方程,得到地表温度、表面层的动量通量、显热通量和潜热通量。再由Monin Obukhov相似理论,从湍流通量和温度结构常数的经验关系计算出折射率结构常数。     

相对湿度对空调中翅片管蒸发器性能的影响

基于换热器几何结构参数以及流路布置等相同的3HP商用空调,在空调工况下,研究了相对湿度对R22替代制冷剂R407C、R410A、R32以及R290在蒸发器内的流动和传热性能的影响规律。研究表明:在一定的条件下,增加环境相对湿度,这五种制冷剂对应蒸发器换热量、压降和质量流量均增加,其中R407C蒸发器换热量最大,R290和R32蒸发器压降和制冷剂质量流量均小于R22蒸发器。在低湿度环境下(约20—30%相对湿度),显热换热占主导因素。随着相对湿度的增加,显然换热减少,潜热换热增强且起主导因素。在满足换热量的要求下,R290在协调压降与质量流量具有一定的优势且满足现行工质替代理念,可以作为现有商用空调的环保型替代工质。     

一维大气边界层光学折射率结构常数的数值模式

 提出了一种大气光学折射率结构常数的数值模式。通过解大气边界层风速、位温度、绝对湿度预报方程,表面热平衡方程和土壤热传导方程，得到地表温度、表面层的动量通量、显热通量和潜热通量。再由Monin Obukhov相似理论，从湍流通量和温度结构常数的经验关系计算出折射率结构常数。     

近地面层热通量和气体通量光学监测新方法研究

监测地气间动量、热量和痕量气体等的交换对水文、气象和生态环境等有着重要的意义。阐述了一种利用自行研制的大口径闪烁仪(LAS)、光学温度梯度仪和基于可调谐二极管激光吸收光谱术(TDLAS)的开放光路痕量气体监测系统,实现了较大区域热通量和二氧化碳等气体通量快速监测的方法。实验结果表明,所测数据与涡动相关(EC)仪的数据比较,显热通量的相关系数为0.91,二氧化碳通量的相关系数为0.74。由此,用大口径闪烁仪监测区域热通量和基于TDLAS光学技术连续可靠监测陆地区域碳通量是完全有可能的,这种方法在大区域热通量和气体通量监测将会有很好的应用前景。     

高功率脉动热管的流动和传热特性

在毛细滞后阻力方面,改进了所建立的高功率脉动热管的模型,进一步研究了脉动热管的流动和传热特性.根据控制体进出口液体容积流率的变化和流型的环状流特点,提出了确定毛细滞后阻力的新方法,关联了脉动热管的充液率、传递的功率大小、流速等参数之间的耦合关系,从而进一步说明了显热和潜热贡献的转换关系和传热特性.结果表明,工质的流速主要受毛细管管径、加热段的热流密度、传递的功率大小等影响较大,受毛细管长度的影响较小;总传热量中显热传热量仍占大部分.