浑善达克沙地GSPAC系统水汽热运移及能量平衡

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论文以国家自然科学基金地区项目“浑善达克沙地天然植被蒸散发计算与耗水机理研究(50769005)”以及国家自然科学基金重点研究项目“京蒙沙源区植被建设中水资源优化配置研究(50139040)”为支持,进行了精细周密的野外试验及室内实验,选取典型频率年—2004年(降水频率为43%)、2005年(降水频率为84%)及2006年(降水频率为14%)的气象数据、作物生物生理指标及土壤特性等数据进行计算和分析。用实测的表层土壤物化性质及土壤质地数据对资料缺测地区土壤水力特性参数进行确定。采用4种方法计算研究区参考作物腾发速率ET_o,以FAO56 Penman- Monteith为基准对其他三种常用ET_o计算式进行气象因子的的校正;用双作物系数法和Isareg模型计算植被腾发速率,对典型频率年腾发速率特征及其影响因素进行分析;比较典型频率年水汽热在表层、根系层、变饱和带迁移规律;进一步研究了土壤剖面昼夜、晴阴天水汽热运移规律;辐射平衡、能量平衡和光合作用特征及其影响因素的分析。得出以下主要结论:1.资料缺测地区土壤水力特性参数的确定。用实测的表层土壤物化性质及土壤质地数据,分别采用RETC软件中的PTFs函数及通过SPSS软件建立的当地PTFs函数对资料缺测地区土壤水力相关参数进行确定,通过了拟合相关图和均方差的检验,认为得出的饱和导水率、饱和含水率与土壤物化特性及土壤质地不是简单的线性关系,建立的当地PTFs函数在该地区可用。通过SPSS软件建立资料缺测地区的PTFs函数,把非线性问题转化为线性问题为本文的创新点之一。2.采用4种方法计算研究区ET_o,对典型频率年腾发速率特征及其影响因素进行分析。(1)对遗传算法率定ET_o相关参数(a_s和b_s)的可行性进行分析,取得了更加适合当地的较精确结果;(2)以普适性强、精度高的FAO56 Penman-Monteith为基准对其他三种常用ET_o计算式进行气象因子的的校正,本文在此处实现创新,为寻找计算参照作物腾发速率的简易模型提供了新途径,在其他地区的实用性及普适性有待于进一步考证;(3)对腾发速率与环境因子的关系进行了探讨,认为丰枯年影响因子大体相同,只是枯水年湿度的影响大于气温的影响,丰水年正好相反。3.对天然植被土壤水汽热通量的时间、空间信息进行同步分析的还鲜见报道。用枯水年资料建模,丰水年资料进行模型参数的检验。对丰枯年土壤剖面水通量的异同点进行了分析,揭示了丰枯年土壤剖面水汽通量特征和土壤剖面水汽热昼夜运移规律。4.以天然植被为例,进行了丰枯能量平衡对比。枯水年冠层潜热通量与其有效能量的关系为λE_c=0.965Ln(A_c)+3.803,R~2=0.59;丰水年二者的关系为λE_c=1.158A_c + 1.479,R~2=0.79。通过生育期λE_s/(λE_c+λE_s)的变化过程可以判断丰水年冠层达到全覆盖时对应的叶面积指数LAI=2.17,而枯水年难以判断。
摘要第3-5页
Abstract第5-6页
1 引言第11-22页
    1.1 选题依据及研究背景第11-12页
    1.2 研究的意义第12-13页
        1.2.1 水分运动的研究意义第12页
        1.2.2 水热运移的研究意义第12页
        1.2.3 土壤汽运移的研究意义第12-13页
        1.2.4 GSPAC 系统能量平衡研究意义第13页
    1.3 研究进展第13-19页
        1.3.1 GSPAC 系统水分运动的研究进展第13-15页
        1.3.2 水汽热耦合研究进展第15-16页
        1.3.3 GSPAC 系统能量平衡研究进展第16页
        1.3.4 通用水热、水汽热耦合模型简介第16-19页
    1.4 研究目标与内容及技术路线第19-20页
        1.4.1 研究目标第19页
        1.4.2 主要内容第19-20页
        1.4.3 技术路线第20页
    1.5 特色及创新之处第20-22页
2 研究区概况与试验观测第22-29页
    2.1 研究区概况第22页
    2.2 野外试验点的布设情况第22页
    2.3 试验观测项目第22-29页
        2.3.1 微气象要素观测第22-24页
        2.3.2 土壤水分观测第24页
        2.3.3 牧草生长指标的测量第24-25页
        2.3.4 牧草株间土壤蒸发量测量第25页
        2.3.5 生理指标的采集第25页
        2.3.6 地下水位的观测第25页
        2.3.7 土壤水分特征曲线测定第25-27页
        2.3.8 土壤物理特征参数测定第27-28页
        2.3.9 土壤化学特征参数测定第28-29页
3 土壤水热运动参数的确定第29-43页
    3.1 土壤水运动相关参数第29页
    3.2 土壤热运动相关参数第29页
    3.3 土壤水热运动参数的研究进展第29-32页
        3.3.1 土壤水分运动参数的研究进展第29-31页
        3.3.2 土壤热特性参数的研究进展第31-32页
    3.4 饱和导水率的确定第32-40页
        3.4.1 RETC 软件第32-38页
        3.4.2 RETC-PTFs 确定饱和导水率第38页
        3.4.3 当地-PTFs 确定饱和导水率第38-40页
    3.5 其他水力参数的确定第40-42页
    3.6 土壤热参数的确定第42页
    3.7 小结第42-43页
4 腾发速率特征及影响因素分析第43-70页
    4.1 净辐射的计算第43-46页
        4.1.1 遗传算法模型的建立及求解第44-45页
        4.1.2 参数的检验和确定第45-46页
        4.1.3 计算结果分析第46页
    4.2 参照作物腾发速率第46-56页
        4.2.1 计算方法第46-47页
        4.2.2 计算结果比较第47-56页
    4.3 基于双作物系数法的作物腾发速率第56-57页
        4.3.1 确定生长中期阶段基本作物系数第56页
        4.3.2 作物腾发速率计算式第56-57页
    4.4 基于 Isareg 模型的作物腾发速率第57-62页
        4.4.1 模型概况第57页
        4.4.2 基本原理第57-59页
        4.4.3 数据的输入第59-62页
        4.4.4 模型检验和率定第62页
    4.5 结果的对比与分析第62-66页
        4.5.1 结果的对比第62-63页
        4.5.2 腾发速率与环境因子的关系第63-64页
        4.5.3 腾发速率特征分析第64-66页
    4.6 光合特性及环境因素对其的影响第66-68页
        4.6.1 光合特性第67页
        4.6.2 环境因素对光合作用的影响第67-68页
    4.7 小结第68-70页
5 水汽热运移规律第70-101页
    5.1 HYDRUS 模型的基本理论及运行条件第70-79页
        5.1.1 变饱和带水汽运动方程第71-74页
        5.1.2 热传输方程第74-75页
        5.1.3 表面能量平衡第75-76页
        5.1.4 数值求解第76-77页
        5.1.5 初始条件和边界条件第77-79页
    5.2 HYDRUS-1D 模型的率定与检验第79-85页
        5.2.1 HYDRUS-1D 模型的率定第79-83页
        5.2.2 HYDRUS-1D 模型的检验第83-85页
    5.3 水汽热联合运移动态变化第85-92页
        5.3.1 水在各界面的转化及运移特征第85-88页
        5.3.2 汽在各界面的转化及运移特征第88-90页
        5.3.3 温度及其梯度第90-91页
        5.3.4 水汽通量的影响因素第91-92页
    5.4 降水后的土壤剖面分布第92-94页
    5.5 水汽热昼夜运移规律第94-99页
        5.5.1 土壤温度昼夜变化第95-96页
        5.5.2 水通量昼夜变化第96-98页
        5.5.3 汽通量昼夜变化第98-99页
    5.6 小结第99-101页
6 辐射特征和能量平衡第101-111页
    6.1 太阳辐射变化规律第101-103页
        6.1.1 太阳辐射日内变化第101-102页
        6.1.2 太阳辐射日变化第102-103页
        6.1.3 太阳辐射月变化第103页
    6.2 净辐射变化规律第103-104页
        6.2.1 净辐射日内变化第103-104页
        6.2.2 净辐射日变化第104页
        6.2.3 净辐射月变化第104页
    6.3 能量平衡各分量变化特征第104-109页
        6.3.1 基本公式第105页
        6.3.2 冠层有效能量、潜热和显热通量的变化过程第105-107页
        6.3.3 土壤有效能量、潜热和显热通量的变化过程第107-108页
        6.3.4 土壤热通量变化特征第108-109页
    6.4 热量平衡特点第109页
    6.5 小结第109-111页
7 结论和展望第111-115页
    7.1 结论第111-113页
        7.1.1 土壤水热运动参数的初步确定第111页
        7.1.2 腾发速率特征及影响因素分析第111-112页
        7.1.3 水汽热运移规律第112-113页
        7.1.4 辐射特征和能量平衡第113页
    7.2 展望第113-115页
致谢第115-116页
参考文献第116-136页
作者简介第136页
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