【摘要】：農(nóng)牧交錯帶具有草地—農(nóng)田—裸地大面積相互鑲嵌的獨特下墊面,其植被覆蓋變化劇烈、生態(tài)脆弱、地表水熱過程變化復(fù)雜,在全球氣候變化和水文過程中起著重要作用,對其進(jìn)行研究是不可或缺的。受限于觀測資料欠缺,目前針對西北農(nóng)牧交錯帶復(fù)雜下墊面的研究較少。因此,本文基于研究團隊2017年在寧夏鹽池設(shè)立的觀測站數(shù)據(jù),分析了西北農(nóng)牧交錯帶農(nóng)田和草地下墊面的地表水熱過程特征,并對地表水熱過程模式CLM4.5在該區(qū)域的模擬性能進(jìn)行評估和改進(jìn)。研究結(jié)論主要如下:第一、根據(jù)觀測數(shù)據(jù)表明西北農(nóng)牧交錯帶鹽池站草地的太陽輻射、大氣長波輻射、地面反射輻射、地面長波輻射和凈輻射有著顯著的年內(nèi)變化和日變化特征,與西北干旱區(qū)的規(guī)律相似。地表反照率受植被變化、土壤含水量和降水影響,在10月達(dá)到最小,年均值為0.21。西北農(nóng)牧交錯帶鹽池站草地和農(nóng)田的土壤溫度在夏季隨土壤深度加深遞減,在冬季隨土壤深度加深遞增。在7~8月由于灌溉作用和玉米冠層覆蓋度較大,導(dǎo)致農(nóng)田土壤溫度較草地低。鹽池站草地土壤含水量在10~15 cm最高,農(nóng)田土壤含水量在5~10 cm最高。農(nóng)田土壤含水量整體高于草地,這是由于農(nóng)田翻耕作用導(dǎo)致。第二、在復(fù)雜下墊面下,CLM4.5仍能較好地模擬出草地的地面反射輻射、地面長波輻射和凈輻射隨時間的變化特征。地面反射輻射在5月由于葉面積指數(shù)偏高而偏低,其它時期略偏高;地面長波輻射模擬值白天偏高是源于地表溫度模擬值偏高;受地面反射輻射和地面長波輻射影響凈輻射模擬值表現(xiàn)為偏低。CLM4.5能較好地模擬出草地土壤含水量和溫度的垂直分布和時間變化特征,但由于熱傳導(dǎo)率模擬偏大導(dǎo)致土壤溫度模擬值表現(xiàn)為夏季偏高,冬季偏低。土壤含水量模擬值偏低與孔隙度密切相關(guān)。第三、CLM4.5在農(nóng)田下墊面的模擬結(jié)果顯示模式在鹽池站的自動灌溉量(3734 mm)遠(yuǎn)大于本地實際的灌溉量(300~600 mm),導(dǎo)致在5~9月土壤溫度模擬值偏低(-5℃),土壤含水量變化趨勢與觀測值差異較大。通過修改模式將灌溉時間和灌溉量本地化后,生長季土壤溫度的模擬值與觀測值的相關(guān)系數(shù)從0.83增加到0.89,均方根誤差從-2.52℃減小到-0.62℃,土壤含水量模擬值與觀測值的相關(guān)系數(shù)從0.26增加到0.70。第四、在晴天和陰天,土壤溫度模擬值表現(xiàn)為草地偏高,農(nóng)田偏低。在一次降雨事件中,由于模式在降雨后對土壤溫度的偏高情況得到了緩解,地面長波輻射在降雨后的模擬性能比降雨前好,所以模式更適合模擬降雨后更為濕潤下墊面的地面長波輻射和凈輻射。這些結(jié)果有助于深入了解西北農(nóng)牧交錯帶地表水熱過程機理,為改進(jìn)和完善CLM4.5模擬西北農(nóng)牧交錯帶的復(fù)雜下墊面地表水熱過程提供科學(xué)依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：S152
【圖文】：

第二章 資料和方法2.1 研究區(qū)概況本研究的觀測站設(shè)立于寧夏回族自治區(qū)東部的鹽池縣（107°23′E，37°58′N，海拔 1333 m，圖 2-1），鹽池縣屬于典型的大陸性季風(fēng)氣候，常年氣候干燥，少雨多風(fēng)、日照充足，年平均氣溫 8.1°C，降水量 280mm，主要集中在 6～8 月（李亞等，2009）。鹽池縣北接毛烏素沙漠，南靠黃土高原，自北向東南，從干旱區(qū)向半干旱區(qū)過渡，從荒漠草原向干草原過渡，從牧區(qū)向農(nóng)區(qū)過渡，屬于典型的過渡地帶，是一個以牧為主、半農(nóng)半牧的典型西北農(nóng)牧交錯帶區(qū)域（蘇占勝等，2007）。觀測站主要以草地為主的多種植被覆蓋類型交錯分布，是研究西北農(nóng)牧交錯帶較為理想代表點，為研究西北農(nóng)牧交錯帶地表水熱過程及驗證 CLM4.5 的模擬性能提供觀測資料。

圖 3-1 2017 年鹽池站草地輻射的日均變化gure.3-1 The observed daily variations of radiation over grassland at Yanchi s2017平均日變化特征月平均消除了各種天氣現(xiàn)象（云和降水）影響后，能更好地分析觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行月平均得到了 2017 年西北農(nóng)牧交錯帶草地太陽輻射、大氣長波輻射、地面長波輻射和凈輻射的月平均日變化圖（圖各輻射的日變化曲線較為光滑，呈單峰型。太陽輻射的日變化特夜間為零，峰值出現(xiàn)在 12:30～13:30，在 7 月最大為 785.78W射的日變化規(guī)律和太陽輻射相似，峰值也出現(xiàn)在 12:30～13:30，59.34 W·m-2。大氣長波輻射和地面長波輻射表現(xiàn)為夜間較低日出面長波輻射的日變化幅度大于大氣長波輻射是由于在半干旱草原日變化幅度顯著大于大氣溫度。大氣長波輻射的峰值較太陽輻射出現(xiàn)在 14:30～15:30，峰值在 7 月達(dá)到最大為 415.00W·m-2，地面

圖 3-2 2017 年鹽池站草地輻射月平均的日變化ure. 3-2 The observed monthly-average diurnal variations of radiation over grYanchi station in 2017地表反照率能綜合反映出植被覆蓋度、土壤濕度等物理因子對輻射程（張強等，2003a）。反照率由地面反射輻射與太陽輻射的比值得傍晚太陽輻射較小，導(dǎo)致地面反照率的偏差較大，所以剔除了太陽·m-2的數(shù)值以減小微弱輻射產(chǎn)生的誤差（李德帥等，2014 年）。20交錯帶草地下墊面的地表反照率的年均值為 0.21。平均狀況下的日近似于典型晴天的日變化曲線，呈 U 型，夜間太陽在地平線以下，清晨和傍晚較高，白天稍低。干旱半干旱區(qū)的地表反照率主要隨變化而改變（劉輝志等，2008）、植被覆蓋度變大而減�。ㄔ榔降群吭龃蠖鴾p�。◤埞龋�2009）、太陽高度角增大而減�。惱^偉農(nóng)牧交錯帶由于在冬半年（1～3 月和 11～12 月）較為干燥，下墊下降，導(dǎo)致反照率較高；在夏半年（4～10 月）地表植被較為茂盛

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本文編號：2797838