【摘要】：干旱、半干旱地區(qū)因其地表生態(tài)脆弱,下墊面特征較為復(fù)雜,受人類(lèi)活動(dòng)影響較大;而下墊面特征對(duì)天氣系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展有重要影響[1]。作為目前我國(guó)干旱半干旱地區(qū)廣泛采用的耕作方式[2],大面積的地膜鋪設(shè)會(huì)通過(guò)影響局地土壤和大氣之間的水汽交換和能量交換,進(jìn)一步影響區(qū)域的天氣狀況。而區(qū)域天氣狀況的變化與人類(lèi)生產(chǎn)生活密切相關(guān);無(wú)論是洪澇災(zāi)害還是嚴(yán)重的旱災(zāi),都會(huì)威脅人民的生命財(cái)產(chǎn)安全[3]。因此,對(duì)干旱、半干旱區(qū)地膜覆蓋所產(chǎn)生的天氣效應(yīng)的研究尤為重要。為了研究干旱、半干旱地區(qū)大面積地膜覆蓋的天氣效應(yīng),本文使用中尺度模式WRF對(duì)這一現(xiàn)象的影響進(jìn)行數(shù)值模擬。首先,選取WRF模式中不同的微物理、積云、陸面過(guò)程和邊界層方案得到14種參數(shù)化組合,對(duì)2012年7月29日騰格里沙漠邊緣一次短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究,并結(jié)合同期外場(chǎng)試驗(yàn)觀(guān)測(cè)資料和區(qū)域降水實(shí)況,對(duì)不同組合方案的降水模擬性能進(jìn)行對(duì)比分析,找到最適合干旱區(qū)下墊面的參數(shù)化方案組合。隨后,結(jié)合內(nèi)蒙古地膜試驗(yàn)的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù),分析地膜農(nóng)田下墊面的觀(guān)測(cè)特征,構(gòu)建地膜農(nóng)田下墊面的物理模型,并將此特征參數(shù)化,將地膜農(nóng)田下墊面模塊耦合到WRF模式中。結(jié)合觀(guān)測(cè)和加入地膜模塊前后模擬結(jié)果的對(duì)比,檢驗(yàn)?zāi)Ｊ降哪M性能。最后,以2012年7月29日騰格里沙漠邊緣一次短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程為例,對(duì)比耦合地膜模塊前后模擬的溫度、環(huán)流形勢(shì)、影響降水的動(dòng)力條件和水汽條件以及降水情況,研究大面積地膜鋪設(shè)所產(chǎn)生的天氣效應(yīng)。本文主要結(jié)論如下:(1)對(duì)比14種參數(shù)化方案組合對(duì)降水的模擬情況可見(jiàn),不同組合對(duì)降雨模擬的差異顯著。半數(shù)以上組合模擬的24h累計(jì)降水較為接近實(shí)際,強(qiáng)降水中心位置與實(shí)況相比存在不同程度偏差,模擬試驗(yàn)點(diǎn)(具體位置在后文中說(shuō)明)降水開(kāi)始時(shí)間不同程度滯后于實(shí)測(cè)。綜合考慮,選用Thompson微物理方案、Kain-Fritsch積云方案、RUC陸面過(guò)程方案與MYNN 2.5 level邊界層參數(shù)化方案的組合case11在24h累計(jì)降水、單站逐時(shí)降水及降水的TS評(píng)分中均表現(xiàn)較好且區(qū)域平均誤差最小,方案最優(yōu)。(2)對(duì)比14種方案模擬物理量的差異可以發(fā)現(xiàn),降水量差異正是模擬物理量差異的客觀(guān)表現(xiàn)。通過(guò)天氣形勢(shì)分析和物理量診斷可見(jiàn):本次降水過(guò)程發(fā)生于500hPa西風(fēng)帶短波槽東移、發(fā)展的環(huán)流背景下,700hPa切變線(xiàn)處冷暖氣流交匯作為暴雨發(fā)生的觸發(fā)機(jī)制。低層輻合高層輻散的配置、較大的垂直上升速度提供了此次降水的動(dòng)力條件;較強(qiáng)的水汽輻合、厚的濕層以及暖濕氣流的輸送,為此次降水過(guò)程提供了充沛的水汽。加之中尺度對(duì)流系統(tǒng)的影響,共同造成了本次暴雨的發(fā)生。(3)通過(guò)分析內(nèi)蒙地膜試驗(yàn)的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)可見(jiàn):鋪設(shè)地膜后,土壤濕度、土壤溫度都有所升高,這證明了地膜的保溫、保水效果。地膜覆蓋下墊面的土壤熱通量及其變化幅度低于同等條件下的無(wú)地膜下墊面。通過(guò)耦合地膜農(nóng)田下墊面前后模擬情況和觀(guān)測(cè)的對(duì)比可見(jiàn),鋪設(shè)地膜后,降水減小且發(fā)生時(shí)間滯后,5cm土壤含水量下降幅度減小,5cm土壤的溫度升高、感熱通量增加、潛熱通量減小;模擬整體變化趨勢(shì)與理論基本一致�？梢�(jiàn),地膜農(nóng)田下墊面模塊在模式中能夠得到較為合理的刻畫(huà)。(4)干旱、半干旱區(qū)大面積地膜鋪設(shè)對(duì)氣象要素的影響主要表現(xiàn)為:使試驗(yàn)點(diǎn)附近區(qū)域上空的大氣層結(jié)趨于穩(wěn)定;在降水發(fā)生前,降低了試驗(yàn)點(diǎn)附近地區(qū)、黑龍江一帶以及湖南東部等地的500hPa位勢(shì)高度,升高了試驗(yàn)點(diǎn)上游區(qū)域、青藏高原一帶、東北南部、華北地區(qū)以及我國(guó)西南一帶地區(qū)500hPa位勢(shì)高度;降低試驗(yàn)點(diǎn)附近區(qū)域上空的相對(duì)渦度和垂直速度;抑制降水發(fā)生前后西南氣流的發(fā)展,不利于印度洋水汽向試驗(yàn)點(diǎn)所在區(qū)域輸送;降低試驗(yàn)點(diǎn)附近地表空氣相對(duì)濕度,升高甘肅西北部地面相對(duì)濕度;抑制降水發(fā)生過(guò)程中試驗(yàn)點(diǎn)上空低層的水汽輻合,削弱了水汽向上空的輸送過(guò)程。(5)干旱、半干旱地區(qū)大面積地膜農(nóng)田下墊面對(duì)此次降水的影響主要表現(xiàn)為:使試驗(yàn)點(diǎn)附近區(qū)域、黑龍江一帶、山東半島、甘肅中部及與其交界的青海東北部以及廣西一帶的日降水量明顯降低;增加內(nèi)蒙、寧夏、陜西三省交界地區(qū),青海中部,新疆中部,甘肅北部,內(nèi)蒙西部,黑龍江和內(nèi)蒙交界的部分地區(qū),福建西部以及云南西南部等地的降水。地膜農(nóng)田下墊面對(duì)氣溫、環(huán)流形勢(shì)、動(dòng)力條件和水汽條件的影響,不同程度地反映在降水量的差異中。
【圖文】：

圖2-1 2012年7月每30min 降雨量及氣壓隨時(shí)間變化.“內(nèi)蒙古微氣象觀(guān)測(cè)蒸發(fā)試驗(yàn)”的試驗(yàn)點(diǎn)（后文中內(nèi)蒙古地膜試驗(yàn)的試驗(yàn)點(diǎn)位置和此處相同；本文中的“試驗(yàn)點(diǎn)”均指此處）設(shè)在內(nèi)蒙古自治區(qū)的阿拉善左盟，巴潤(rùn)霍德鄉(xiāng)蒙古西灘（103°55'E，37°45'N，海拔 1578 m），試驗(yàn)期間觀(guān)測(cè)到一次較為罕見(jiàn)的暴雨過(guò)程。圖 2-1 給出了暴雨過(guò)程中降水量和氣壓隨時(shí)間的變化。降水于 7 月 29 日 20 時(shí)（北京時(shí)，后文時(shí)間無(wú)特殊說(shuō)明均指北京時(shí)）開(kāi)始，1h后達(dá)到最大雨強(qiáng)（15.6mm·30min-1）；隨后降雨減小，于 30 日 04 時(shí)基本停止；過(guò)程伴有氣壓明顯降低，29 日暴雨發(fā)生前夕氣壓降至 830hPa。整個(gè)降水過(guò)程持續(xù)時(shí)間短，雨量大，具有明顯的突發(fā)性。由24h區(qū)域累計(jì)降水實(shí)況（圖2-4(15)）可見(jiàn)，此次降雨帶呈東北-西南走向，覆蓋寧夏北部、鄂爾多斯高原西側(cè)至甘肅臨夏與青海交界地區(qū)，，分布較為廣泛；雨帶中主要有3個(gè)強(qiáng)降雨中心：試驗(yàn)觀(guān)測(cè)點(diǎn)（obs）所在地區(qū)、甘肅臨夏與青海海南州交界地區(qū)（A點(diǎn)）以及寧夏北部（B點(diǎn)）。寧夏北部和東騰格里沙漠出現(xiàn)100mm·d-1以上的大暴雨，銀川、阿拉善左旗甚至達(dá)到117mm·d-1、60mm·d-1，這

切變線(xiàn)西北側(cè)則為西北冷平流，為西北地區(qū)的降雨提供了良好的水汽條件及觸發(fā)機(jī)制。圖2-2 (a) 7月29日20時(shí)500hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)；(b) 7月29日20時(shí)700hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng).
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：S316;S16

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本文編號(hào)：2694941