陸面與大氣之間在多種時(shí)空尺度的相互作用,是氣象學(xué)、生態(tài)學(xué)、水文學(xué)和全球變化等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度作為地氣相互作用過(guò)程中的重要地表參數(shù),在地表與大氣間的物質(zhì)與能量交換過(guò)程中扮演著重要的角色�？諝鈩�(dòng)力學(xué)粗糙度被定義為中性穩(wěn)定的近地面大氣條件下,地表上方風(fēng)速等于零的某一幾何高度。它表征地表空氣動(dòng)力學(xué)特征,反映地表下墊面特征的差異對(duì)風(fēng)速的減弱作用。然而,準(zhǔn)確的估算空間尺度的空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度一直是通量計(jì)算過(guò)程中的難點(diǎn),目前關(guān)于空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度的研究也難以統(tǒng)一和廣泛適用。本文依托黑河和海河流域多年積累的氣象和通量觀測(cè)數(shù)據(jù),引入多源遙感數(shù)據(jù),通過(guò)分析、建模、應(yīng)用、評(píng)價(jià)的過(guò)程,分析了不同下墊面條件下空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度的影響要素及貢獻(xiàn)率,提出了基于歸一化冷熱點(diǎn)植被指數(shù)(HDVI)的作物冠層空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度估算方法,同時(shí)發(fā)現(xiàn),空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度計(jì)算的準(zhǔn)確性直接影響蒸散發(fā)的估算精度,主要包括以下幾個(gè)部分:(1)以風(fēng)溫風(fēng)速廓線數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用Monin-Obukhov相似理論計(jì)算瞬時(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度,利用相關(guān)性分析和因子分析的方法分析不同下墊面條件下空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度的影響要素。結(jié)果表明,風(fēng)速、風(fēng)向、大氣穩(wěn)定度、地形和植被特征都是影響空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度的因素,但不同下墊面條件下各因素對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度的作用程度不同。空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度在植被生長(zhǎng)季和非生長(zhǎng)季均表現(xiàn)出和風(fēng)速負(fù)相關(guān)的關(guān)系;風(fēng)向?qū)諝鈩?dòng)力學(xué)粗糙度的影響主要取決于地形條件,在地形較平坦的地區(qū)空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度不隨風(fēng)向發(fā)生明顯變化,而在起伏地形條件下,空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度在不同風(fēng)向上呈現(xiàn)出差異性的分布規(guī)律;空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度在不同大氣穩(wěn)定度條件下也存在明顯差異,對(duì)于相同的地表粗糙元素,穩(wěn)定大氣條件下的空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度要明顯大于不穩(wěn)定狀態(tài)。因此,在瞬時(shí)空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度模型構(gòu)建的過(guò)程中,對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向和大氣穩(wěn)定度等空氣動(dòng)力學(xué)因子的考慮必不可少。對(duì)影響空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度的因子歸類并計(jì)算因子貢獻(xiàn)率,結(jié)果顯示氣象因子和地形因子是影響草地下墊面和森林下墊面z_(0m)的主要驅(qū)動(dòng)因子(對(duì)草地下墊面的貢獻(xiàn)率分別44.03%和38.33%,對(duì)森林下墊面的貢獻(xiàn)率分別42.87%和38.66%),植被因子和氣象因子是影響農(nóng)田下墊面z_(0m)的主要驅(qū)動(dòng)因子(貢獻(xiàn)率分別53.14%和30.29%),因子分析的結(jié)果表明用植被指數(shù)模型來(lái)估算z_(0m)的方法僅適用于農(nóng)田地表。(2)在作物生長(zhǎng)期內(nèi),基于多時(shí)相的PROBA-V 300米每日反射率數(shù)據(jù)產(chǎn)品,引入半經(jīng)驗(yàn)的BRDF核驅(qū)動(dòng)模型計(jì)算歸一化的冷熱點(diǎn)指數(shù)(NDHD),再結(jié)合歸一化植被指數(shù)(NDVI)提出了歸一化冷熱點(diǎn)植被指數(shù)(HDVI),利用HDVI線性表達(dá)作物冠層空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度的估算方法,取得了理想的效果。相比于NDVI,對(duì)于黑河大滿站春玉米、河北館陶站冬小麥和夏玉米三種作物類型,HDVI與空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度的關(guān)系更加顯著(決定性系數(shù)R~2分別從0.636提高至0.772,從0.764提高至0.790,從0.630提高至0.793)。(3)通過(guò)借用并改進(jìn)非線性互補(bǔ)相關(guān)模型,開展空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度在蒸散發(fā)計(jì)算中的應(yīng)用,分析空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度參數(shù)在蒸散發(fā)計(jì)算中的敏感性。結(jié)果表明,空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度在蒸散發(fā)計(jì)算模型中的眾多輸入?yún)⒘恐休^為敏感,尤其在作物生長(zhǎng)高峰期,空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度計(jì)算的準(zhǔn)確性直接影響蒸散發(fā)的估算精度。本文的研究提高了對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度的認(rèn)知,發(fā)展成熟的、可靠的空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度反演模型對(duì)地氣通量計(jì)算有著深遠(yuǎn)的意義,空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度的模型研究還有廣泛的空間和潛力。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：P407
【部分圖文】：

引入多角度的遙感信息優(yōu)化農(nóng)田地表空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度的估算模型，同時(shí)在計(jì)算蒸散發(fā)的非線性互補(bǔ)相關(guān)模型中對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度的計(jì)算結(jié)果開展應(yīng)用并評(píng)價(jià)。全文總體路線圖如圖1-1。

圖 2-1 不同下墊面的空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度量級(jí)分布Fig. 2-1 The distribution in z0mmagnitude of various underlying surface除了幾何粗糙度和空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度的概念外，在表征熱量和水汽湍流傳輸效率過(guò)程中還經(jīng)常涉及熱量粗糙度（z0h）的概念，它與近地面的廓線溫濕度密切相關(guān)（Kitaygorodskiy，1969），同時(shí)與空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度有以下轉(zhuǎn)換關(guān)系，其中 為熱傳輸阻尼（Matsushima, 2005）： h= m ¤( ) … (2.1)在非常粗糙和稠密的植被表面，計(jì)算風(fēng)速對(duì)數(shù)廓線的有效參考高度需要從地面抬升至地面和植被冠層頂之間的某一高度，這些致密的粗糙元在計(jì)算風(fēng)速時(shí)可近似認(rèn)為將地面抬升到某一高度，這個(gè)高度稱為零平面位移高度（d），為了簡(jiǎn)便計(jì)算，在實(shí)際應(yīng)用中，常近似認(rèn)為零平面位移高度與粗糙元平均高度的

圖 2-2 大氣邊界層分層示意圖Fig. 2-2 The sublayers of atmosphere boundary layer大氣邊界層的最下部約10%的部分稱為近地層，近地層的最底部是粗糙度內(nèi)的運(yùn)動(dòng)受個(gè)別粗糙元的影響，是不規(guī)則的。在近地層，大氣受地球表面的和熱力的強(qiáng)烈影響，地球自轉(zhuǎn)對(duì)該層大氣產(chǎn)生的科里奧利力可以略去不計(jì)。近地層內(nèi)的氣象變量具有較大的垂向梯度，因此近地層是物質(zhì)、動(dòng)量、熱量最顯著的場(chǎng)所，氣象站和通量塔等長(zhǎng)時(shí)間序列觀測(cè)儀器通常位于近地層內(nèi)。，從模擬陸面地表通量的角度來(lái)看待空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度，近地層的相關(guān)理論重要。從流體力學(xué)的理論出發(fā)，要準(zhǔn)確地求解流體運(yùn)動(dòng)控制方程是非常困難的，似理論是一種實(shí)驗(yàn)組織和分析檢驗(yàn)的方法，它對(duì)所關(guān)心的變量進(jìn)行量綱分析納分類，建立無(wú)因次變量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。相似理論作為一種典型的零階閉

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2811325