發(fā)布時(shí)間：2018-01-15 08:23

  本文關(guān)鍵詞：旱區(qū)土氣界面水熱傳輸機(jī)理及對(duì)包氣帶水熱運(yùn)移的影響　出處：《長(zhǎng)安大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：土氣界面是連接大氣與土壤地下水的關(guān)鍵界面,界面上發(fā)生的一切物質(zhì)和能量的交換不僅受到大氣環(huán)流驅(qū)動(dòng)和太陽(yáng)輻射的限制,還受到界面土復(fù)雜的物理性質(zhì)的制約;同時(shí)界面上不斷進(jìn)行的物質(zhì)和能量的交換不僅影響到局地氣候變化,而且影響土壤中水汽熱傳輸和鹽分循環(huán)。由于其復(fù)雜性,目前針對(duì)土氣界面的研究尚比較薄弱。因此,深入研究土氣界面上水熱遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制,厘定了其對(duì)包氣帶水分運(yùn)移的影響,對(duì)研究地表地下系統(tǒng)水循環(huán),評(píng)價(jià)地下水資源量,發(fā)展和完善陸面模型以及提高氣候模擬的準(zhǔn)確率都具有十分重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文以粉砂為研究對(duì)象,依托于長(zhǎng)安大學(xué)渭水校區(qū)原位試驗(yàn)場(chǎng),通過物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法,對(duì)土氣界面水熱傳輸機(jī)理及其對(duì)包氣帶水熱的影響進(jìn)行了研究,得到以下主要結(jié)論:1.揭示了不同氣候條件下土氣界面水熱傳輸?shù)囊?guī)律,發(fā)現(xiàn)了土氣界面上含水率和溫度在晴天呈現(xiàn)正弦波狀態(tài),陰雨天無此趨勢(shì)。在夏季的典型晴天,土氣界面熱通量最大值在200W/m~2以上,且峰值出現(xiàn)的時(shí)間為正午13:00左右;陰雨天界面上熱通量峰值小于晴天,雨天會(huì)出現(xiàn)多個(gè)峰值的情況。如果忽略地表熱通量項(xiàng),估算流域內(nèi)的蒸發(fā)量,會(huì)造成約30%的估算誤差。2.研究了時(shí)間尺度對(duì)土氣界面水熱傳輸?shù)挠绊?發(fā)現(xiàn)小時(shí)尺度能夠更準(zhǔn)確的刻畫界面上水熱傳輸過程。發(fā)現(xiàn)土氣界面上含水率和溫度小時(shí)變化呈現(xiàn)明顯的日波動(dòng)特征;且溫度月變化也呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)正弦函數(shù)形式。界面熱通量的小時(shí)值差異很大,上午9點(diǎn)至下午18:00間熱通量值大于零;初夏時(shí)節(jié),土氣界面上熱通量日均值大于零,月均值在-10~20W/m~2之間變化。土氣界面上含水率和溫度的分布具有季節(jié)性差異,界面熱通量夏季平均值最大,約25W/m~2,冬季熱通量平均值最低,為-5W/m~2。3.分析了土氣界面溫度與氣象因子的相關(guān)關(guān)系,驗(yàn)證了土壤熱傳輸?shù)臏笮�。土氣界面溫度與太陽(yáng)輻射和大氣溫度呈現(xiàn)正相關(guān),與氣壓和相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān),與陣風(fēng)風(fēng)速的相關(guān)關(guān)系復(fù)雜。熱量向下傳遞的過程中,土壤溫度存在振幅減小和相位滯后現(xiàn)象,深度每增加,振幅衰減約exp(-τ),相位滯后τ。4.揭示了土壤熱傳輸模型在不同天氣條件下估算土氣界面熱通量的準(zhǔn)確性。晴天,推薦使用諧波法估算地表熱通量,而陰雨天應(yīng)避免使用該法;熱傳導(dǎo)對(duì)流法在雨天能夠大體上描述地表熱通量的正弦變化趨勢(shì)。而由于具有連續(xù)自動(dòng)觀測(cè)的功能,且估算誤差在可接受范圍,在晴陰雨不同天氣條件下,熱通量板校正法估算地表熱通量都能得到較為可靠的結(jié)果。5.揭示了目前較為常用的利用野外觀測(cè)資料估算土壤熱擴(kuò)散率的方法在不同天氣條件下的適用性及其可靠性。晴天,諧波法估算土壤熱擴(kuò)散率結(jié)果準(zhǔn)確度最高,在極端干旱的條件下,熱傳導(dǎo)對(duì)流法估算結(jié)果誤差較差;陰雨天,當(dāng)土壤較濕潤(rùn)時(shí),由于考慮了水分對(duì)流作用的影響,熱傳導(dǎo)對(duì)流法能夠獲得較準(zhǔn)確的土壤熱擴(kuò)散率;而雨天,氣溫驟降等影響導(dǎo)致諧波法和振幅法估算結(jié)果誤差很大。從計(jì)算簡(jiǎn)便性出發(fā),在土壤含水率高而土壤水分垂直運(yùn)動(dòng)微弱的陰天,相位法可用于土壤熱擴(kuò)散率和熱通量的計(jì)算。6.確定了土壤熱通量板的最優(yōu)埋藏深度,驗(yàn)證了土氣界面熱通量校正法的可靠性。熱通量板埋設(shè)在土壤剖面上溫度變化拐點(diǎn)附近時(shí),會(huì)導(dǎo)致估算地表熱通量誤差增加,因此板的布設(shè)應(yīng)該避開土壤熱量傳遞方向的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。通過對(duì)土氣界面熱通量進(jìn)行校正發(fā)現(xiàn),Philip校正法僅對(duì)埋深較淺的熱通量板的校正有效,能夠提高估算土氣界面熱通量的準(zhǔn)確度,當(dāng)熱通量板埋藏深度大于5cm時(shí),Philip校正效果較差,降低了地表熱通量的估算精度,增加了估算誤差。7.揭示了土氣界面上水熱互饋機(jī)制,厘定了土氣界面熱傳輸滯后與含水率的定量關(guān)系,構(gòu)建了相位滯后τ和滯后時(shí)間τ'與含水率的關(guān)系式τ(τ')=a(?)~(-0.143);發(fā)現(xiàn)熱傳導(dǎo)率隨著含水率的增加先增加而后趨向于穩(wěn)定,而熱容量與含水率呈線性正相關(guān)關(guān)系,隨著含水率的增加而增大。8.研究了土氣界面上水熱傳輸對(duì)包氣帶內(nèi)部水熱運(yùn)移影響的變化規(guī)律。土氣界面上水分通量變化影響包氣帶含水率和溫度場(chǎng)分布狀況,水分通量越大,穿透深度增大,穿透時(shí)間縮短。土氣界面上溫度變化是導(dǎo)致包氣帶溫度場(chǎng)分布差異較大的主要原因,發(fā)現(xiàn)土氣界面溫度的差異對(duì)包氣帶中液態(tài)水的日變化影響并不顯著。
[Abstract]:In this paper , the influence of water content and temperature on water heat transfer in soil - gas interface is studied by means of physical experiment and numerical simulation , and the average value of water content and temperature on the interface of soil - gas is more than zero . The average value of water content and temperature in soil - gas interface is about 25 W / m ~ 2 , and the average value of heat flux in winter is -5W / m ~ 2.3 . The temperature and temperature of soil interface are analyzed . In this paper , the influence of heat flux on surface heat flux can be estimated by means of heat transfer convection method .

【學(xué)位授予單位】：長(zhǎng)安大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：S152;P641

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本文編號(hào)：1427551