旱區(qū)土氣界面水熱傳輸機理及對包氣帶水熱運移的影響.pdf

1、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)動和太陽輻射的限制，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)化機制，厘定了其對包氣帶水分運移的影響，對研究地表地下系統(tǒng)水循環(huán)，評價地下水資源量，發(fā)展和完善陸面模型以及提高氣候模

2、擬的準(zhǔn)確率都具有十分重要的科學(xué)意義和實際應(yīng)用價值。本文以粉砂為研究對象，依托于長安大學(xué)渭水校區(qū)原位試驗場，通過物理實驗和數(shù)值模擬等方法，對土氣界面水熱傳輸機理及其對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。在夏季的典型晴天，土氣界面熱通量最大值在200W/m2以上，且峰值出現(xiàn)的時間為正午13:00左右；陰雨天

3、界面上熱通量峰值小于晴天，雨天會出現(xiàn)多個峰值的情況。如果忽略地表熱通量項，估算流域內(nèi)的蒸發(fā)量，會造成約30％的估算誤差。
　　2.研究了時間尺度對土氣界面水熱傳輸?shù)挠绊?，發(fā)現(xiàn)小時尺度能夠更準(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變化呈現(xiàn)明顯的日波動特征；且溫度月變化也呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)正弦函數(shù)形式。界面熱通量的小時值差異很大，上午9點至下午18:00間熱通量值大于零；初夏時節(jié)，土氣界面上熱通量日均值大于零，月均值在-10

4、~20W/m2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/m2，冬季熱通量平均值最低，為-5W/m2。
　　3.分析了土氣界面溫度與氣象因子的相關(guān)關(guān)系，驗證了土壤熱傳輸?shù)臏笮?。土氣界面溫度與太陽輻射和大氣溫度呈現(xiàn)正相關(guān)，與氣壓和相對濕度呈負(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，相位滯后τ。
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5、.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)對流法在雨天能夠大體上描述地表熱通量的正弦變化趨勢。而由于具有連續(xù)自動觀測的功能，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資料估算土壤熱擴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

6、土壤熱擴散率結(jié)果準(zhǔn)確度最高，在極端干旱的條件下，熱傳導(dǎo)對流法估算結(jié)果誤差較差；陰雨天，當(dāng)土壤較濕潤時，由于考慮了水分對流作用的影響，熱傳導(dǎo)對流法能夠獲得較準(zhǔn)確的土壤熱擴散率；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。從計算簡便性出發(fā)，在土壤含水率高而土壤水分垂直運動微弱的陰天，相位法可用于土壤熱擴散率和熱通量的計算。
　　6.確定了土壤熱通量板的最優(yōu)埋藏深度，驗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

7、面上溫度變化拐點附近時，會導(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。通過對土氣界面熱通量進(jìn)行校正發(fā)現(xiàn)，Philip校正法僅對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，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和滯后時間

8、τ'與含水率的關(guān)系式τ(τ')=aθ-0.134；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包氣帶內(nèi)部水熱運移影響的變化規(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分布狀況，水分通量越大，穿透深度增大，穿透時間縮短。土氣界面上溫度變化是導(dǎo)致包氣帶溫度場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包氣帶中液態(tài)水的日變化影