三种土壤温度算法的对比分析：位相法、振幅法和耦合热传导—对流法

发布时间：2017-09-09 09:01

  本文关键词：三种土壤温度算法的对比分析：位相法、振幅法和耦合热传导—对流法

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【摘要】：地表的能量变化、水汽交换等会通过陆-气相互作用影响天气、气候状况,而土壤温度作为地表能量的重要组成部分,对陆-气相互作用过程有着重要的影响,因此,关于土壤温度的计算方法,我们主要进行了以下研究工作：1.本文首先回顾了三个主要的土壤热力学参数：土壤热容量、土壤热传导率和土壤热扩散率,以及土壤中的热量传输机制：热传导过程、热对流过程和耦合热传导-热对流过程。一般情况下,土壤温度有两种不同类型的预报方程：热传导方程,即假设土壤在垂直方向上均匀且分子热传导过程是土壤热传输的唯一机制；耦合热传导-对流方程,即假设土壤垂直方向上不均匀并考虑了土壤液态水运动引起的热对流对土壤温度的影响。另外,本文再现了前人利用谐波方法求算耦合热传导-对流方程解析解的过程；2.本文分别对以热传导方程为基础的土壤热扩散率计算方法：振幅法和位相法,以及基于耦合热传导-对流方法的热扩散率计算方法进行了深入地理论分析,结果显示：振幅法使得土壤温度模拟值的位相前移,而位相法则会高估土壤温度的振幅。因此,考虑了土壤中热对流过程的耦合热传导-对流方法是本文研究的重点内容；3.本文分别利用了2006年8月25日～9月24日期间青藏高原理塘地区陆面过程试验土壤温度观测资料和2011年7月10日～8月15日期间的黑河综合遥感联合试验：花寨子荒漠站自动气象站数据集观测资料,对传统的位相法、振幅法以及耦合热传导-对流法做了进一步的验证。我们用上述的三种方法分别计算了土壤热扩散率k,并用耦合热传导-对流法计算了土壤液态水通量密度W,然后根据计算所得的k和W模拟了不同深度的土壤温度,结果表明：位相法系统地高估土壤温度日振幅,振幅法模拟的土壤温度位相比实际观测值平均前移,而耦合热传导-对流法模拟的土壤温度的位相和振幅与实测值更为为接近。比如,以青藏高原草甸土为例,在0.10m土壤层处,位相法系统地高估土壤温度振幅约0.96℃,振幅法模拟的土壤温度位相比实际观测值平均前移约0.45h,耦合热传导-对流法模拟的土壤温度位相则平均前移约0.21h,土壤温度日振幅则比实际值高估约0.79℃。因此,利用观测资料所得的结果与理论分析结果保持一致,且耦合热传导-对流法对土壤温度的模拟效果更为理想。
【关键词】：土壤温度 位相法 振幅法 耦合热传导-对流方法
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S152.8
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-9
• 第一章 绪论9-16
• 1.1 引言9-10
• 1.2 国内外研究进展10-13
• 1.2.1 国内研究现状10-11
• 1.2.1.1 土壤热力学参数10-11
• 1.2.1.2 土壤水热传输机制11
• 1.2.2 国外研究现状11-13
• 1.2.2.1 土壤温度算法11-12
• 1.2.2.2 土壤水热传输机制12-13
• 1.3 研究内容13-15
• 1.4 研究技术路线图15-16
• 第二章 研究方法16-23
• 2.1 土壤热参数16-17
• 2.2 土壤热传输机制17-20
• 2.2.1 土壤热传导过程18-19
• 2.2.2 土壤热对流过程19
• 2.2.3 耦合热传导-热对流过程19-20
• 2.3 耦合热传导-对流方程求解20-22
• 2.4 本章小结22-23
• 第三章 振幅法、位相法和耦合热传导-对流法理论比较23-28
• 3.1 数学理论分析比较23-27
• 3.2 本章小结27-28
• 第四章 案例分析28-58
• 4.1 高山草甸土28-43
• 4.1.1 引言28
• 4.1.2 资料介绍和分析方法28-31
• 4.1.3 结果与讨论31-42
• 4.1.3.1 土壤温度正弦拟合31-32
• 4.1.3.2 土壤热扩散和液态水通量密度32-35
• 4.1.3.3 土壤温度模拟35-37
• 4.1.3.4 误差分析37-41
• 4.1.3.5 结论41-42
• 4.1.4 本章小结42-43
• 4.2 荒漠土43-58
• 4.2.1 引言43-44
• 4.2.2 资料介绍和分析方法44-47
• 4.2.3 结果与讨论47-57
• 4.2.3.1 土壤温度正弦拟合47-48
• 4.2.3.2 土壤热扩散和液态水通量密度48-50
• 4.2.3.3 土壤温度模拟50-52
• 4.2.3.4 误差分析52-56
• 4.2.3.5 结论56-57
• 4.2.4 本章小结57-58
• 第五章 总结与展望58-61
• 5.1 主要结论58-60
• 5.2 创新点60
• 5.3 研究展望60-61
• 参考文献61-72
• 作者简介72-74
• 致谢74-75

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本文编号：819499