干旱区地膜覆盖农田下垫面陆面过程的观测与数值模拟研究

发布时间：2020-07-12 21:04

【摘要】：人类活动引起的土地利用与土地覆盖变化对环境气候的影响是全球气候变化研究的热点和难点问题之一。在现代农业快速发展的背景下,塑料薄膜覆盖技术被广泛采用。塑料薄膜不仅显著改变了地表反照率等下垫面物理特征,而且人为抑制了地气间的能量和物质交换,这些改变必将通过改变陆气相互作用而给气候环境带来明显影响。为了准确地模拟研究塑料薄膜覆盖农田下垫面与大气间的能量和物质交换特征,本文首先利用中国西北“干旱区地膜覆盖农田地气相互作用观测实验”在2015年6月1日-7月24日的数据,分析了干旱区地膜覆盖农田下垫面的陆面过程特征;随后,在陆面过程模式CoLM中引入了一个地膜层子模型,建立了地表层、地膜层和土壤层的能量平衡方程,提出了地膜层的辐射传输和感热输送参数化方案,接着以观测资料为基础发展了一个地表反照率动态参数化方案,从而形成了一个新的陆面过程模式CoLM-mulch;最后,利用CoLM-mulch模拟研究了干旱区地膜覆盖条件下农田下垫面的陆气相互作用特征。同时,利用相同的大气强迫场,以及土壤和植被参数运行CoLM模式作为对比模拟试验,考察了塑料薄膜覆盖对农田下垫面陆面过程的影响。主要研究结论如下:(1)地膜覆盖农田浅层20cm以上深度处的土壤温度受灌溉影响较大,灌溉后,5cm处土壤温度的日平均值从24℃下降至19℃,而较深层40cm和80cm处土壤温度受灌溉的影响较小,其日均值变化较小。当对农田进行灌溉后,各层的土壤湿度剧增,产生明显的突变,但深层土壤湿度的变化显著落后于浅层,随着灌溉效应的消失,观测峰值后土壤湿度有明显的回落,尤其浅层5cm的土壤湿度迅速下降,而10cm、20cm、40cm和80cm处的土壤湿度缓慢减小。通过对比地膜玉米、地膜无玉米和裸土这三种下垫面的特征,发现地膜覆盖下垫面的各层土壤温度、湿度基本上都大于裸土下垫面,尤其是浅层土壤,说明地膜覆盖对土壤有一定的保温和保墒作用;同时发现地膜覆盖下垫面的向上长波、短波辐射也均大于裸土下垫面,而且地膜覆盖农田下垫面地表反照率的变化与太阳高度角和植被覆盖度有关。(2)假设地膜覆盖完全切断了土壤与大气间的水汽输送,阻断了大气与土壤呼吸产生CO_2的交换,据此建立了地表层、地膜层和土壤层的能量平衡方程,提出了地膜层辐射传输和感热输送参数化方案,便得到一个描述地膜层物理过程的子模型。同时,发现实质上地膜覆盖农田下垫面地表反照率不受土壤湿度影响,而与植被覆盖度和太阳高度角有关,从而发展了一个地表反照率动态参数化方案。进一步,将地膜层子模型耦合到CoLM模式中,并利用建立的地表反照率动态参数化方案改进CoLM模式,形成了一个可模拟大气-植被-塑料薄膜-土壤相互作用的陆面过程模式CoLM-mulch。(3)CoLM-mulch模式能够合理地模拟塑料薄膜覆盖农田下垫面土壤温度,土壤湿度,以及辐射、水热、CO_2通量的日变化特征,模式效率较高,模拟偏差较小,模式中的地表反照率动态参数化方案较为合理。对比模拟试验显示:CoLM-mulch模式模拟的各个特征量与观测值间的各个统计评估量较CoLM合理,尤其在植被覆盖度较低的时期。但同时从平均偏差值来看,CoLM-mulch模式模拟的土壤温度和土壤湿度,向上长波辐射,感热通量,以及CO_2通量均稍高于观测值,CoLM-mulch模式模拟的向上短波辐射和潜热通量较观测值偏低,而CoLM模式则相反。结果表明,塑料薄膜覆盖可以显著提高土壤温度与湿度,影响地表反照率和近地层辐射平衡,阻碍土壤水分蒸发,并抑制土壤呼吸产生的CO_2,改变地气间水热传输和CO_2收支平衡过程。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S316
【图文】：

图 2-1 “干旱区地膜覆盖农田地气相互作用观测实验”：(a)气象观测塔；(b)辐射装置观测场地图 2-2 “干旱区地膜覆盖农田地气相互作用观测实验”玉米生态指数观测在成功完成了中国西北“干旱区地膜覆盖农田地气相互作用观测实验”之后，

10区地膜覆盖农田地气相互作用观测实验”玉米生态中国西北“干旱区地膜覆盖农田地气相互作用-11 月12日期间，在内蒙古平坦的戈壁滩上(37农田观测的仪器进行了平行对比实验，从而保了观测数据的质量，如图 2-3 所示。这次实验、型号列于表 2-1 中。平行对比观测结果显示影响和农田灌溉影响资料不完整外，95%以上所获取的数据经过平行比对分析后，进行了据库，这为后期深入的科学研究提供了可靠

图 2-3 干旱区观测仪器平行对比实验干旱区地膜覆盖农田地气相互作用观测实验”相关仪器的系统 仪器名称 生产厂商 型号观测塔 风速传感器 Kipp&Zonen 010C温湿传感器 Vaisala HMP45C温湿传感器 Campbell HC2S3二维超声风传感器 Gill MetPak观测 三维超声风速仪 Campbell CAST3开路气体分析仪 Li-Cor Li-7500观测 短波辐射计 Kipp&Zonen CMP6/CM长波辐射计 Kipp&Zonen CGR4净辐射传感器 Kipp&Zonen NR观测 土壤湿度传感器 Campbell CS616-L土壤温度传感器 Hukseflux STP01-L5土壤热通量板 Hukseflux HFP01SC

【参考文献】

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本文编号：2752487