东亚干旱半干旱区边界层高度对干湿变化的影响研究

发布时间：2020-06-07 04:43

【摘要】：大气边界层作为地气之间物质、能量交换的重要桥梁,在天气和气候尺度的大气调整中发挥着重要的作用,在极端天气和气候事件中扮演着重要的角色。因此从大气边界层的角度去认识干湿变化具有重要意义。论文利用现有观测资料、CRU格点资料以及ERA-Interim、ERA-20C再分析资料,分析了ERA-20C再分析资料在干旱半干旱区的适用性,对东亚干旱半干旱区及其不同子类型气候区、不同季节的边界层高度变化特征以及干湿变化特征进行了综合分析,探讨了东亚干旱半干旱区及其不同子类型气候区、不同季节影响边界层高度变化的主要因子,揭示了干旱半干旱区边界层高度变化对干湿变化的影响,为深入了解干湿变化及其预测提供了更多的信息,为更好地认识干旱问题、改善干旱半干旱区脆弱的生态环境提供了科学依据。主要研究结果如下:ERA-20C资料中的边界层高度BLH、温度T、降水量P数据,与同期获得的实际观测资料、ERA-Interim资料、CRU资料中的边界层高度BLH、温度T、降水量P数据,进行了对比分析,发现其空间分布、时间变化的特点较为一致。ERA-20C与ERA-Interim的BLH、与CRU的T、与CRU的P计算的相关系数依次为0.9695、0.9972、0.9570,平均绝对误差依次为86.8142 m、0.8593℃、3.5774 mm,均方根误差依次为122.3089 m、1.0622℃、5.0457 mm,差异较小。说明ERA-20C再分析资料在干旱半干旱区具有较好的适用性,可以用来进行干旱半干旱区的相关研究。东亚干旱半干旱区BLH呈现出以西部极端干旱区为高值中心向四周递减的经向扁平的分布形势。1900~2010年,BLH整体呈升高趋势,从子类型气候区来看,BLH的升高是所有气候区共同作用导致,其中干旱-半干旱过渡区、半干旱区、半干旱-半湿润过渡区贡献最大,依次为22.74%、23.74%、22.05%;从季节来看,BLH的升高是所有季节共同作用导致,其中夏季贡献占主导地位,为58.50%。干旱指数AI、降水量P、潜在蒸发量PET呈现出以西部极端干旱区为低值、低值、高值中心向四周递增、递增、递减变化的经向扁平的分布形势。1900~2010年,AI呈减小趋势,P呈减小趋势、PET呈增大趋势,从子类型气候区来看,AI的减小,是干旱区、干旱-半干旱过渡区、半干旱区、半干旱-半湿润过渡区共同作用导致,其中半干旱区、半干旱-半湿润过渡区贡献最大,分别为34.14%和39.15%;从季节来看,P的减少是由夏季、秋季所导致,PET的增大是由所有季节共同作用所导致,均为夏季的贡献占主导地位,贡献率分别为76.56%、51.70%。可见,BLH与干湿状况的时空变化及其与各子类型气候区、各季节的关系较为相似。干旱半干旱区BLH与各热力因子之间均存在着较好的相关性,其中与潜热通量Le基本为负相关,与其他热力因子(气温Ta、地表温度Ts、地气温差TsTa、净辐射rn、感热通量Hs)基本为正相关;与各动力因子之间的相关性有一定的差异,与粗糙度Rou、地面风速w以及风的u分量(10 m风的u分量u10、100m风的u分量u100、u分量的风切变uQB)存在较好的正相关,与风的v分量(10 m风的v分量v10、100 m风的v分量v100、v分量的风切变vQB)为负相关,但相关性较差。不同子类型气候区、不同季节影响边界层高度变化的主要热力因子、动力因子存在差异性。极端干旱区、干旱区、干旱-半干旱过渡区、半干旱区、半干旱-半湿润过渡区BLH主要热力影响因子依次为Le、Le、Hs、Hs、Hs,相关系数R依次为-0.3859、-0.8078、0.8432、0.8902、0.9119,主要动力影响因子依次为w、Rou、Rou、w、w,相关系数依次为-0.3391、0.4230、0.5298、0.6661、0.6738。春、夏、秋、冬季BLH主要热力影响因子依次为Hs、Hs、Hs、rn,相关系数依次为0.8194、0.9363、0.5967、0.5704,主要动力影响因子依次为Rou、uQB、u10、Rou,相关系数依次为0.5389、0.5452、0.3026、0.4800。综合来看,干旱半干旱区边界层高度BLH与热力因子的联系比动力因子更为密切。边界层高度与干湿变化之间存在着密切的联系。空间分布上,BLH与干湿状况具有很好的对应性,BLH较高(低)的区域,对应着AI较小(大)、P较小(大)、PET较大(小)的区域,即干旱程度较严重(轻缓)的区域。时间变化上,边界层高度与干湿变化物理量在变化过程中具有较好的一致性。BLH升高(降低),通常伴随着AI的减小(增大)、P的减小(增大)、PET的增大(减小),气候区分界线的向外扩张(向内缩减),干旱半干旱区范围的扩大(缩小)。相关分析表明,BLH与AI、P呈负相关关系,与PET基本呈正相关关系,东亚干旱半干旱区整体以及干旱-半干旱过渡区、半干旱区、半干旱-半湿润过渡区以及所有季节中,BLH均与PET的相关程度最大,且PET的变化周期与BLH完全一致。边界层高度变化对干湿变化存在着影响。边界层高度变化通过改变边界层大气容纳水汽的能力对潜在蒸发量造成影响,即当边界层高度升高时,大气边界层对水汽的容纳能力(即边界层大气的体积变化)变大,在原有的基础上,大气中的水汽密度减小,使得大气对地表的蒸发能力增强,潜在蒸发量增加;而当边界层高度降低时,大气边界层对水汽的容纳能力变小,在原有的基础上,大气中的水汽密度增大,使得大气对地表的蒸发能力减弱,潜在蒸发量减小。初步的定量估算表明,在极端干旱区、干旱区、干旱-半干旱过渡区、半干旱区、半干旱-半湿润过渡区,年际平均BLH每升高(降低)1 m,PET会相应地增大(减小)0.9181mm、1.7518 mm、1.6958 mm、1.2568 mm、1.3690 mm,AI会相应地减小(增大)1.4738*10~(-4)、6.4611*10~(-4)、0.0011、0.0015、0.0020。对于干旱半干旱区整体而言,年际平均BLH每升高(降低)1 m,PET会相应地增大(减小)1.6600 mm,AI会相应地减小(增大)0.0012,干旱半干旱区的面积会相应地增大(减小)2.2076*10~4 km~2。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P461

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