环境生态学课件12

第13章沙沙漠－漠－绿绿洲洲生生态系统态系统陆陆－气－气相相互互作用作用和和绿洲绿洲效效应应的的数值数值模拟模拟\noutline一、引言二、资料来源三、模式介绍四、结果分析\n研究意义在干旱条件下，千百万年来，是什么原因使得有的绿洲萎缩消失了，有的引绿洲则生存了下来，并且有所扩展，一定有其原因所在，既有外因、也有内因；什么尺度的绿洲及绿洲植被覆言盖度多大最有利于绿洲的维持等是要探索的关键问题。我们利用数值模拟的方法在研究了绿洲荒漠地区水热输送、动力学机理的基础上，对以上问题进行了系列数值模拟和灵敏度因子检验，得到了一些值得思考的结果。\n陆面物理与大气耦合模式•本模式：参考了Deardorff地-气相互作用参数化方案Noilhan土壤含水量参数化方案Dickinson生物圈大气圈模式参数化方案Sellers简单生物圈模式参数化方案完善了陆面物理过程参数化模式完成了陆面物理过程与大气边界层模式的耦合\n资料来源-黑河实验•在水平尺度50km的模式中，应用了1991年夏季HEIFE实验野外观测基本观测实验（FOP）•张掖站(绿洲）：平坦开阔，春小麦、玉米套种；化音站（戈壁）：水平均匀戈壁；沙漠站（沙漠）：起伏沙丘06时的平均资料作为初始场资料；•在水平尺度100km的模式中，应用了1991年夏季HEIFE实验野外观测IOP—2观测中小屯(绿洲)、化音（戈壁）的月平均资料拟合，作为绿洲、戈壁地区的模式初始场资料\n陆面过程参数化地表能量收支平衡短波辐射长波辐射感热潜热土壤热通量通量通量通量通量入射太阳反射大气地面感热水汽土壤深层土壤短波辐射短波辐射射向地面射向大气输送系数通量热力系数温度太阳地表大气长波地表地表土壤常温层高度角反照率放射系数温度蒸发温度大气植被大气地表光学厚度覆盖率温度含水量天空叶面积空气大气漫反射指数饱和比湿湿度层结植被稳定度蒸腾深层土壤含水量\n微分方案及模式模拟区域•时间微分：向前差分（时间步长为10s）•空间网格：1、50×20个格点，水平1－15荒漠，16－35绿洲，36－50荒漠2、100×20个格点，水平1－30戈壁，31－70绿洲，71－100戈壁水平方向：间隔为1000m垂直方向：0,10,20,50,80,100,150,200,250,300,400,500,750,1000,1250,1500，2000,2500,3000,4000\n结果分析绿洲-荒漠地区地表辐射平衡HeatBalanceonOasisHeatBalanceonGobi12001200QKQK800800RnRn)2)2/mLE/mGW400W400t(t(aaeeHHGHHLE00QRQR-400-40067891011121314151617186789101112131415161718Time(h)Time(h)\n800.00HEATFLUXLegendTitle(W/m2)800.00QHQHQEQEQ*Q*600.00QswQsw600.00QGQG400.00400.00200.00200.00HLE0.00H0.00LEt-200.004.008.0012.0016.0020.0024.004.008.0012.0016.0020.0024.00desertoasisDiurnalvariationofgroundsurfaceheatbalanceoverdesertandoasisareas荒漠和绿洲地表热量平衡的日变化\n潜热通量地表温度与土壤含水量3300.340.44w2gobi0.320.439320wgoasis0.3)))0.43833(K310/m/m33T0.28mm((g2wW0.4370.263000.4360.242900.220.43567891011121314151617186789101112131415161718Time(h)Time(h)绿洲-荒漠地表温度日变化图绿洲土壤含水量日变化图\n543)(KT-2106789101112131415161718Time(h)上下游荒漠之间地表温度差\n800.00HEATFLUXLegendTitle(W/m2)800.00QHQHQEQEQ*Q*600.00QswQsw600.00QGQG400.00400.00200.00200.00HLE0.00H0.00LEt-200.004.008.0012.0016.0020.0024.004.008.0012.0016.0020.0024.00desertoasisFig.1Diurnalvariationofgroundsurfaceheatbalanceoverdesertandoasisareas图1荒漠和绿洲地表热量平衡的日变化\n绿洲－荒漠地区温度、湿度和风速的垂直输送特征\nVeg=0.7500Veg=0.5400Veg=0.3)300/s2/m(WEL20010006789101112131415161718Time(h)不同植被覆盖度下绿洲地区潜热通量的日变化\n13:00垂直温度剖面\n13:00垂直湿度剖面\nu(m/s)w(cm/s)13:00水平和垂直风速垂直剖面\n2213：00湍流动能垂直剖面图（单位：ms/）\nOasisareaDesertareaOasisareaDesertareaFig.6Thesimulatedverticalcrosssectionofpotentialtemperature(K)at1300Fig.6Thesimulatedverticalcrosssectionofpotentialtemperature(K)at1300LST(thevegetationcoverfactorsofovertheoasisareaandthedrybareLST(thevegetationcoverfactorsofovertheoasisareaandthedrybaredesertareaare0.92and0.0respectively).desertareaare0.92and0.0respectively).图6在绿洲和干旱沙漠区1300时（LST）模拟位温（K）垂直剖面图（植被覆盖率绿图6在绿洲和干旱沙漠区1300时（LST）模拟位温（K）垂直剖面图（植被覆盖率绿洲洲为为00.92.92干干燥燥裸沙裸沙漠区漠区为为,,0.00.0））2323\nrOasisareaDesertareaOasisareaDesertareaFig.7Thesimulatedverticalcrosssectionofhorizontalwindspeed（m/s)atFig.7Thesimulatedverticalcrosssectionofhorizontalwindspeed（m/s)at1300LST(thevegetationcoverfactorsofovertheoasisareaandthedry1300LST(thevegetationcoverfactorsofovertheoasisareaandthedrybaredesertareaare0.92and0.0respectively).baredesertareaare0.92and0.0respectively).图7在绿洲和干旱沙漠区1300时（LST）模拟水平风速(m/s)垂直剖面图（植被覆盖率图7在绿洲和干旱沙漠区1300时（LST）模拟水平风速(m/s)垂直剖面图（植被覆盖率绿洲为0.92干燥裸沙漠区为,0.0）绿洲为0.92干燥裸沙漠区为,0.0）\nOasisareaDesertareaOasisareaDesertareaFig.8Thesimulatedverticalcrosssectionofverticalwindspeed(cm/s)at1300LST(theFig.8Thesimulatedverticalcrosssectionofverticalwindspeed(cm/s)at1300LST(thevegetationcoverfactorsofovertheoasisareaandthedrybaredesertareaare0.92vegetationcoverfactorsofovertheoasisareaandthedrybaredesertareaare0.92and0.0respectively).and0.0respectively).图8在绿洲和干旱沙漠区1300时（LST）模拟垂直风速（m/s)垂直剖面图（植被覆盖图8在绿洲和干旱沙漠区1300时（LST）模拟垂直风速（m/s)垂直剖面图（植被覆盖率绿洲为0.92干燥裸沙漠区为,0.0）率绿洲为0.92干燥裸沙漠区为,0.0）\nOasisareaDesertareaOasisareaDesertareaFig.9Thesimulatedverticalcrosssectionofspecifichumidityofair(g/kg)atFig.9Thesimulatedverticalcrosssectionofspecifichumidityofair(g/kg)at1300LST(thevegetationcoverfactorsofovertheoasisareaandthedry1300LST(thevegetationcoverfactorsofovertheoasisareaandthedrybaredesertareaare0.92and0.0respectively).baredesertareaare0.92and0.0respectively).图9在绿洲和干旱沙漠区1300时（LST）模拟湿度（g/kg)直垂直剖面图（植被覆盖率图9在绿洲和干旱沙漠区1300时（LST）模拟湿度（g/kg)直垂直剖面图（植被覆盖率绿洲为0.92干燥裸沙漠区为,0.0）绿洲为0.92干燥裸沙漠区为,0.0）\nOasisareaDesertareaOasisareaDesertareaOasisareaDesertareaOasisareaDesertareaFig.10horizontalwind(m/s),(c)theverticalvelocity(cm/s)and(d)thespecifichumidityFig.10horizontalwind(m/s),(c)theverticalvelocity(cm/s)and(d)thespecifichumidity(g/kg)at1300LST(thevegetationcoverfactorsofovertheoasisareaandthedry(g/kg)at1300LST(thevegetationcoverfactorsofovertheoasisareaandthedrybaredesertareaare0.92and0.5respectively).baredesertareaare0.92and0.5respectively).图10在绿洲和荒漠区1300时（LST）模拟（a)位温（K）,(b)水平风速（m/s),(c)垂直风速（图10在绿洲和荒漠区1300时（LST）模拟（a)位温（K）,(b)水平风速（m/s),(c)垂直风速（cm/s),(d)湿度（g/kg)垂直剖面图（植被覆盖率湿润绿洲为0.92,干燥荒漠区为0.5）cm/s),(d)湿度（g/kg)垂直剖面图（植被覆盖率湿润绿洲为0.92,干燥荒漠区为0.5）\n绿洲效应及其敏感性因子的研究1、背景场风速（外部因子）\n中尺度运动随大尺度水平风速变化\n绿洲效应及其敏感性因子的研究2、降水与灌溉（外部因子）\n\n\n绿洲效应及其敏感性因子的研究3、绿洲尺度（内部因子）\n\n西北地区地区现存绿洲水平空间尺度的概率分布\n绿洲效应及其敏感性因子的研究4、土壤湿度（内部因子）\n\n绿洲效应及其敏感性因子的研究5、粗糙度（内部因子）\n\n绿洲效应及其敏感性因子的研究6、植被覆盖率（内部因子）\n\n绿洲效应及其敏感性因子排序\n绿洲效应及其敏感性因子排序敏感性因子排序背景场风速1降水1绿洲尺度2土壤湿度3植被覆盖率3植被组成4灌溉5植被空间分布5粗糙度6\n总结热不能量输均平衡送静力地表匀冷岛温度平衡蒸温度效应场散绿洲潜热植被温室温度风场植被通量生理效应平流空气湿岛湿度湿度效应场湿度水汽不水平流通量均输匀送\n结论1、“绿洲效应”具有明显的“冷岛效应”和“湿岛效应”；2、绿洲具有明显的区域气候效应，绿洲区域比戈壁沙漠区域环境温度低、湿度大、湍流动能输送弱，具有下沉气流而导致与周围戈壁沙漠区域产生水平输送环流；3、绿洲的最小临界尺度为5－10km之间；最大临界尺度为55－65km之间；而最利于绿洲维持的尺度范围为20km左右，这一结论与我国西部地区现存的绿洲尺度统计结果十分一致；4、绿洲植被覆盖率0.6左右时最利于绿洲稳定；5、绿洲效应及其敏感性因子排序结论，对绿洲开发和可持续发展具有重要理论和实际意义。\n展望绿洲－荒漠区域水热输送研究（绿洲萎缩机理）\n展望绿洲－荒漠区域水热输送研究（绿洲扩展机理）\n