（流体力学专业论文）陆面过程中的湖泊和湿地模型及四维资料同化的应用.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 陆面过程对天气和气候变化有着重要的影响，目前湖泊和湿地对局部气候以及全 球气候的影响已经越来越多的被人们所关注。在已有的包含水汽贡献的湖泊水热平衡 方程的基础上，发展了考虑对流混合机制的湖泊和湿地模型，并用以色列北部的 k i n n v m t 湖和美国m o n t a n a 州的s t m a r y 湖的观测值验证了模型。用该模型计算了深 湖、浅湖和不同水体深度湿地的潜热通量和感热通量，并对它们进行了对比与分析， 得出水体深度越浅，蒸发越大的结论。采用四维资料同化方法中的最优插值法对湖泊 的初始温度场进行同化，使得模型的模拟值与观测值更加吻合。本论文的主要研究工 作如下： 1 在前人工作的基础上，采用焓作为变量发展了一个新的湖泊一大气水热传输模 型，在模型中强调了对流混合机制的重要性，并采用一种对流混合方法进行计算，用 隐式差分格式迭代进行数值计算，与以色列北部的k i n n e r e t 湖的观测值进行了验证。 分析了各物理参数对湖面感热和潜热通量，湖体温度分布及湖气水热平衡的影响。 2 计算了考虑了雪、雨冰、水冰、液态水数态共存时的复杂情形，并与美国m o n t a n a 州的l o w e rt w om e d i c i n el a k e 冬季结冰时的实测数据进行了对比，得到了很好的符 合，考验了本方法在考虑雪、雨冰、水冰、液态水数态共存时的复杂情形计算能力。 3 ，建立了一个考虑水体和水底土壤层的湿地模型，强调了对流混合机制在湿地 计算中起着极为重要的作用。分析了不同水体深度对湿地蒸发量影响，同时，还考虑 到了水体和土壤层中冰的再生与消融等。因此本湿地模型实际上是一个可用于各种环 境下，考虑了冻融过程的湿地与大气之间水热传输耦合的模型。 4 四维资料同化方法中的最优插值法对湖泊的初始温度场进行同化，使得模型 的模拟值与观测值更加吻合。提高了模型预报的精度。 最后，对未来的湿地模型研究进行了展望。 关键词：湖泊水热平衡；环境流体；湿地模型；湿地水热传输；四维资料同化 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t l a n ds u r f a e 圮p r o c e s s e sp l a ya l li m p o r t a n tr o l ei nw e a t h e ra n dc l i m a t ec h a n g e s a t p r e s e n t , t h ei n f l u e n c eo fl a k ea n dw e t l a n do nl o c a lc l i m a t ea n dg l o b a lc l i m a t eh a sb e e n r e a l i z e db ym o r ea n dm o r ep e o p l e b a s e do nt h ee q u a t i o n so f w a t e ra n dh e a tb a l a n c eo f l a k e w h i c h - e n n t a i n st h ew a t e rv a p o r , w ed e v e l o pal a k em o d e la n daw e t l a n dm o d e lw h i c ht a k e t h ec o n v e c t i v em i x i n gp r o c e s si n t oc o n s i d e r a t i o n t h el a k em o d e li sv a l i d a t e db yt h e o b s e r v e dd a t ao fk i n n e r e tl a k ei nt h en o r t ho fi s r a e la n dl o w e rt w om e d i c i n el a k ei n m o n t a n as t a t ei na m e r i c a t h el a t e n th e a tf l u xa n ds e n s i b l eh e a tf l u xo fd e e pl a k e ， s h a l l o wl a k ea n dw e t l a n dw i t hd i f f e r e n td e p t ho f w a t e rb o d ya r ec o m p u t e d b yc o m p a r i s o n a n da n a l y s i sa m o n gt h e m ，c o n c l u s i o n st h a tt h ee v a p o r a t i o ni sd e c r e a s e db yt h ei n c r e a s eo f t h ed e p t ho fw a t e rb o d ya r eg o t t h ei n i t i a lt e m p e r a t u r ef i e l do fl a k ei sa s s i m i l a t e db yt h e f o u r - d i m e n s i o n a ld a t aa s s i m i l a t i o nm e t h o do f o p t i m a li n t e r p o l a t i o nw h i c hm a k e st h er e s u l t s m o r ec l o s et ot h eo b s e r v e do n e t h em a i np a r to f w o r kc o n d u c t e db yt h ea u t h o ri so u t l i n e d a sf o l l o w s f i r s t ，b a s e do nt h ew o r ko fp r e v i o u sp e o p l e ，al a k em o d e lw h i c hc o n t a i n sw a t e ra n d h e a te x c h a n g ea n dc o n v e c t i v em i x i n gs c h e m ei sd e v e l o p e d c o n v e c t i v em i x i n gm e t h o di s i n t r o d u c e dt oc o m p u t e t h ep r e s e n tm o d e lw a sf i g u r e di nt h ei m p l i c i td i f f e r e n c es c h e m e a n dv a l i d a t e db yt h eo b s e r v e dd a t af r o mk j n n e r e tl a k ei ni s r a e l al o to fp h y s i c a l p a r a m e t e r sa r et e s t e dt os t u d yt h e i ri n f l u e n c eo nl a t e n th e a tf l u x ，s e n s i b l eh e a tf l u x ，t h e t e m p e r a t u r ep r o f i l e ，a n dt h eb a l a n c eo f h e a ta n dw a t e rf l u xo f t h el a k e s e c o n d ，c o m p l e xs i t u a t i o no ft h ee x i s t e n c eo fs n o w , r a i n - i c e ，w a t e r - i c e , l i q u i dw a t e ri s c o n s i d e r e di nt h ec o m p u t a t i o n ，t h er e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h eo b s e r v e dd a t ao fl o w e r t w om e d i c i n el a k ei na m e r i c ad u r i n gw i n t e rt i m e t h eb e s ta c c o r d a n c ew i t ht h ed a t a s h o w st h a tt h i sm e t h o dc a nd e a lw i t ht h ec o m p l e xs i t u a t i o nw e l l t h i r d aw e t l a n dm o d e lt h a tc o n s i d e r sw a t e rb o d ya n ds o i la tb o t t o mi s d e v e l o p e d ，c o n v e c t i v em i x i n gs c h e m ei se m p h a s i z e di nt h ec o m p u t a t i o n t h e i n f l u e n c eo ft h ed e p t ho fw a t e rb o d yt oe v a p o r a t i o ni s a n a l y z e d ，m e a n w h i l e ， i c i n ga n dm e l t i n gi nw a t e rb o d ya n ds o i ll a y e ri sc o n s i d e r e d s ot h i sw e t l a n d m o d e lw h i c hc o n s i d e r st h ew a t e ra n dh e a tt r a n s p o r t a t i o nb e t w e e nw e t l a n da n d a t m o s p h e r ec a nb eu s e di na n ys i t u a t i o n f o u r t h ，t h ei n i t i a lt e m p e r a t u r ef i e l do f l a k ei sa s s i m i l a t e db yt h ef o u r - ( 1 i m e n s i o n a ld a t a a s s i m i l a t i o nm e t h o do fo p t i m u mi n t e r p o l a t i o nw h i c hm a k e st h er e s u l t sm o r ec l o s et ot h e 上海大学硕士学位论文 o b s e r v e do n ea n di n c r e a s e st h em o d e l sp r e d i c ta b i l i t y f i n a l l y , t h e p e r s p e c t i v ef o rw e t l a n dm o d e lr e s e a r c hi nt h ef u t u r ei sg i v e n k e yw o r d s ：l a k ew a t e ra n dh e a tb a l a n c e ；e n v i r o n m a n tf l u i d ；w e t l a n dm o d e l ；w e t l a n dw a t e r a n dh e a tt r a n s p o r t ；f o u r - d i m e n s i o n a ld a t aa s s i m i l a t i o n 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除了 文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过 的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：壶丝12 翌日期：a 苎 生i ) 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论 文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：j 沮导师签名：题日期：立4 垒a 。 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 我们一般所说的陆面过程，是指能够影响气候变化的发生在地表面和土壤中控制 地气之间动量、热量及水分交换的那些过程，主要包括地面上的热力过程、动量交换、 水文过程、地表与大气间的物质交换、地面以下土壤的热传导和气隙中的热传输、地 下的水文过程等等。陆面过程是影响气候变化的基本物理过程之一。 近年来，森林锐减、土地沙漠化、荒漠化、干旱持续、全球变暖以及水资源缺乏 等一系列重大的全球环境问题和气候异常已引起了世界各国政府及科学界空前的重 视，研究这些现象的成因以及内在的物理生化过程，并预测它的发展和可能产生的后 果，已成为科学研究前沿的重大课题，也构成当代气候学研究( 当然也包括陆气相互作 用研究) 所面临的紧迫问题之一。因此，深入研究陆地上各种下垫面与大气之间相互作 用的物理、生化过程，不断改进和发展一个力求接近真实的陆面过程模型，使它能更 精确地预报上述各种交换( 动量、能量、多种物质( 水汽及c 0 2 等) 及辐射等交换) 、模拟 地表温度和湿度、模拟大气边界层发展等与气候研究密切相关的信息已为全球气候变 化研究所必需。 大气的状态变量有速度、温度、湿度及其化学成分等组成，从大气动力学角度而 言，决定这些状态变量的变化是由它们的动力学控制方程所决定【l 】。在这些控制方程 中，会发现各种各样与下垫面有关的源、汇项，如：决定风速变化的动量方程中的摩 擦力项、决定大气温度变化的能量方程中的感热项和决定大气湿度变化方程的潜热项 等，都属于这类源( 汇) 项，其中在大气层下边界上，它们要么来自海洋，要么就是来 自陆地，以下边界条件出现。从现在的气候研究结果来看，这类源( 汇) 项强度的大小 对于决定气候系统变化影响是至关重要的，而陆面过程机理和模型发展研究就是要决 定大气动力学控制方程中所需的源( 汇) 项，即提供控制和影响气候系统发展必要下边 界条件。 图1 1 大致勾划了复杂的陆气相互作用的基本过程，它表示了在一定的大气条件 下( 给定的风、温、湿、压、降水和太阳辐射等) ，地球陆地上各种各样的下垫面都时 时刻刻向大气输运动量( f ) 、感热( 日) 和潜热( l e ) 、反射短波( 口s ) 和发射长波辐 射( 盯，) 和生成地表径流( r u n o f f ) 。但是这些量又是时空多变的，要精确地刻画它们并 第一章绪沧 非容易，原因在于在其上发生的陆面过程是十分复杂的，其复杂性在于：陆地约占地 球表面的3 0 ，因而必然是气候系统中不可分割的基本成员之一。陆地表面包括约1 4 森林，1 t 4 草地。l “沙漠，t ，8 的城市和农地，其余1 8 为其它各种不同的下垫面。 这些下垫面的性质又随着季节发生变化，其问还可能覆盖着面积很大的雪盖、冻融土 及湖泊等。 冀登瓣黪f 巅鬻酗。嚣争翟糕黥霉耋魏t 。n s口 # 一_ 一一 图卜1 陆气相互作用的示意图 气候学家很早就注意到陆地下垫面状况的改变对气候的影响，约2 0 0 年前人们就已经 认识到陆地和大气之间彼此进行能量、水分和碳交换。陆面过程的模型研究早在五十 年代就出现了，b u d y k o 2 l 提出的简单地参数化开始了大气和陆面相互作用参数化方案 的研究。但是由于当时计算机能力的限制，人们只能考虑大尺度上的陆地下垫面对气 候的影响，忽略了占陆地下垫面比例较小的湖泊和湿地对气候的影响，但随着计算机 能力的飞速发展，使得更小网格上的计算成为可能，人们越来越发现湖泊和湿地对气 候的影响在陆面过程研究中不可忽略。 湿地是陆面下垫面的一种，是地球上一种重要的生态系统处于陆地生态系统与水 生生态系统之间，是二者的过渡带。湿地因具有巨大的环境功能和环境效益，被称为“自 然之肾”，作为自然界最富生物多样性的生态景观和人类最主要的生存环境之一，与森 林、海洋一起并列为全球三大生态系统p 1 。 据统计，全球湿地面积约为5 7 亿公顷，占地球陆地面积的6 。其中湖泊为2 ， 酸沼为3 0 9 6 ，碱沼为2 6 ，森林沼泽为2 0 ，洪泛平原为1 5 。红树林覆盖了约2 4 0 0 2 第一章绪论 万公顷的沿海地区，估计全球还保存了6 0 0 0 万公顷的珊瑚礁。中国共有湿地面积6 6 0 0 万公顷( 不包括江河、水库及池塘等) ，约占世界湿地面积的1 0 ，居亚洲第一位，世界第 四位。湿地的水分、物理、化学与生物特征经常处于激烈的变动之中。在全球变化及 现代人类活动的影响下，湿地生态系统的变化更为强烈和复杂。湿地具有区域气候调 节的作用，同时在碳和氮的储存中也起着重要作用，泥炭湿地是陆地上最大的碳储库， 是陆地生态系统碳循环的重要组成部分【l ，但不同地区因环境条件的差异，泥炭的垂 直积累速度有所不同，就全球范围而言，泥炭积累速度一般为0 2 - 0 8 m m a 。目前湿 地正经受着自然和人为两方面因素的影响【卯】，湿地的面积和范围受全球气候变化和人 类活动影响的强度有日益增强的趋势。 地区速率( r m a ) 瑞典南部和德国北部 5 1 o 7 0 芬兰南部和中部嘲 o 7 5 北酣习o 6 0 欧亚大陆【5 1 o 5 2 西伯利亚【5 】0 2 - 0 4 加拿大北极地【5 】 0 3 1 加拿大北部【5 】 o 5 4 美国宾9 - i , 1 1 8 】 0 0 2 - 0 1 i 美国维吉尼亚西部9 】 0 0 1 5 0 0 1 7 中国东北平原【4 】 0 4 0 中国青藏高原【4 】0 4 8 表1 - 1 世界不同地区泥炭积累速度 湿地生态系统对气候变化较为敏感，气候变化会影响湿地水文、生物地球化学 过程、植物群落及湿地生态功能等。由于气候变暖引起湿地水温及土壤温度升高，将 影响湿地的能量平衡，在北方地区会引起冰层覆盖、土壤冻融时间的变化，湿地地表 水水位及积水面积变化影响湿地生态系统生物群落演替、温室气体排放强度及生物地 球化学过程等。由于气候的变迁和人类活动的增强，全球湿地面积迅速减少，湿地生 第一章绪论 态系统的演变也可能是全球大气c 0 2 含量升高的一个不可忽视的重要因烈1 0 1 。 能量变化过程是湿地生态系统的一个至关重要的过程，它对湿地温度、水分输运、 植物生长以及湿地的生产率都有很重要的影响【l l 】。 从小的尺度上来讲，湿地表面能量交换过程对陆面大气的水热交换很重要【1 2 】。 从大的尺度上来讲，湿地和大气之间的能量交换可以通过影响局部气候进而影响全球 气候【1 3 1 6 1 ，若在气候变化模型中不考虑湿地的影响，则气候变化模型是不完善的h 7 1 。 湿地表面能量交换的主要组成部分是净太阳辐射、潜热通量、感热通量以及储存 在水里和土壤中的热通量。其中潜热、感热通量不仅是表面能量平衡的重要组成部分 【1 8 】，而且对气候也有着重要的影响，因此也是气候、水文和环境的重要参划1 9 】。气候 的变化又影响了陆面大气质量和能量交换的环境参数【2 0 1 。 在湿地参数化过程中，我们发现初始场的优劣对于模式模拟的结果有着重要的影 响，于是采用了四维同化方法优化了初始场，使得模式的模拟值与观测值更好的吻合， 提高了模式预报的精度。 1 2 目前研究进展 1 2 1 湿地的研究现状 湿地是指不问其为天然或人工，长久或暂时之沼泽地、泥炭地或水域地带、带有 或静止或流动或为淡水、半咸水或成水体者，包括低潮时水深不超过6 米的水域。目 前的湿地研究主要集中在湿地的定义、分类、评价指标、效益、利用保护上，主要侧 重点放在研究湿地对生态系统的影响上。 1 ) 湿地的定义 湿地的定义基本上可以分为两类：一类是湿地公约中关于湿地的定义， 即：“湿地系指不问其为天然或人工，长久或暂时之沼泽地、泥炭地或水域地带、带 有或静止或流动或为淡水，半咸水或咸水体者，包括低潮时水深不超过6 米的水域。” 另一类是湿地研究者给出的定义，最有影响力的是c o w a r d i n g 等( 1 9 7 9 ) 【2 1 1 给出 的湿地定义，即“湿地是陆生系统和水生系统之间的过渡土地，在这些土地上，水位经常 在或接近地表，或为浅水所覆盖。本文采用第二种定义法。 2 ) 湿地的分类 4 第一章绪论 通常湿地分类方法包括成因分类法、特征分类法和综合分类法。在众多的湿地分 类方法中有代表性的方法主要有c o w a r d i n g 等【2 1 1 的分类体系和b r i n s o n 2 2 的水文地貌 学分类方法。 3 ) 湿地效益研究 湿地的效益可归纳为以下几个方面：维持生物多样性，调蓄洪水，防止自然灾害， 降解污染物，调节气候，防止盐碱浸入海岸蓄水层和水体，野生生物栖息地，提供丰 富的动植物产品，提供水资源，提供矿物资源，提供能源，提供水路运输，提供基因 库，观光与旅游，具有社会文化意义，教育与科研价值，维持自然系统和现有过程。 4 ) 湿地评价指标体系 湿地评价主要是对湿地功能、价值以及人为干扰后的环境影响评价、生态风险评 价、湿地生态系统的健康评估等。 5 ) 湿地利用和保护研究 湿地利用与保护的研究内容有：湿地恢复及其理论与技术研究，湿地恢复的关键 技术，湿地生态系统设计，湿地保护有关的政策法规，湿地保护有关的协议和协定。 以往的湿地研究很少涉及湿地与气候变化之间的关系，但预期的气候变化将对湿 地的面积、分布和功能造成重大影响。气温升高、降水变化、海平面上升，是影响湿 地分布和功能的主要气候变化因素。同时，特别是泥炭地是重要的碳库，对全球碳循 环具有重要作用。因此，有必要考虑气候变化如何影响湿地以及湿地在缓解全球气候 变化方面的作用。 由于湿地相对而言，所占的陆面面积比例较小，所以在租网格陆面模式中一般没 有考虑湿地的影响。但随着计算机技术的飞速发展，全球陆面模型发展到了考虑次网 格尺度上不同类型地形的影响，局域气候模型已经可以精确处理大约1 0 0 0 k m 2 网格大 小范围内各种陆面类型的影响，湿地和大气之间的能量和质量交换也已经被考虑进 来。不考虑湿地影响的气候变化模型是不完善的【1 7 】。目前还没有考虑湿地与大气之间 水热传输的参数化方案，但由于湖泊可以看成广义上的湿地，所以我们可以借鉴湖泊 参数化方案来发展湿地模型，考虑其对大气系统的影响。 1 2 2 湖泊一大气水熟传输模式的发展 1 ) 1 9 8 5 年，b h e n d e r s o n s e l l e r s t 2 3 1 在一维涡漩扩散的基础上，延伸了涡动热导 5 第一章绪论 系数的应用。在实践中，他的论述与各方面的经验数据吻合得相当好，其所采用的涡 漩扩散模型为： 彳( z ) 詈= 丢( 彳( z x ) ! 垒半( 1 8 1 ) 2 ) 1 9 8 6 年，b h e n d e r s o n s e l l e r s 2 4 1 提出湖泊表面的能量平衡必须包含了来自太 阳的短波辐射、大气逆长波辐射、湖面向上的长波辐射、因蒸发而带来的潜热、感热 通量等。同时，它还利用英国和南非两地不同的气候数据来分析与比较了各种公式， 并提出了些建议。 3 ) 1 9 9 0 年，s w h o s t e t l e r 、p j b a r t l e i n l 2 5 1 提出一基于物理意义上的涡漩扩散模 型，用来模拟湖泊温度及其蒸发的季节性变化。它被用来模拟了一简单小湖的水位变 化用以重构近期因季节变化而引起的h a r n e y m a l h e u r 湖水位的起伏。其中，它所采用 的一维模型为： 詈= 去知项，争+ 去专掣n s 力 4 ) 1 9 9 1 年，在湖温和蒸发通量的模式基础上，h o s t e t l e r t 2 q 又耦合了湖冰的模块， 用来研究冰的覆盖对于更新世l a h o n t a n 湖的蒸发率的影响。 5 ) 1 9 9 3 年，h o s t e l e r t 2 7 1 提出了一中尺度( m m 4 ) 潮气耦合模型，用以研究一维湖泊 的温度、蒸发，并且考虑了冰存在的情形。 6 ) 9 0 年代后期，国内的孙菽芬【1 1 研究员，一直致力于发展有中国特色的区域陆 面过程模型的研究，并且将陆面的各种下垫面细分，其中有沙漠、冻土、湿地、湖泊、 植被等。 湿地的状况与湖泊相比，除了要考虑水体的状况与水体内部的能量传递、质量输 送、融水的流动以及雪、冰、水、水汽之间相变外，还要考虑土壤层本身的热量传导， 土壤层与水层之间的热量交换等。所以，湿地模型又有它自身的特点。湿地物理和水 文过程还是比较复杂的，另外，水汽对能量和水分输送的贡献也是不能轻易忽视的。 1 2 3 四维同化技术的发展 气象学和物理海洋学模式中的资料同化技术的研究和发展是目前国际上的一个 热点问题。资料同化和反问题方法，使综合利用模式的动力学信息和各种观测中所包 6 第一章绪论 含的信息，对模式未知或误差较大的初边值条件和模式参数进行最优估计。z o u t 2 8 1 等 对n m c 的m r f 绝热版本谱模式中的张弛系数进行了估计，w a n g 冽等估计了f s u 绝热谱 模式中同样的参数，s t a u f f e r 捌估计了一维线性浅水模式中的张弛系数。w e r g e n 3 q 利用观测资料对一维浅水模式的初始状态和强迫参数进行了优化，发现即使观测资料 中存在噪声，被估计的量也能收敛到可以接受的精度，在物理海洋学中，由于观测资 料稀少并且模式不够完善，四维同化技术更为重要。 对海洋中各种动力和热力过程的分析、模拟和预报是建立在大量观测数据基础之 上的。海洋观测技术，包括常规观测技术和非常规观测手段的不断发展，为我们提供 了大量的观测资料。如何将这些观测资料有效地应用于数值模式中，是提高模式预报 效果的关键问题之一。所谓四维同化，是指结合数值预报模式值和观测资料值来改进 观测场或模式本身，使数值预报模式最大程度地与所有要用的观测资料及所作的假设 相协调一致。四维同化的目的是为了更充分的利用观测资料，使数值预报的结果与实 际更吻合，并由已知的观测资料，通过模式变量的内在关系，反演一些实际难以获得 的要素值。其中改进观测场是为了得到更合理的模式初始场，修正模式误差是为了弥 补模式描述海洋各种过程的不精确性，提高模式性能。 应用于海洋研究中的同化方法主要有三大类：多项式内插方法、最优插值方法和 变分分析方法。 如果湖泊一大气水热传输模型模拟的湖泊温度值与实际测量值有很大的误差，则 可以将海洋研究中的同化方法应用于湖泊模型，即根据测量值和己知方程反算出方程 中的参数值或方程的初边界条件，使方程的解更逼近于测量值，提高模式的预报能力。 1 3 本文的主要研究内容 从前面的回顾可以看出，建立湿地和大气间水一热传输模型是研究陆面过程模式 发展的重要方向之一，给出最优的初始场也是研究陆气相互作用和提高气候模式模拟 能力的要求。 本论文的目标就是在对湖泊的水热物理过程有较好的认识基础上，发展一个在多 种气候条件下的湿地与大气能量、质量交换过程的统一模式，为改善陆面过程模式对 不同下垫面的的模拟能力作出贡献。采用四维同化方法之一一最优插值法来修正初始 场，并与湖泊的测量数据进行对比，说明了修正初始场之后模式的模拟值与观测值更 7 第一章绪论 加接近，提高了模式预报的准确性。 主要的研究方法有：( 1 ) 对物理量进行量级分析，建立一个简化且能描述湿地内部 基本物理过程的物理模型。( 2 ) 寻求合适的数值计算方法，发展相应的程序块。( 3 ) 利 用观测资料，对已建立的模式的性能进行验证，并讨论了不同水体深度湿地、浅湖、 深湖的蒸发潜热之间的关系。 论文的具体内容安排如下： 第二章主要在以往湖泊一大气的水热传输模式的基础上，采用焓代替温度来表示 能量方程，这样更方便处理水的相变问题，参照实际的物理过程，提出了温度不稳定 层结中的对流混合机制，保证了水体的密度随深度增加而增加。并用以色列北部的 k i n n e r e t 湖对模式进行验证，对风速和涡动热传导系数作了一些敏感性研究。提出了 对于表层结冰，降雨，降水的处理方法，并用美国m o n t a n a 州的l o w e r t w om e d i c i n e 湖的结冰资料对此处理方法的正确性进行验证，证明了新发展的模型可以适用任一气 象条件下。 第三章发展了一套湿地模型，考虑了水体和土壤之间的热量交换过程，强调了对 流混合机制对湿地模型的重要性，对不同水体深度的湿地进行了潜热和感热的对比分 析，得出湿地水体深度越浅蒸发越大的结论。 第四章介绍了现有的四维同化方法，并将其中一种应用到湖泊模型中，用l a k e k i n n e r e t 观测资料与湖泊初始场同化前后模型模拟值进行对比，证明了采用四维同化 方法提高了模式的预报能力。 第五章对本文主要结果进行了总结，在此基础上对可进一步深入的研究工作提出 了建议和展望。 第二章湖泊一大气水热平衡 2 1 概述 第二章湖泊大气水热平衡 湖泊作为一种重要的陆面类型，通过湖面与大气的水热传输，对区域天气模型 ( r e g i o n a lc l i m a t em o d e l s ) 有着重要的影响【3 2 1 。湖泊在广泛的空间尺度上对气候 也有着重要的影响”羽】，随着计算机精度的提高和网格划分日益精细，湖泊在全球大 气模型( g l o b a lc l i m a t em o d e l s ) 中的影响作用越来越大。同时，湖泊的温度、热 结构和蒸发对环境和生态也有着重要的影响。 湖泊的能量变化与太阳短波辐射、大气长波逆辐射、水面向上的长波辐射、潜热 及感热通量、水层内部热传导及相变过程的能量有关。由于水的三相变化产生能量交 换，使得其内部能量交换过程变得很复杂。在本模型中，采用比焓( h ) 代替温度( ，) 作为预报变量和实行对流混合机制，并定义融点温度下的液态水比焓为零来建立能量 方程。这样，模型中温度为融点温度的液态水输运( 流出或流入界面或有关径流) 并不 引起能量改变，比焓控制方程中就不必处理融点温度的水流动所输送的能量。这样可 以使方程简洁，程序编制简化，并节省计算时间。同时能将温度作为预报变量的模型 难以处理的结冰、融化等水体的相变问题很好地解决。 2 2 基本控制方程 目前，湖泊模型的能量平衡方程大多采用以温度为预报变量的一维涡漩扩散方程 1 2 6 1 ： 詈= 去壶盹f ) 】习+ 去专型掣( 2 - 1 ) 式中丁是湖泊温度( k ) ，t 为时间( s ) ，z 为距离湖面的深度( 川) ( 取湖面中心点 为坐标原点，湖深方向为坐标的正方向) a ( z ) 是深度g 处的湖泊面积( 所2 ) ，叱是水的分 子扩散系数( ，1 2 s 。) ，d ( z ，f ) 是涡动扩散系数( m 2 s 。1 ) ，妒是热源项( w i n - 2 ) ，c 。是水的 体积热容( 砌- 3 k - 1 ) 。 方程( 2 1 ) 只处理液态水的情形，没有考虑相变的影响，正如在概述中所说的那样， 用焓代替温度作为预报变量可以很方便处理水的相变问题，以焓为预报变量的能量平 9 第二章湖泊一大气水热平衡 衡方程形式如下： 鲁= 丢 c 七+ 足c 列，羽一薯+ c 。n v c 2 q 式中h 是水体的单位体积焓( j m 3 ) ，它的表达式为： h = ( ( 1 一z ) 。c 。( r 一乃) + 厂产q 。( t 一乃) - f 芦岛) 。岛( 2 3 a ) 其中e i 为水的比热( 4 1 8 8d k g - 1 k 1 ) ，岛为冰的比热 ( 2 0 5 2 j k g 一1 k 一1 ) ，t i = 2 7 3 1 5 k 为融点温度，z 为单位体积水中