旱區(qū)土氣界面水熱傳輸機(jī)理及對(duì)包氣帶水熱運(yùn)移的影響.pdf

1、土氣界面是連接大氣與土壤地下水的關(guān)鍵界面，界面上發(fā)生的一切物質(zhì)和能量的交換不僅受到大氣環(huán)流驅(qū)動(dòng)和太陽(yáng)輻射的限制，還受到界面土復(fù)雜的物理性質(zhì)的制約；同時(shí)界面上不斷進(jìn)行的物質(zhì)和能量的交換不僅影響到局地氣候變化，而且影響土壤中水汽熱傳輸和鹽分循環(huán)。由于其復(fù)雜性，目前針對(duì)土氣界面的研究尚比較薄弱。因此，深入研究土氣界面上水熱遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制，厘定了其對(duì)包氣帶水分運(yùn)移的影響，對(duì)研究地表地下系統(tǒng)水循環(huán)，評(píng)價(jià)地下水資源量，發(fā)展和完善陸面模型以及提高氣候模

2、擬的準(zhǔn)確率都具有十分重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文以粉砂為研究對(duì)象，依托于長(zhǎng)安大學(xué)渭水校區(qū)原位試驗(yàn)場(chǎng)，通過物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法，對(duì)土氣界面水熱傳輸機(jī)理及其對(duì)包氣帶水熱的影響進(jìn)行了研究，得到以下主要結(jié)論：
　　1.揭示了不同氣候條件下土氣界面水熱傳輸?shù)囊?guī)律，發(fā)現(xiàn)了土氣界面上含水率和溫度在晴天呈現(xiàn)正弦波狀態(tài)，陰雨天無此趨勢(shì)。在夏季的典型晴天，土氣界面熱通量最大值在200W/m2以上，且峰值出現(xiàn)的時(shí)間為正午13:00左右；陰雨天

3、界面上熱通量峰值小于晴天，雨天會(huì)出現(xiàn)多個(gè)峰值的情況。如果忽略地表熱通量項(xiàng)，估算流域內(nèi)的蒸發(fā)量，會(huì)造成約30％的估算誤差。
　　2.研究了時(shí)間尺度對(duì)土氣界面水熱傳輸?shù)挠绊懀l(fā)現(xiàn)小時(shí)尺度能夠更準(zhǔn)確的刻畫界面上水熱傳輸過程。發(fā)現(xiàn)土氣界面上含水率和溫度小時(shí)變化呈現(xiàn)明顯的日波動(dòng)特征；且溫度月變化也呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)正弦函數(shù)形式。界面熱通量的小時(shí)值差異很大，上午9點(diǎn)至下午18:00間熱通量值大于零；初夏時(shí)節(jié)，土氣界面上熱通量日均值大于零，月均值在-10

4、~20W/m2之間變化。土氣界面上含水率和溫度的分布具有季節(jié)性差異，界面熱通量夏季平均值最大，約25W/m2，冬季熱通量平均值最低，為-5W/m2。
　　3.分析了土氣界面溫度與氣象因子的相關(guān)關(guān)系，驗(yàn)證了土壤熱傳輸?shù)臏笮浴Ｍ翚饨缑鏈囟扰c太陽(yáng)輻射和大氣溫度呈現(xiàn)正相關(guān)，與氣壓和相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)，與陣風(fēng)風(fēng)速的相關(guān)關(guān)系復(fù)雜。熱量向下傳遞的過程中，土壤溫度存在振幅減小和相位滯后現(xiàn)象，深度每增加，振幅衰減約exp，相位滯后τ。
　　4

5、.揭示了土壤熱傳輸模型在不同天氣條件下估算土氣界面熱通量的準(zhǔn)確性。晴天，推薦使用諧波法估算地表熱通量，而陰雨天應(yīng)避免使用該法；熱傳導(dǎo)對(duì)流法在雨天能夠大體上描述地表熱通量的正弦變化趨勢(shì)。而由于具有連續(xù)自動(dòng)觀測(cè)的功能，且估算誤差在可接受范圍，在晴陰雨不同天氣條件下，熱通量板校正法估算地表熱通量都能得到較為可靠的結(jié)果。
　　5.揭示了目前較為常用的利用野外觀測(cè)資料估算土壤熱擴(kuò)散率的方法在不同天氣條件下的適用性及其可靠性。晴天，諧波法估算

6、土壤熱擴(kuò)散率結(jié)果準(zhǔn)確度最高，在極端干旱的條件下，熱傳導(dǎo)對(duì)流法估算結(jié)果誤差較差；陰雨天，當(dāng)土壤較濕潤(rùn)時(shí)，由于考慮了水分對(duì)流作用的影響，熱傳導(dǎo)對(duì)流法能夠獲得較準(zhǔn)確的土壤熱擴(kuò)散率；而雨天，氣溫驟降等影響導(dǎo)致諧波法和振幅法估算結(jié)果誤差很大。從計(jì)算簡(jiǎn)便性出發(fā)，在土壤含水率高而土壤水分垂直運(yùn)動(dòng)微弱的陰天，相位法可用于土壤熱擴(kuò)散率和熱通量的計(jì)算。
　　6.確定了土壤熱通量板的最優(yōu)埋藏深度，驗(yàn)證了土氣界面熱通量校正法的可靠性。熱通量板埋設(shè)在土壤剖

7、面上溫度變化拐點(diǎn)附近時(shí)，會(huì)導(dǎo)致估算地表熱通量誤差增加，因此板的布設(shè)應(yīng)該避開土壤熱量傳遞方向的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。通過對(duì)土氣界面熱通量進(jìn)行校正發(fā)現(xiàn)，Philip校正法僅對(duì)埋深較淺的熱通量板的校正有效，能夠提高估算土氣界面熱通量的準(zhǔn)確度，當(dāng)熱通量板埋藏深度大于5cm時(shí)，Philip校正效果較差，降低了地表熱通量的估算精度，增加了估算誤差。
　　7.揭示了土氣界面上水熱互饋機(jī)制，厘定了土氣界面熱傳輸滯后與含水率的定量關(guān)系，構(gòu)建了相位滯后τ和滯后時(shí)間

8、τ'與含水率的關(guān)系式τ(τ')=aθ-0.134；發(fā)現(xiàn)熱傳導(dǎo)率隨著含水率的增加先增加而后趨向于穩(wěn)定，而熱容量與含水率呈線性正相關(guān)關(guān)系，隨著含水率的增加而增大。
　　8.研究了土氣界面上水熱傳輸對(duì)包氣帶內(nèi)部水熱運(yùn)移影響的變化規(guī)律。土氣界面上水分通量變化影響包氣帶含水率和溫度場(chǎng)分布狀況，水分通量越大，穿透深度增大，穿透時(shí)間縮短。土氣界面上溫度變化是導(dǎo)致包氣帶溫度場(chǎng)分布差異較大的主要原因，發(fā)現(xiàn)土氣界面溫度的差異對(duì)包氣帶中液態(tài)水的日變化影