【摘要】：干旱、半干旱地區(qū)因其地表生態(tài)脆弱,下墊面特征較為復雜,受人類活動影響較大;而下墊面特征對天氣系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展有重要影響[1]。作為目前我國干旱半干旱地區(qū)廣泛采用的耕作方式[2],大面積的地膜鋪設會通過影響局地土壤和大氣之間的水汽交換和能量交換,進一步影響區(qū)域的天氣狀況。而區(qū)域天氣狀況的變化與人類生產生活密切相關;無論是洪澇災害還是嚴重的旱災,都會威脅人民的生命財產安全[3]。因此,對干旱、半干旱區(qū)地膜覆蓋所產生的天氣效應的研究尤為重要。為了研究干旱、半干旱地區(qū)大面積地膜覆蓋的天氣效應,本文使用中尺度模式WRF對這一現象的影響進行數值模擬。首先,選取WRF模式中不同的微物理、積云、陸面過程和邊界層方案得到14種參數化組合,對2012年7月29日騰格里沙漠邊緣一次短時強降水過程進行數值模擬研究,并結合同期外場試驗觀測資料和區(qū)域降水實況,對不同組合方案的降水模擬性能進行對比分析,找到最適合干旱區(qū)下墊面的參數化方案組合。隨后,結合內蒙古地膜試驗的觀測數據,分析地膜農田下墊面的觀測特征,構建地膜農田下墊面的物理模型,并將此特征參數化,將地膜農田下墊面模塊耦合到WRF模式中。結合觀測和加入地膜模塊前后模擬結果的對比,檢驗模式的模擬性能。最后,以2012年7月29日騰格里沙漠邊緣一次短時強降水過程為例,對比耦合地膜模塊前后模擬的溫度、環(huán)流形勢、影響降水的動力條件和水汽條件以及降水情況,研究大面積地膜鋪設所產生的天氣效應。本文主要結論如下:(1)對比14種參數化方案組合對降水的模擬情況可見,不同組合對降雨模擬的差異顯著。半數以上組合模擬的24h累計降水較為接近實際,強降水中心位置與實況相比存在不同程度偏差,模擬試驗點(具體位置在后文中說明)降水開始時間不同程度滯后于實測。綜合考慮,選用Thompson微物理方案、Kain-Fritsch積云方案、RUC陸面過程方案與MYNN 2.5 level邊界層參數化方案的組合case11在24h累計降水、單站逐時降水及降水的TS評分中均表現較好且區(qū)域平均誤差最小,方案最優(yōu)。(2)對比14種方案模擬物理量的差異可以發(fā)現,降水量差異正是模擬物理量差異的客觀表現。通過天氣形勢分析和物理量診斷可見:本次降水過程發(fā)生于500hPa西風帶短波槽東移、發(fā)展的環(huán)流背景下,700hPa切變線處冷暖氣流交匯作為暴雨發(fā)生的觸發(fā)機制。低層輻合高層輻散的配置、較大的垂直上升速度提供了此次降水的動力條件;較強的水汽輻合、厚的濕層以及暖濕氣流的輸送,為此次降水過程提供了充沛的水汽。加之中尺度對流系統(tǒng)的影響,共同造成了本次暴雨的發(fā)生。(3)通過分析內蒙地膜試驗的觀測數據可見:鋪設地膜后,土壤濕度、土壤溫度都有所升高,這證明了地膜的保溫、保水效果。地膜覆蓋下墊面的土壤熱通量及其變化幅度低于同等條件下的無地膜下墊面。通過耦合地膜農田下墊面前后模擬情況和觀測的對比可見,鋪設地膜后,降水減小且發(fā)生時間滯后,5cm土壤含水量下降幅度減小,5cm土壤的溫度升高、感熱通量增加、潛熱通量減小;模擬整體變化趨勢與理論基本一致�？梢�,地膜農田下墊面模塊在模式中能夠得到較為合理的刻畫。(4)干旱、半干旱區(qū)大面積地膜鋪設對氣象要素的影響主要表現為:使試驗點附近區(qū)域上空的大氣層結趨于穩(wěn)定;在降水發(fā)生前,降低了試驗點附近地區(qū)、黑龍江一帶以及湖南東部等地的500hPa位勢高度,升高了試驗點上游區(qū)域、青藏高原一帶、東北南部、華北地區(qū)以及我國西南一帶地區(qū)500hPa位勢高度;降低試驗點附近區(qū)域上空的相對渦度和垂直速度;抑制降水發(fā)生前后西南氣流的發(fā)展,不利于印度洋水汽向試驗點所在區(qū)域輸送;降低試驗點附近地表空氣相對濕度,升高甘肅西北部地面相對濕度;抑制降水發(fā)生過程中試驗點上空低層的水汽輻合,削弱了水汽向上空的輸送過程。(5)干旱、半干旱地區(qū)大面積地膜農田下墊面對此次降水的影響主要表現為:使試驗點附近區(qū)域、黑龍江一帶、山東半島、甘肅中部及與其交界的青海東北部以及廣西一帶的日降水量明顯降低;增加內蒙、寧夏、陜西三省交界地區(qū),青海中部,新疆中部,甘肅北部,內蒙西部,黑龍江和內蒙交界的部分地區(qū),福建西部以及云南西南部等地的降水。地膜農田下墊面對氣溫、環(huán)流形勢、動力條件和水汽條件的影響,不同程度地反映在降水量的差異中。
【圖文】：

圖2-1 2012年7月每30min 降雨量及氣壓隨時間變化.“內蒙古微氣象觀測蒸發(fā)試驗”的試驗點（后文中內蒙古地膜試驗的試驗點位置和此處相同；本文中的“試驗點”均指此處）設在內蒙古自治區(qū)的阿拉善左盟，巴潤霍德鄉(xiāng)蒙古西灘（103°55'E，37°45'N，海拔 1578 m），試驗期間觀測到一次較為罕見的暴雨過程。圖 2-1 給出了暴雨過程中降水量和氣壓隨時間的變化。降水于 7 月 29 日 20 時（北京時，后文時間無特殊說明均指北京時）開始，1h后達到最大雨強（15.6mm·30min-1）；隨后降雨減小，于 30 日 04 時基本停止；過程伴有氣壓明顯降低，29 日暴雨發(fā)生前夕氣壓降至 830hPa。整個降水過程持續(xù)時間短，雨量大，具有明顯的突發(fā)性。由24h區(qū)域累計降水實況（圖2-4(15)）可見，此次降雨帶呈東北-西南走向，覆蓋寧夏北部、鄂爾多斯高原西側至甘肅臨夏與青海交界地區(qū)，，分布較為廣泛；雨帶中主要有3個強降雨中心：試驗觀測點（obs）所在地區(qū)、甘肅臨夏與青海海南州交界地區(qū)（A點）以及寧夏北部（B點）。寧夏北部和東騰格里沙漠出現100mm·d-1以上的大暴雨，銀川、阿拉善左旗甚至達到117mm·d-1、60mm·d-1，這

切變線西北側則為西北冷平流，為西北地區(qū)的降雨提供了良好的水汽條件及觸發(fā)機制。圖2-2 (a) 7月29日20時500hPa 位勢高度場、溫度場和風場；(b) 7月29日20時700hPa 位勢高度場、溫度場和風場.
【學位授予單位】：蘭州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：S316;S16

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本文編號：2694941