陸面與大氣之間在多種時空尺度的相互作用,是氣象學、生態(tài)學、水文學和全球變化等領域的研究熱點�？諝鈩恿W粗糙度作為地氣相互作用過程中的重要地表參數(shù),在地表與大氣間的物質與能量交換過程中扮演著重要的角色�？諝鈩恿W粗糙度被定義為中性穩(wěn)定的近地面大氣條件下,地表上方風速等于零的某一幾何高度。它表征地表空氣動力學特征,反映地表下墊面特征的差異對風速的減弱作用。然而,準確的估算空間尺度的空氣動力學粗糙度一直是通量計算過程中的難點,目前關于空氣動力學粗糙度的研究也難以統(tǒng)一和廣泛適用。本文依托黑河和海河流域多年積累的氣象和通量觀測數(shù)據,引入多源遙感數(shù)據,通過分析、建模、應用、評價的過程,分析了不同下墊面條件下空氣動力學粗糙度的影響要素及貢獻率,提出了基于歸一化冷熱點植被指數(shù)(HDVI)的作物冠層空氣動力學粗糙度估算方法,同時發(fā)現(xiàn),空氣動力學粗糙度計算的準確性直接影響蒸散發(fā)的估算精度,主要包括以下幾個部分:(1)以風溫風速廓線數(shù)據為基礎,利用Monin-Obukhov相似理論計算瞬時的空氣動力學粗糙度,利用相關性分析和因子分析的方法分析不同下墊面條件下空氣動力學粗糙度的影響要素。結果表明,風速、風向、大氣穩(wěn)定度、地形和植被特征都是影響空氣動力學粗糙度的因素,但不同下墊面條件下各因素對空氣動力學粗糙度的作用程度不同�？諝鈩恿W粗糙度在植被生長季和非生長季均表現(xiàn)出和風速負相關的關系;風向對空氣動力學粗糙度的影響主要取決于地形條件,在地形較平坦的地區(qū)空氣動力學粗糙度不隨風向發(fā)生明顯變化,而在起伏地形條件下,空氣動力學粗糙度在不同風向上呈現(xiàn)出差異性的分布規(guī)律;空氣動力學粗糙度在不同大氣穩(wěn)定度條件下也存在明顯差異,對于相同的地表粗糙元素,穩(wěn)定大氣條件下的空氣動力學粗糙度要明顯大于不穩(wěn)定狀態(tài)。因此,在瞬時空氣動力學粗糙度模型構建的過程中,對風速、風向和大氣穩(wěn)定度等空氣動力學因子的考慮必不可少。對影響空氣動力學粗糙度的因子歸類并計算因子貢獻率,結果顯示氣象因子和地形因子是影響草地下墊面和森林下墊面z_(0m)的主要驅動因子(對草地下墊面的貢獻率分別44.03%和38.33%,對森林下墊面的貢獻率分別42.87%和38.66%),植被因子和氣象因子是影響農田下墊面z_(0m)的主要驅動因子(貢獻率分別53.14%和30.29%),因子分析的結果表明用植被指數(shù)模型來估算z_(0m)的方法僅適用于農田地表。(2)在作物生長期內,基于多時相的PROBA-V 300米每日反射率數(shù)據產品,引入半經驗的BRDF核驅動模型計算歸一化的冷熱點指數(shù)(NDHD),再結合歸一化植被指數(shù)(NDVI)提出了歸一化冷熱點植被指數(shù)(HDVI),利用HDVI線性表達作物冠層空氣動力學粗糙度的估算方法,取得了理想的效果。相比于NDVI,對于黑河大滿站春玉米、河北館陶站冬小麥和夏玉米三種作物類型,HDVI與空氣動力學粗糙度的關系更加顯著(決定性系數(shù)R~2分別從0.636提高至0.772,從0.764提高至0.790,從0.630提高至0.793)。(3)通過借用并改進非線性互補相關模型,開展空氣動力學粗糙度在蒸散發(fā)計算中的應用,分析空氣動力學粗糙度參數(shù)在蒸散發(fā)計算中的敏感性。結果表明,空氣動力學粗糙度在蒸散發(fā)計算模型中的眾多輸入參量中較為敏感,尤其在作物生長高峰期,空氣動力學粗糙度計算的準確性直接影響蒸散發(fā)的估算精度。本文的研究提高了對空氣動力學粗糙度的認知,發(fā)展成熟的、可靠的空氣動力學粗糙度反演模型對地氣通量計算有著深遠的意義,空氣動力學粗糙度的模型研究還有廣泛的空間和潛力。
【學位單位】：中國科學院大學(中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所)
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：P407
【部分圖文】：

引入多角度的遙感信息優(yōu)化農田地表空氣動力學粗糙度的估算模型，同時在計算蒸散發(fā)的非線性互補相關模型中對空氣動力學粗糙度的計算結果開展應用并評價。全文總體路線圖如圖1-1。

圖 2-1 不同下墊面的空氣動力學粗糙度量級分布Fig. 2-1 The distribution in z0mmagnitude of various underlying surface除了幾何粗糙度和空氣動力學粗糙度的概念外，在表征熱量和水汽湍流傳輸效率過程中還經常涉及熱量粗糙度（z0h）的概念，它與近地面的廓線溫濕度密切相關（Kitaygorodskiy，1969），同時與空氣動力學粗糙度有以下轉換關系，其中 為熱傳輸阻尼（Matsushima, 2005）： h= m ¤( ) … (2.1)在非常粗糙和稠密的植被表面，計算風速對數(shù)廓線的有效參考高度需要從地面抬升至地面和植被冠層頂之間的某一高度，這些致密的粗糙元在計算風速時可近似認為將地面抬升到某一高度，這個高度稱為零平面位移高度（d），為了簡便計算，在實際應用中，常近似認為零平面位移高度與粗糙元平均高度的

圖 2-2 大氣邊界層分層示意圖Fig. 2-2 The sublayers of atmosphere boundary layer大氣邊界層的最下部約10%的部分稱為近地層，近地層的最底部是粗糙度內的運動受個別粗糙元的影響，是不規(guī)則的。在近地層，大氣受地球表面的和熱力的強烈影響，地球自轉對該層大氣產生的科里奧利力可以略去不計。近地層內的氣象變量具有較大的垂向梯度，因此近地層是物質、動量、熱量最顯著的場所，氣象站和通量塔等長時間序列觀測儀器通常位于近地層內。，從模擬陸面地表通量的角度來看待空氣動力學粗糙度，近地層的相關理論重要。從流體力學的理論出發(fā)，要準確地求解流體運動控制方程是非常困難的，似理論是一種實驗組織和分析檢驗的方法，它對所關心的變量進行量綱分析納分類，建立無因次變量之間的經驗關系。相似理論作為一種典型的零階閉

【參考文獻】

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本文編號：2811325