土壤热扩散率及其温度、热通量计算方法的比较研究

本文利用绿洲系统能量与水分循环过程观测试验的2005年6月11日至15日在甘肃金塔绿洲中部观测的土壤温度、湿度和通量资料,在分析了观测期间土壤温度、湿度和通量特征的基础上,采用振幅法、相位法、谐波法和热传导对流法计算了5～20cm土壤层的土壤热扩散率.在此基础上,以深度为5cm的土壤层为上边界条件,计算了10cm、20cm深度的土壤温度和10cm深度的热通量.结果表明:谐波法能很好地计算土壤温度,10cm和20cm深度的计算值相对观测值的标准差分别为:0.21℃和0.18℃;热传导对流法计算的土壤温度好于振幅法和相位法,但由于忽略了土壤水分通量密度的日变化,该方法用于土壤含水量有明显日变化的浅层土壤时,会出现计算误差.谐波法的计算土壤热通量与实测值最为接近,计算值与实测值的相关系数达到0.868.

土壤热传导方程解析解和那曲地区土壤热扩散率研究

文中用Laplace变换推导了土壤热传导方程的解析解和包含热对流项的土壤热传导方程的解析解。用青藏高原 8个土壤湿度、温度廓线观测站 1998年 9月 4日到 10日实测资料基础上 ,根据谐波方法和Laplace变换方法得到了土壤热传导方程的解析解 ,计算了这些站的总体土壤热扩散率 ;用包含热对流项的土壤热传导方程的解析解计算了土壤热扩散率。结果表明 :对于一个深度从 0 .0 4～ 0 .2 0m的浅薄土壤层 ,总体土壤热扩散率的值为 0 .30×10 -6～ 0 .98× 10 -6m2 /s,土壤热扩散率的值为 0 .15× 10 -6～ 0 .72× 10 -6m2 /s。由谐波方法得到的总体土壤热扩散率比由Laplace变换的值稍大 ;

青藏高原深层土壤热扩散率的时空分布特征

青藏高原是地气相互作用相对活跃的地区,深入了解青藏高原土壤热扩散率的变化,才能正确计算地表能量平衡进而准确认识青藏高原对全球和区域气候变化的影响。根据青藏高原1980—2001年39个观测站点实测的0.8 m和3.2 m土壤温度资料,利用热传导对流法结合最小二乘法拟合求得各站点的土壤热扩散率,并分析了土壤热扩散率的时空变化规律。结果表明,1980—2001年期间青藏高原土壤热扩散率在20世纪90年代以前波动较大,20世纪90年代以后波动较小。青藏高原东部地区的深层土壤热扩散率从春季至夏季增大,夏季至秋季减小,秋季至冬季减小;夏季最大值出现在青、川、甘三省的交界处,土壤热扩散率的值为8×10-6 m^2s^(-1),冬季最大值为5.1×10-7 m^2s^(-1);而除东部以外的青藏高原其他地区的土壤热扩散率,春季至夏季减小,夏季至秋季增加,秋季至冬季减小,该区域土壤热扩散率的变化范围为1.2×10-7 m^2s^(-1)~9.2×10-7 m^2s^(-1)。土壤热扩散率的多年平均最大值出现在青海省和甘肃省西南部以及四川西部的青藏高原东部地区,土壤热扩散率的极值为6.4×10-6 m^2s^(-1)。最小值出现在祁连山地区,土壤热扩散率为1.2×10-7 m^2s^(-1),中部地区为相对高值区。

城市土壤热扩散率实验研究

为了获得城市边界层能量特征,于2004年7～8月分别在合肥、南京两地采集土壤温度数据,并分析获得两地的土壤热扩散率v_g。由于数据采集存在差异,采用不同的处理方式分析数据:采用振幅变化法分析合肥地区水银地温温度计及计算机系统采集的数据,得到其深度15cm以上土壤层的土壤热扩散率v_g值为1.665×10^(-7)～4.687×10^(-7)m^2/s,v_g值随深度加深而增加;利用热传导方程设计的差分格式分析合肥(铂电阻地温温度计-计算机采集系统采集数据)、南京浦口两地数据,结果表明合肥土壤深度10cm处的v_g值为2×10^(-7)m^2/s,南京土壤深度5～20 cm之间的v_g值为2.1×10^(-7)～6.5×10^(-7)m^2/s,其v_g值随深度变化而变化,趋势与合肥一致。最后比较了合肥、南京两地土壤热扩散率v_g值的差异,对同一土壤深度,南京地区的土壤热扩散率v_g值略大于合肥地区。

土壤热扩散率的有限差分法计算

土壤热扩散率是计算土-气界面能量交换的重要的参数,计算方法很多,有振幅法,相位法,谐波法,有限差分法等。有限差分法方法简单,可以精确地计算土壤热扩散率。本文以模拟的土壤温度作为观测值,用有限差分法模拟土壤表层的热扩散率,验证有限差分法计算结果的精确性。

临汾市土壤热扩散率和液态水通量密度研究

利用临汾市基本气象观测站的土壤温度资料,采用同时考虑热传导和热对流的土壤温度算法研究了临汾市的土壤热扩散率和液态水通量密度.结果表明:两参数垂直方向上均不同性,平均而言,4月、7月的土壤热扩散率随着深度增加而增大,而10月的土壤热扩散率随着深度增加而减小;三个月的液态水通量密度均在土壤深度0.025 m与0.075 m之间减小,4月液态水通量密度在土壤深度0.075 m与0.125 m之间增大,在土壤深度0.125 m与0.175 m之间减小,7月和10月的液态水通量密度变化情况与4月则正好相反;土壤热扩散率和液态水通量密度均存在月际差异,各深度层变化不一致.

山西省土壤热扩散率和液态水通量密度研究

为研究山西省土壤热性质的时空分布，对各地区土壤热性质进行比较并讨论不同深度土壤层热性质的差异。利用山西省11个地市气象观测站2009年5—10月的浅层土壤温度资料，采用Gao方法研究山西省土壤热扩散率和液态水通量密度。结果表明：（1）山西省的土壤热扩散率k=-0．01×10^-6～5．09×10^-6m^2／s和液态水通量密度胆。13．28×10^-6～26．92×10^-6m／s。（2）山西省土壤热扩散率和液态水通量密度在垂直方向上不同性。（3）在0．025m层，大同市的七值和矽值都是最小的，而晋城市的k值和形值都是最大的。液态水通量密度的最大值都出现在0．025m层。

塔克拉玛干沙漠地表浅层土壤热扩散率、温度和热通量计算方法的比较研究

利用塔克拉玛干沙漠大气环境观测站2008年7月30日至8月4日的土壤温度、湿度和土壤热通量观测资料，定量分析了沙漠土壤热扩散率、温度、热通量的变化规律。采用谐波法、振幅法、相位法和热传导对流法分别计算了5—20cm沙漠土壤的热扩散率，在此基础上，以5cm深度的土壤层为上边界条件，计算了10和20cm深度的土壤温度和8cm深度的土壤热通量。结果表明：谐波法计算沙漠土壤温度的精度最高，10和20cm深度的土壤温度计算值与观测值的标准误差分别为0．167℃和0．127℃；热传导对流法对土壤温度的计算结果好于振幅法和相位法。同样，谐波法计算的沙漠土壤热通量值与观测值的误差最小，计算值与观测值的相关系数冗。达到0．976，热传导对流法次之，振幅法和相位法的误差最大。

日光温室深埋秸秆不同灌水下限对土壤热扩散率的影响

通过温室小区试验,探讨深埋秸秆条件下不同灌水下限对土壤热扩散率的影响。利用Matlab数学软件对地表及距垄台表面深度为15 cm处实测地温数据进行拟合,标定正弦函数温度曲线。同时,利用常规方法计算振幅并拟合相位,得到正弦函数温度曲线。计算两种方法得到的模拟地温与实测地温误差,并比较两种方法的拟合度,选择适宜的深埋秸秆条件下正弦函数温度曲线。根据正弦函数温度曲线得到的振幅和相位分别计算相应的土壤热扩散率。结果表明:深埋秸秆条件下,两种方法在深层土壤处的温度曲线拟合度皆较高,深层土壤温度波动规律更加稳定。用标定法得到的模拟地温与实测地温间误差皆小于常规法误差,基于标定法计算出的土壤热扩散率精度更高。振幅法和相位法计算的土壤热扩散率存在一定差异,由振幅法计算的土壤热扩散率小于由相位法计算的土壤热扩散率,但两种方法计算的土壤热扩散率与不同灌水下限的关系是一致的,即在深埋秸秆条件下土壤热扩散率随土壤含水量的增加而增加,但当土壤含水量达到一定水平后,土壤热扩散率不再随含水量增加,甚至会随含水量的增加而减小。这说明不同灌水下限对土壤热扩散率的影响是非线性的。

青藏高原深层土壤热通量的变化特征分析

青藏高原地表热状况不仅对局地天气和气候变化有重要影响,而且还在次季节到季节尺度上对周边特别是下游地区的短期气候变化产生影响,因此日益受到研究者的关注。土壤热扩散率和土壤热通量是决定土壤热状况的两个重要因素。不同于以往的研究,本文利用青藏高原地区1980—2001年39个气象站0.8 m和3.2 m的土壤温度资料,采用热传导对流法计算了0.8~3.2 m深层土壤热扩散率和土壤热通量,分析了它们的年变化和年际变化特征,并分析了深层土壤热通量和高原季风的相关关系,得到了一些有意义的结论。青藏高原深层土壤温度随深度的增加振幅减小、位相延迟;在1980—2001年间,土壤热扩散率的变化总体呈减小趋势;土壤深层热通量年变化与土壤表层热通量的年变化具有相反的相位;总热通量与对流热通量的变化具有相同的相位;深层土壤热通量月平均值在冬季为负值(定义热流向上为正),夏季土壤热通量都为正值。土壤热通量与高原冬季风指数的变化趋势相反,相关系数为-0.53;而与高原夏季风指数变化趋势一致,相关系数为0.58,都通过了95%的显著性检验。这些结论对于促使我们认识高原陆气相互作用是非常有意义的。

西北戈壁区夏季一次降水前后土壤温度变化规律分析

利用简单的土壤热传导方程建立模型，并结合小波变换方法,分析了2004年6月22日-8月18日金塔绿洲附近观测的戈壁土壤温度序列，重点关注地下10cm的土壤温度变化。结果表明,在观测时段土壤温度除了有明显的日变化外，还存在周期为准4天和准两周的波动。利用滑动相关分析后发现，太阳向下短波辐射强度与土壤温度日变化能量存在显著的正相关，这与利用土壤热传导模型分析土壤日变化振幅年变化的相关研究的结论一致。太阳向下短波辐射强度与准4天周期波动实部分量在降水前后存在负相关关系。比较观测时段土壤温度准4天波动能量与同时期的天空温度，发现准4天波动可能与持续增强的云逆辐射有关。通过分析降水前后土壤温度、土壤含水量的变化,发现二者的日变化在降水后与降水前相比，振幅增大，位相前移。这一结果可以用土壤热扩散率在一定范围内随土壤含水量增大而增大得到解释。最后利用回归分析发现T10的准两周波动可能与更大范围的大气环流场异常有关。

土壤热物性与地埋管换热器换热性能研究

本文采用恒热流法对某地源热泵系统工程进行土壤热响应测试,数据处理采用线热源模型,线性关系推导法得到测试结果。现场钻孔埋设单U型、双U型地埋管换热器,钻井深度有80m、100m,比较不同埋管形式下测试出的单位井深换热量、土壤导热系数、钻孔热阻及土壤热扩散率之间的关系,并分析结果差异的原因,为实际设计提供可靠依据。

热对流对土壤温度和能量平衡的影响

在传统的土壤热传导方程基础上,耦合了土壤水分的垂直运动引起的热对流项,用金塔绿洲2005年6月11—15日的观测数据分别计算了土壤热扩散系数以及水的通量密度。以0.05 m深度的土壤层为上边界,模拟了0.10 m和0.20 m深度的土壤层温度,并比较了计算的地表能量闭合因子。结果表明:热传导对流方法模拟的土壤温度与实际观测值吻合较好,且热对流作用使土壤表面能量闭合因子提高6%左右。

生物炭对北方寒区农田土壤热性能参数的影响

为揭示生物炭对土壤热特性参数的影响规律,以施加不同生物炭的北方寒区农田土壤为研究对象,设置土壤含水率水平分别为0%、8%、16%、24%、32%、40%,利用ISOMET2114型热性能分析仪,测定土壤在15^-15℃温度范围内导热率、热扩散率和体积热容量的变异特征,探究生物炭调控作用下土壤热特性参数对水热环境的响应机理。研究结果表明:在冻结与非冻结状态下,随土壤含水率增加,土壤导热率、体积热容量和热扩散率均表现出增大趋势,在3℃条件下,生物炭含量为0 t/hm^2、含水率为24%和32%时,土壤导热率相对于含水率为16%时分别增加0.141 4、0.580 5 W/(m·K)。随生物炭含量增加,土壤导热率和热扩散率呈降低趋势,体积热容量在非冻结情况下呈降低趋势,在冻结情况下则呈增大趋势,在-3℃条件下,含水率为32%、生物炭含量为4 t/hm^2和6 t/hm^2时,土壤体积热容量相对于0 t/hm^2水平分别增加0.16、0.20 J/(cm^3·K)。土壤导热率与含水率呈对数函数关系,土壤体积热容量与含水率呈线性函数关系,土壤热扩散率与含水率呈二次函数关系。本研究结果可为准确描述北方寒区农田土壤热性能和生物炭改良土壤技术提供理论依据。

黄土高原典型塬区土壤热性质变化特征研究

利用2014年7月至2015年1月黄土高原地区土壤含水量和土壤热性质观测资料,分析了该区域土壤热性质及其变化特征,并讨论了降水对土壤热性质的影响,结果显示:(1)除10 cm外,各层土壤热扩散率整体上呈现夏季下降,秋季平稳,冬季上升三个阶段,土壤体积比热容和土壤导热率表现为夏季上升,秋季平稳,冬季下降的趋势;100 cm处的土壤热扩散率始终高于40 cm,土壤热扩散率不随土壤深度增加而线性增加。(2)5 cm与10 cm层的土壤热性质均有明显日变化特征,且振幅较大,40 cm与100 cm处的日变化振幅逐渐变小。由于10 cm层土壤含水量的波动最大,该层的土壤热性质变化波动也最大。(3)土壤温度与土壤热扩散率随降水增加而下降,土壤热扩散率下降主要是土壤含水量较高时,土壤导热率与土壤体积比热容变化的幅度不一致所致;土壤体积比热容与土壤导热率随降水量增加而上升,降水主要通过土壤含水量的变化影响土壤热性质。

黄土高原自然植被下垫面陆面过程参数研究

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站的观测资料,分析了黄土高原自然植被下垫面陆面过程相关物理参数。研究了总体输送系数的不同季节平均日变化和频率分布特征,考察了地表粗糙度的变化趋势以及降水的影响。降水正常年份的总体粗糙度为0.009m,偏干年份总体粗糙度为0.006m,月平均粗糙度变化与正常年份相比较为平缓,降水通过增加植被覆盖和生长高度,使地表粗糙度增大。对总体输送系数与粗糙度以及总体理查森数的关系分别进行了讨论,在中性层结下黄土高原地区动力输送作用占主导地位,发现动量总体输送系数和奈曼流动沙丘下垫面很接近,而感热输送系数与戈壁下垫面接近。分析了反照率和太阳高度角以及土壤湿度的关系,并拟合得到以这两个物理量为因子的参数化公式。总体上,黄土高原自然植被下垫面的反照率比敦煌荒漠小,而大于长白山松林下垫面,这与3个地区植被覆盖和土壤质地的不同有关。通过对参数化公式模拟效果的检验,发现低太阳高度角下的反照率对土壤湿度和太阳高度角以外的其他因素敏感,而对应高太阳高度角的反照率受土壤湿度和太阳高度角的控制较强。最后,计算了土壤热传导率和热扩散率等土壤热力参数,相同湿度的热传导率比敦煌荒漠要大,并拟合得到热传导率以土壤湿度为自变量的参数化公式。

科尔沁沙地风沙土地温特征及其分析

通过对科尔沁沙地 3种类型风沙土中地温的变化特征分析 ,有植被覆盖和裸露地表条件下地温的关系探讨。结果表明 :1地温随时间进程有明显的日变化规律 ,随深度加深地温日变化振幅按指数规律减小 ;2半固定风沙土的浅层 (5～ 2 0 cm)地温略高于流动风沙土和固定风沙土 ,尤其表现在地温达到最大值时 ;3流动风沙土土壤热扩散率 λ较大 ,固定风沙土土壤热扩散率 λ较小 ;4有植被覆盖的风沙土中平均地温略高于裸露地表下的平均地温。

典型干旱区荒漠戈壁陆面参数的观测研究(英文)

根据目前流行的陆面过程模式的需要，利用２０００年５－６月敦煌陆面过程野外观测实验加强期的观测资料，分析了西北典型干旱区荒漠戈壁的一些关键陆面过程和土壤参数的特征和规律。并且利用相对反射为权重加权平均，计算得到典型干旱区敦煌荒漠戈壁的平均反射率为０.２５５±０.０２１；剔除建筑物干扰后，利用对数平均法计算的粗糙度长度平均值为０，００１９±０。０００７１ ｍ；剔除绿洲影响后，用无降水影响的资料确定出土壤湿度影响因子为０．００４５；剔除降水影响后，用观测资料计算的敦煌典型干旱区荒漠戈壁的热容量平均值为１．１２×１０~６ｍ^（－３）Ｋ^（－１），比“黑河试验”在戈壁和在其它沙漠观测的有关值略小一些，但热扩散率和热传导率都比“黑河试验”在戈壁观测的值小一倍左右；观测的敦煌戈壁典型天气条件下的土壤含水量非常小，基本上不超过１％。