洱海湖气界面水热通量交换特征及其驱动因子研究

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中文摘要：湖泊是地球气候系统的重要组成部分，在不同时空尺度调控区域水分和能量循环，对区域乃至全球的天气和气候产生重要影响。研究湖气间水热交换过程和机理，有助于提高湖泊对气候变化响应的认识，为气候变化背景下湖泊的水资源优化管理提供科学依据。本论文基于涡动相关法观测得到的低纬高原湖泊（洱海）2015-2018年湍流通量资料，分析洱海湖气界面水热通量在不同时间尺度下的变化特征及控制因子，讨论近地层大气稳定度和冷空气事件对湖气间水热交换的影响，并评估不同蒸发模型（综合模型、太阳辐射-气温模型和道尔顿模型）在洱海的适用性，揭示气候变化背景下湖泊蒸发的长期变化趋势及其驱动因子。论文得到的主要结论如下: (1)利用洱海2015-2018年湍流通量资料，分析了洱海潜热和感热通量变化特征及控制因子。潜热和感热通量具有显著的日变化和季节变化特征。在日尺度上，潜热通量在08:00左右达最小值，傍晚16:00左右达最大值，而感热通量的日变化趋势与潜热通量相反。月平均感热通量的最小值和最大值分别出现在3月和10月。月平均潜热通量在通常在夏季或秋季中期达最大值，在12月达到最小值。湖泊的有效能量主要分配为潜热通量。由于水体热容量比较大，潜热通量的位相变化滞后于净辐射。在日尺度上，潜热通量的峰值滞后净辐射约2小时，在季节尺度上，滞后净辐射约1-3个月。在半小时至月尺度上，感热通量均主要受到湖气温差以及风速和湖气温差乘积的影响。在半小时尺度至周尺度上，潜热通量主要取决于风速以及风速和水汽压差的乘积。在月尺度上，潜热通量主要受气温以及净辐射的影响。 (2)分析了近地层大气稳定度对洱海潜热和感热通量的影响。结果表明，潜热通量随着层结不稳定度减弱而逐渐增大，最大值出现在弱不稳定至近中性层结;感热通量随着层结不稳定度的减弱而降低。当大气层结由不稳定转变为稳定时，潜热通量仍能保持较大的值;而感热通量迅速降低并转变为负值，此时热量由大气向湖面传输。在半小时尺度上，不同大气变量对潜热和感热通量的影响程度与近地层大气稳定度有关。当大气层结越不稳定或越稳定时，湖气间的水汽压差对潜热通量的影响与风速相当，甚至略大于风速。而在弱不稳定到弱稳定范围内，潜热通量主要受风速控制。在稳定条件下，风速和湖气温差对感热通量的影响大于不稳定条件。 (3)分析了冷空气事件对洱海湖气界面水热通量交换的影响。研究结果表明，洱海地区的冷空气事件常伴随来自孟加拉湾洋面的西南气流的影响。冷空气过境时，湖气间的水汽压差减小，湖气温差增大，感热通量明显增加，潜热通量减小。受冷空气事件影响时，感热通量的平均值约为无冷空气事件时期的6倍。冷空气事件的持续时间仅占全年8％左右，但冷空气事件持续期间所贡献的感热通量可占全年的37％，潜热通量占全年的6.7％。冷空气事件对潜热和感热通量年际变化的相对贡献分别为19.8％和64.4％。 (4)评估了参数优化前后蒸发模型的模拟效果及其在洱海的适用性。对蒸发模型进行参数优化后，综合模型组的模拟效果较优化前差异不大，而太阳辐射-气温模型和道尔顿模型的模拟精度得到提高，尤其是Makkink(MassTransfer)方法对月平均蒸发量和年总蒸发量的低估（高估）得到有效改善。蒸发模型的模拟精度取决于驱动模型的因子和实际湖泊蒸发的控制因子之间的一致性。在日至周尺度上，基于风速和水汽压差驱动的道尔顿模型（包括Ryan-Harleman和优化后的MassTransfer方法）的模拟精度最高;而在月尺度上，由气温和大气辐射驱动的综合模型和优化后的太阳辐射-气温模型能够更好的刻画湖泊蒸发的季节变化特征。三类蒸发模型模拟精度的差异随着时间尺度的延长逐渐减小。与综合模型和道尔顿模型相比，太阳辐射-气温模型所需的输入变量少且经过参数优化后模拟效果良好，适用于洱海长期蒸发量的估算。 (5)利用长期气象数据集驱动优化的太阳辐射-气温模型(Jensen-Haise)估算1981-2018年间洱海的年总蒸发量，揭示气候变化背景下洱海蒸发量的长期变化趋势及控制因子。结果表明，在1981-2018年间，洱海年总蒸发量的变化范围为1146.2～1362.0mm，平均值为1249.0mm。在1981-2018年，年总蒸发量总体上呈现微弱的上升趋势（0.30mmyr-1）。在上世纪90年代初，蒸发变化趋势存在转折，具体表现为1981-1990年期间呈明显下降趋势(-11.6mmyr-1)和1991-2018年间呈小幅上升趋势（0.84mmyr-1）。根据线性去趋势法和敏感性分析法计算发现，升温对蒸发量长期变化趋势的相对贡献均约为69％左右，气温增加是导致蒸发量在1981-2018年期间呈上升趋势的主要原因。

作者：

蒙小妮

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关键词：

涡动相关法近地层大气稳定度冷空气事件蒸发模型

授予学位：

博士

学科专业：

大气物理学与大气环境

导师：

刘辉志

学位年度：

2021

学位授予单位：

中国科学院大学

语种：

中文

中图分类号：