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本科生毕业论文翻译
题 目 中国黄土高原裸露地面两
种土壤温度算法的比较
中国黄土高原裸露地面两种土壤温度算法的比较
Zhiqiu Gao, Donald.H.Lenschow, Robert Horton, Mingyu Zhou, Linlin wang, and Jun Wen.
摘要
[1]文中的两种土壤温度热传导的算法是用来研究一种垂直非均匀热扩散系数的日垂直温度变化，以及当表面蒸发较大时土壤中存在的大量液体水流量。一种算法假定土壤是垂直的，并且只考虑热传导，而另一种是在我们最近的研究中发展起来的，考虑到土壤中热扩散的垂直不均性，以及热传导和对流（例如，通过水通量的热传递）。从理论上说，这两种方法对垂直均匀的干土具有相同的功能。基于2005年从中国的黄土高原的裸地采集到的土壤温度数据，我们发现新的算法对土壤的温度作出了较为现实的估计，而之前的算法与之前比，在0.1米深度处，平均高估了0.95K的日振幅或0.207rad的相移（即47.44分钟）。利用新算法和对土壤温度的测量，我们确定了土壤热扩散系数和一个变量，该变量代表了在距离土壤表面的第一个0.40米的范围内，土壤热扩散系数和水通量密度在三层的垂直梯度的总和。我们还模拟了0.20米和0.40米的土壤温度，结果与直接测量结果一致。这里的主要贡献是提供了对异质性和一些简单公式的分析见解，作为解释日温度变化中异质性的重要工具。
- 引言
- 地表温度和土壤含水量是重要的水文参数，影响大气与地表之间的感热、潜热的交换。这反过来又会影响土壤温度。在早期文献中,在半无限介质中，在周期强迫作用下，将均匀土的温度导出为具有恒定扩散率的热扩散方程的解[Van Wijk , de Vries, 1963]。Nerpin和Chudnovskii[1984]研究了非均匀土壤中的周期性温度变化，其中热特性用线性剖面描述。Novak[1986]利用半无限大介质一维热传导方程的调和解，计算了大气和土壤的有效日热导纳。假设两种介质的热性质仅为深度幂函数，并说明了如何计算这些函数中的参数。后来，Novak[1991]提出了一种新的分析理论，解释了非周期瞬态效应，并将他的预测与实测的土壤温度进行了比较。他的理论也解释了所观察到的土壤变暖趋势，但对规定的土壤表面热通量的小误差是敏感的。。Massman[1993]研究了非均匀土壤中的周期性温度变化，在这种土壤中，温度特性呈指数分布。
- 最近，土壤传热已被证明是由导电过程和多孔对流过程的复杂组合引起的[例如，Pserat de Silans等人，1996年],这也热传导-对流方程的解的发展。Shao等人[1998]，Ren等人[2000]，和Gao等人[2003年]给出了使用该模型的结果实例。Shao等人[1998]将分析结果与田间入渗试验中的土壤温度自然日变化数据进行比较，结果表明： 预测温度与直接测量结果非常相似。Ren等人[2000]提出了一种利用热脉冲技术测定土壤水分通量和孔隙水速度的方法。他们的方法改进了以前的方法，减少了水流场的畸变，并尽量减少热引起的土壤水分再分配。Karam[2000]根据周期性热流的类波特性，提出了一种新的热波模型，用于研究非均匀土壤中的传传导问题。Gao等人[2003]应用调和法解析求解了垂直均匀土中一维热传导对流方程。Verhoef等人[1996]用五种方法对HAPEX-Sahel地区(非洲)的土壤热扩散率进行了检验，Verhoef[2004]提出了一种从微气象测量中远程估计热惯量（土壤容量乘以土壤热扩散系数的平方根）的方法。Massman和Frank[2004]测量了马尼托市实验森林(美国科罗拉多州南部)控制地表燃烧之前、期间和之后几个土壤深度的土壤温度和热通量，并以此评估其对土壤热物理特性(导热系数和体积比热容)的影响。在燃烧过程中，土壤在0.02 m深度加热到400 LC以上，在0.30 m处加热到近100 LC。相对较高的温度持续了几个小时到几天，甚至超过1米深的土壤。他们发现，用一种新的土壤周期性热流模型估算火灾前后土壤的热物理性质，其在传感器安装后(2001年10月)和火灾后1个月(2002年2月)之间的时间变化不明显。此外，Massman等人[2008]通过建立和使用一个土壤加热和冷却日循环和年循环的分析模型，研究了火灾引起的土壤温度和热通量的长期变化。模拟结果表明，在典型的实验林干性土壤条件下，在火灾发生后的几个月到几年里，受火灾影响的土壤中土壤加热/降温的日周期和季节周期的振幅，已经超过了未受火灾影响的土壤， 而且这些影响传播到了超过一米的深度。 这些研究是测定土壤温度分布的最新进展的典型。
- 最近，霍姆斯等人[2008]将两个野外数据集应用于裸露土壤近地表温度分布模型。结果表明，Van Wijk和de Vries[1963]常用的热流方程解在深层土层中表现良好，但在近地表层应用时，由于温度发生了更大的变化，因此会产生较大的误差。他们的解释是，这些方法不考虑地表以下的热源或汇。
- 位于中国中西部的黄土高原的陆-气相互作用对西北地区的天气和气候有影响[Wang，2004]。在GCMs中经常被用于估计全球陆地表面湍流通量的简单生物圈模式2(以下简称SiB 2)[Randall等人，1996年]，利用地表能量平衡方程，即力恢复法计算地表温度。
在确定地表温度并将其作为上边界条件后，土壤深层温度是用传统的热传导方程来估算的，其中，土壤热扩散率是用土壤体积含水量来参数化的[Sellers等人，1996年]，垂直水通量对土壤温度的影响也被忽略了。关于黄土高原裸露土壤的土壤热特性和温度分布的研究较少。
为了满足这些需要，本文对黄土高原土壤热扩散系数进行了量化，并对两种利用2005黄土高原陆面过程田间试验(LOPEX)期间采集到的数据估算土壤温度的算法进行了比较。第一种算法在早期的文献中得到了广泛的应用，它假定土壤垂直均匀，只考虑了热传导。另一种算法是由加奥等人[2003]的工作发展而来的，考虑土壤中热扩散率的垂直非均匀性，并对热传导和对流进行耦合(例如，水通量的传热)。
- 两种算法的回顾与比较
2.1 土壤温度的经典热传导方程
[6] 继Van Wijk和de Vries[1963]之后，我们利用热扩散方程的基本周期解
(1)
其中k是热扩散率,中，其中是导热系数，是土壤的容积热容。
给定深度的边界条件，，，在深度处的地温(T)可以通过（2）计算得到，其中z是正向下的垂直坐标，t是时间；和是白天土壤最高温度和夜间最低土壤温度的算术平均值，是深度为z2的土壤的白天最大值和夜间最低值之间的差的一半；是地球自转的角速度；为深度土壤温度的初始阶段，采用最佳逼近法求得[Gao等人，2003年]；,其中是白天温度波的衰减深度。方程(2)表明，随着土层深度的增加，土壤温度波的幅值呈指数下降，相位线性增加。如果给出平均温度剖面，唯一未知的参数是土壤热扩散率。
2.2 土壤热扩散系数垂直非均匀性与热传导和水通量传热耦合的地温速率方程
- 方程（1）假设土壤垂直均匀。但对于大多数土壤来说，K可以从浅层向下变化(增加或减少)。因此，方程式(1)可以改进如下：
(1rsquo;)
忽略k的垂直非均匀性[Gao等人，2003]，将热传导和对流结合在一起，如下所示：
(1rsquo;rsquo;)
其中 是液体流量(正向下)，是土壤的体积含水量。是水的热容。本文假设这四个量与z无关。被Gao等人[2003]定义为水通量。
- 结合方程（1rsquo;）和(1rsquo;rsquo;)，
（3）
其中，，比较方程（4）和方程（2），M和N是从方程(4)的解中得到的附加项。必须指出的是，方程(4)实际上不是变量k的方程的解，而是期望在k变化不大的条件下充分地近似解。
[9] 我们让，，和分别是和深度土壤温度的初始值。假设（即,） , Gao[2005]导出了下列方程： (5)
(6)
2.3 两种土壤温度速率方程的理论比较
[10] 方程(4)与方程(2)的比较如下。
[11] 1.方程(2)和方程(4)的解对于垂直均匀的干土是相同的，其中W=0，因为垂直均匀土中，干土中。将W=0应用于方程(6)得到：
， (7)
将方程（7）应用于方程(5)得到
，（8）
或 ，（9）
方程(8)和(9)是Horton等人[1983]给出的标准方程，他们分别称其为相位法和振幅法。方程(8)允许利用土壤温度在两个深度的相位差来计算土壤热扩散率，方程(9)表明土壤热扩散系数可由两深度土壤温度的振幅比来计算。因为，和，总是存在，
方程(7)-(9)表明对垂直均匀干土而言：(1)相位移等于两深度土壤温度振幅比的对数；(2)热传导仍然存在，而对流不发生；(3)土壤热扩散系数k可以用两种深度采集的温度幅值或温度相来确定。
[12] 2.方程(2)表明，对于任何垂直均匀的干土层厚度
。然而，对于其中的土壤层，方程（4）给出和。 当Wgt; 0时，，当W lt;0时,。
[13] 3.对于Wgt; 0，如果土壤热扩散率从方程式（8）估算为，则它将被高估。因此,方程（2）将高估土壤温度幅度，因为。从理论上讲，这很容易理解。 例如，对于在晴天中午在土壤表面存在明显蒸发的垂直均匀湿土层，存储在表面附近的热液态水将蒸发，而下方的冷液态水将向上流向表面，因此表层 会变凉[高，2005]。 方程（2）不考虑这个过程，所以它会在这些条件下产生一个更温暖的表面层。
[14] 4. 如果k从方程（9）估计为，则它将被低估。 方程（2）将高估土壤温度的相移，因为不平等性，，将始终存在，无论Wgt; 0或W lt;0。
- 田间试验
[15] 这里使用的数据是2005年在LOPEX 密集观测期间在黄土高原的裸土场地采集的。该地点旨在量化裸土表面的陆地 - 大气相互作用， 位于106.42°E，35.35°N的中国西部甘肃省海拔1592 m的平凉县。 地面是裸露，平坦且均匀的。 现场土壤主要为中等壤土，淤泥含量高。 该地位于半干旱气候区内。 最高气温为307 K，最低为249 K，年平均气温和降水量分别为279 K和510 mm，2425小时的日照时间，年平均无霜冻日数170天，均为近50年来的平均值[Wei等人，2005]。
[16] 在0.05米、0.10米、0.20米和0.40米深度测量了土壤温度和体积含水量，每10分钟用Campbell记录所有传感器输出值并做平均。 各自使用平均TCAV土壤热电偶探头和CS615土壤水分反射仪。
[17] 现场还进行了标准的微气象要素测量，包括风速、风向、气温、空气相对湿度、气压和降水四个辐射分量。为了简洁起见，在这里微气象测量不做赘述。
4.结果和讨论
[18] 图1显示了在整个试验期间，裸地0.05米、0.10米、0.20米和0.40米深度处土壤温度的日变化。浅层的日循环大于深度较大的日循环，使得白天(夜间)浅层土壤温度高于(夜间) 较深的温度。只有在0.05 m处采集的土壤温度随间歇性云量的变化而变化。试验期间，在0.05米深处，土壤最高(最低)温度达到311.13 K(284.66 K)。振幅 随着土层深度的增加，土壤温度周期减小，温度相位提前。图1还显示，在当地时间1445年(以下简称LT)，该地点的土壤垂直温度梯度在0.05~0.10 m之间达到191.20 Km-1 。这样大的垂直温度梯度通常存在于有裸露表面的土壤中。由于白天强烈的太阳能加热，这种垂直温度梯度通常存在于地表裸露的土壤中。这是黄土高原未开垦地区的性质。
图1. 从2005年的第197天到241天，在黄土高原裸地0.05米、0.10米、0.20米、0.40米深度测得的土壤温度(K)的时间变化
[19] Heusinkveld等人[2004年]直接测量了位于以色列内格夫西北的一个沙质沙漠地带的土壤温度分布，结果表明，0.10 m深度的日变化幅度大于7K。在0.05 m深度和0.10深度处，日变化幅度分别达到10.5 K和5.5 K。地温振幅日变化随深度的增加而迅速减小，在0.40 m深度处基本保持不变。
[20] 图2与图1相同，但涉及土壤体积含水量。降水发生时，0.05 m深度土壤体积含水量突然增加。图1和图2中的差距是由收集设备的问题造成的。
4.1. 土壤热扩散系数k和土壤热扩散率垂直梯度与水通量密度的和(W)的估计
-
实际上，土壤温度的分
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