干旱半干旱区农田地膜下垫面天气效应的数值模拟

干旱半干旱区农田地膜下垫面天气效应的数值模拟干旱、半干旱地区因其地表生态脆弱,下垫面特征较为复杂,受人类活动影响较大;而下垫面特征对天气系统的发生发展有重要影响[1]。作为目前我国干旱半干旱地区广泛采用的耕作方式[2],大面积的地膜铺设会通过影响局地土壤和大气之间的水汽交换和能量交换,进一步影响区域的天气状况。而区域天气状况的变化与人类生产生活密切相关;无论是洪涝灾害还是严重的旱灾,都会威胁人民的生命财产安全[3]。因此,对干旱、半干旱区地膜覆盖所产生的天气效应的研究尤为重要。为了研究干旱、半干旱地区大面积地膜覆盖的天气效应,本文使用中尺度模式WRF对这一现象的影响进行数值模拟。首先,选取WRF模式中不同的微物理、积云、陆面过程和边界层方案得到14种参数化组合,对2012年7月29日腾格里沙漠边缘一次短时强降水过程进行数值模拟研究,并结合同期外场试验观测资料和区域降水实况,对不同组合方案的降水模拟性能进行对比分析,找到最适合干旱区下垫面的参数化方案组合。随后,结合内蒙古地膜试验的观测数据,分析地膜农田下垫面的观测特征,构建地膜农田下垫面的物理模型,并将此特征参数化,将地膜农田下垫面模块耦合到WRF模式中。结合观测和加入地膜模块前后模拟结果的对比,检验模式的模拟性能。最后,以2012年7月29日腾格里沙漠边缘一次短时强降水过程为例,对比耦合地膜模块前后模拟的温度、环流形势、影响降水的动力条件和水汽条件以及降水情况,研究大面积地膜铺设所产生的天气效应。本文主要结论如下:(1)对比14种参数化方案组合对降水的模拟情况可见,不同组合对降雨模拟的差异显著。半数以上组合模拟的24h累计降水较为接近实际,强降水中心位置与实况相比存在不同程度偏差,模拟试验点(具体位置在后文中说明)降水开始时间不同程度滞后于实测。综合考虑,选用Thompson微物理方案、Kain-Fritsch积云方案、RUC陆面过程方案与MYNN2.5level边界层参数化方案的组合case11在24h累计降水、单站逐时降水及降水的TS评分中均表现较好且区域平均误差最小,方案最优。(2)对比14种方案模拟物理量的差异可以发现,降水量差异正是模拟物理量差异的客观表现。通过天气形势分析和物理量诊断可见:本次降水过程发生于500hPa西风带短波槽东移、发展的环流背景下,700hPa切变线处冷暖气流交汇作为暴雨发生的触发机制。低层辐合高层辐散的配置、较大的垂直上升速度提供了此次降水的动力条件;较强的水汽辐合、厚的湿层以及暖湿气流的输送,为此次降水过程提供了充沛的水汽。加之中尺度对流系统的影响,共同造成了本次暴雨的发生。(3)通过分析内蒙地膜试验的观测数据可见:铺设地膜后,土壤湿度、土壤温度都有所升高,这证明了地膜的保温、保水效果。地膜覆盖下垫面的土壤热通量及其变化幅度低于同等条件下的无地膜下垫面。通过耦合地膜农田下垫面前后模拟情况和观测的对比可见,铺设地膜后,降水减小且发生时间滞后,5cm土壤含水量下降幅度减小,5cm土壤的温度升高、感热通量增加、潜热通量减小;模拟整体变化趋势与理论基本一致。可见,地膜农田下垫面模块在模式中能够得到较为合理的刻画。(4)干旱、半干旱区大面积地膜铺设对气象要素的影响主要表现为:使试验点附近区域上空的大气层结趋于稳定;在降水发生前,降低了试验点附近地区、黑龙江一带以及湖南东部等地的500hPa位势高度,升高了试验点上游区域、青藏高原一带、东北南部、华北地区以及我国西南一带地区500hPa位势高度;降低试验点附近区域上空的相对涡度和垂直速度;抑制降水发生前后西南气流的发展,不利于印度洋水汽向试验点所在区域输送;降低试验点附近地表空气相对湿度,升高甘肃西北部地面相对湿度;抑制降水发生过程中试验点上空低层的水汽辐合,削弱了水汽向上空的输送过程。(5)干旱、半干旱地区大面积地膜农田下垫面对此次降水的影响主要表现为:使试验点附近区域、黑龙江一带、山东半岛、甘肃中部及与其交界的青海东北部以及广西一带的日降水量明显降低;增加内蒙、宁夏、陕西三省交界地区,青海中部,新疆中部