课题基金 / 基金详情

基于热脉冲探针方法的表层土壤和大气边界层热量交换研究

批准号:
42077008
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
刘刚
依托单位:
学科分类:
基础土壤学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘刚

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
开展近地表能量传输,水分迁移规律的研究有助于在全球变暖趋势下, 更好地进行水资源管理,提高水资源利用效率。本文以热脉冲探针方法为主,通过实验,理论和数值模拟,来研究近地表大气边界层对表层土壤的热特性及水分含量θ瞬态演化的影响。理论上,由我们提出的扩散系数空间位置相关的多层模型,给出对流条件下,温度T和水蒸气浓度Cv的解析解。实验上,利用我们发展的原位间距矫正TDR-热脉冲探针,测量得到随深度变化的T、容积热容量C、热导率λ和θ。对T和Cv分别进行回归分析,得到转移系数ht、hm。在有限元模拟中,通过输入净辐射Rn、气温T0、饱和导水率Ks、地表风速v、空气湿度H、C、λ及初始值,模拟T和θ演化。最后,通过比较实验结果、理论、模拟间的差异,来评估用扩散方程来近似水气运动的效果。并找到ht、hm和地表蒸发速率的误差来源,最终建立ht和hm随v、T0、Ks、Rn和H演化的关系。
英文摘要
Under global warming trends, carrying out research on near-surface energy transmission and water migration, will help us to better manage water resources and improve water use efficiency. In this paper, the major method we used is the heat pulse probe method, which will be used to study the effects of near-surface atmospheric boundary layer on the thermal properties of surface soil and the transient evolution of water content θ. Experiments, theoretical work, and numerical simulations will be conducted. Theoretically, start from the multi-layer model with spatial variation of diffusion coefficients that we proposed in 2008, the analytical solution of both temperature T and water vapor concentration Cv under convection conditions will be given. Experimentally, by using the in-situ distance-corrected TDR-thermal pulse probe that we developed, we can measure T, the volumetric heat capacity C, and the thermal conductivity λ and θ as a function of depth. After regression analysis of measured T and Cv, heat transfer coefficient ht and mass transfer coefficient hm are obtained. In the finite element simulation, the evolution of T and θ is simulated by inputting net radiation Rn, air temperature T0, saturated water conductivity Ks, surface wind speed v, air humidity H, C, λ, and initial values. Finally, by comparing the differences between theory, simulation, and measured values, the effect of using the diffusion equation to approximate water and air motion is evaluated. After finding the error source of ht, hm and surface soil evaporation rate, finally,we establish the relationship between ht (hm) and various parameters: v, T0, Ks, Rn and H.
土壤大气界面附近的土壤热特性测量、土壤热通量测量、水分含量监测对于在全球变暖条件下的气候模型预测、农业生产、保持生态系统的稳定性至关重要。目前, 土壤大气界面附近的土壤热特性测量面临很多不确定因素。界面的存在,改变了均匀介质假设,偏离了热脉冲探针的理论基础。此外,水分含量的空间分布诱发了土壤热导率的非线性依赖关系,加剧了表层热通量和热特性测量的困难。地表的空气对流以及非均匀初始温度,也导致了热脉冲探头测量结果的较大误差。本研究中,我们从热传导方程出发,针对土壤-大气界面系统,使用复合介质传热,基于热传导方程的解析求解以及有限元仿真,找到去除上述实验误差的有效方法。我们的研究显示,野外的地表风速波动会导致热特性测量的误差。而引入参考温度探针,可以降低土壤温度剖面的非均匀性的误差。采用了有限差分近似的梯度方法,在地表附近会存在较大的误差。而传统的热通量版则不易受冻融交替、土壤大气界面附近温度剖面的非线性影响。在冻融交替条件下,为了获得可靠的热特性,而避免冰融化。我们通过使用两相传热的移动界面热传导方程求解,结合计算机仿真,给出了优化的热脉冲探针加热方案。显著降低了热导率和比热误差,提高了冻土热通量的测量精度。给定土壤质地信息、含水量等基本参数,借助机器学习方法,我们成功的将土壤热导率的预测精度,相对于cmip6中的各种土壤热导率模型预测,RMSE降低了30%以上。通过特征重要性排序,给出了除了含水量之外的容重、石英含量、干土热导率等物理参数的重要性排序。为了给出更大尺度的土壤水分分布,我们借助深度学习方法,预测了土壤-大气界面的浅层土壤水分含量,并显著提升了smap产品的空间分辨率。
奶牛步态时空运动稳定机理及早期跛行识别方法研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    54万元
  • 批准年份:
    2022
  • 负责人:
    刘刚
  • 依托单位:
土壤重金属溶出伏安检测中腐殖质干扰机理及抑制方法研究
  • 批准号:
    32071898
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    58.0万元
  • 批准年份:
    2020
  • 负责人:
    刘刚
  • 依托单位:
利用能原位矫正探针间距的TDR-热脉冲多功能探头测量土壤热特性,液态水和冰含量
  • 批准号:
    41771257
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    63.0万元
  • 批准年份:
    2017
  • 负责人:
    刘刚
  • 依托单位:
土壤重金属溶出伏安快速检测干扰机理研究
  • 批准号:
    31671578
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    62.0万元
  • 批准年份:
    2016
  • 负责人:
    刘刚
  • 依托单位:
国内基金
海外基金