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本文通过改进中尺度天气预报WRF模式中涉及的土壤温湿度、土地利用类型、植被类型、植被覆盖度、地表反照率、地表粗糙度等参数和参数化方案，使WRF模式更适合对中国西北干旱区绿洲-戈壁非均匀下垫面系统的模拟研究，并结合中国科学院寒区旱区环境与工程研究所于2008年6-8月在甘肃省金塔县开展的“绿洲系统非均匀下垫面能量水分交换和边界层过程观测与理论研究”野外观测试验资料对比检验，以此研究中国西北干旱区绿洲-戈壁系统能量水分循环特征、大气边界层特征和小尺度局地环流特征，以期进一步揭示绿洲的自我保护机制，为绿洲保护和开发提供科学依据和理论指导。研究结论主要如下：
1.土壤温度和湿度是影响干旱区绿洲陆气相互作用和能量水分循环的关键因子。WRF模式初始场中加入了土壤温湿度观测值后，模拟结果能较为完整地呈现处“冷岛效应”和“湿岛效应”。综合考虑下垫面的植被类型、植被覆盖度、地表反照率和地表粗糙度等因素，通过它们的共同作用才能较为准确地模拟出非均匀下垫面的能量水分传输特征。
2.相比USGS资料，MODIS资料可以更精确地反映出金塔绿洲的土地利用现状和植被分布状况，体现出金塔绿洲灌溉农田、草地、戈壁和水域的空间分布。WRF模式初始场中加入MODIS资料后模拟效果得到一定的改善，能较好地模拟出非均匀下垫面温度场、湿度场和环流场的日变化特征及变化规律，使模拟误差相比控制性试验有所降低。绿洲相比周围戈壁区域温度较低，湿度较高。植被覆盖高的区域可以形成大量蒸发，降低绿洲的空气温度同时增加绿洲的空气湿度，使地气系统的水分交换强烈。
3.金塔绿洲与戈壁近地面气温的差异导致热力环流的产生，晴天条件下，白天风从绿洲吹向戈壁，呈辐散状；夜间风从戈壁吹向绿洲，呈辐合状。白天绿洲上空会出现大范围的下沉气流，垂直速度约为-0.1到-0.3 m·s-1，局部有上升气流。金塔绿洲内部的斑块状裸地气温比绿洲高，这可能会导致绿洲内部出现次级环流。次级环流运动可能会破坏绿洲上空冷湿气柱的结构，不利于绿洲的自保护。
4.不同天气条件下，金塔绿洲的辐射和地表能量平衡各分量日变化差别较大。WRF模式能较为准确地模拟出晴天和阴天状况下的辐射和能量平衡各分量的变化特征。白天，绿洲的净辐射峰值比戈壁大，潜热通量比感热通量大，而戈壁的感热通量比潜热通量大。无论晴天还是阴天条件下，绿洲以潜热输送为主，而戈壁以感热输送为主，土壤热通量占净辐射的很小一部分，并且积分值在晴天为正，阴天为负，能量输送晴天由土壤表层传输到深层，阴天反之。WRF模式对长期辐射和地表能量平衡的变化特征也模拟较好，模拟值与观测值较为接近，相关系数较高，均方根误差和平均偏差较低。
5.绿洲土壤湿度高，白天蒸发强烈，绿洲和戈壁下垫面的热力和水汽差异使使绿洲上空的“冷湿岛效应”显著。白天“冷湿岛效应”的平均影响高度可达1500m；夜间绿洲近地层500m以下则表现出弱的“冷岛效应”。绿洲上空的平均垂直气流夜间为上升气流，白天为下沉气流。金塔绿洲非均匀下垫面对流作用抬升了边界层高度，白天边界层最高为2500m，而戈壁为3500m；夜间绿洲区域边界层高度明显降低，绿洲和戈壁都在500m以下，非均匀下挚面上的边界层高度白天和夜间相差较大。