《陸面模式的土壤水運動方程數值計算方法研究》是依託中山大學，由張樹鵬擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：陸面模式的土壤水運動方程數值計算方法研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：張樹鵬
- 依託單位：中山大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
土壤濕度是一關鍵的環境變數。在陸面模式中，土壤濕度方程為多孔介質水運動學方程(也稱Richards方程)。Richards方程為非線性偏微分方程，其數值計算方法是頗具挑戰性的研究問題。通用陸面模式(The Common Land Model)自公布十五年來，版本已得到不斷更新，但其Richards方程數值計算方法仍缺乏深入的專門性的研究，其物理守恆性、計算穩定性、計算精度等方面可能存在嚴重的缺陷。本項目致力於研製新的通用陸面模式Richards方程數值計算方法，擬從四個方面開展研究：1、研究使用混合形式的Richards方程替代通常使用的基於含水量的方程，從而更好地適應土壤質地垂直方向的變化；2、研究同時滿足離散質量守恆定律和Darcy定律的空間數值格式，從而減小截斷誤差和提高算法的穩定性；3、探討兼顧效率和精度的時間積分格式；4、研究隨土壤質地變化的垂直分層方案和自適應時間步長方案。
結題摘要
土壤水運動的計算是陸地水熱平衡模擬的核心之一。一個完整的、合理的、滿足守恆性，並可套用於所有的複雜土壤條件、極端初值和邊值條件的數值解方案，對陸面過程的模擬具有重要的意義。本研究所發展的數值解方案相對現有陸面過程模型中的方案有較大的提升，可間接提高陸面過程模擬的整體精度。主要研究進展有：1、本研究引入了兩個新的預報變數（地下水位，濕潤鋒面的位置）來追蹤飽和區的變化，以對基於不同驅動力的土壤水流在物理和數學上進行區分，並推導了這兩個新加入變數需要滿足的發展方程；2、設計了新的土壤層間導水率的計算公式（帶權重的幾何平均），新公式在提高精度的同時可保證數值格式在多數情況下不會出現非物理的振盪；3、設計了兼顧效率和質量守恆的時間積分格式（混合隱式-顯式時間積分）；4、與時間積分格式結合，提出了可有效減少不穩定情況出現的時間步長調整策略；5、對新建立的土壤水運動數值方案進行了全面的驗證，主要驗證對象包括：新的層間導水率計算公式、穩態解和非穩態解、三種不同的水流情形（入滲、排水和毛細上升）、三種不同的邊界條件（零通量、固定水勢壓力和排水）、以及多種質地各異的土壤，通過與流行的陸面模型中的數值方案的對比，證明了新數值方案的優越性。本項目已完成計畫書中所列五項研究內容，完成研究目標，並已將取得的成果發表在頂級水文學期刊Water Resources Research上。
