陆面过程模式的研究进展简介

陆面过程是影响大气环流和气候变化的基本物理、生化过程之一。根据陆面过程研究的发展进程,介绍了三代陆面过程模式的不同特点和发展历程,指出在未来陆面方案中,引入光合作用和碳循环,可以更加真实地反映土壤、地表、大气、生物圈相互作用。陆面过程模式发展应该着眼于综合并且动态考虑植被类型变化、光合作用、碳循环和水循环的真实水文生化模型建立,将有效增强对气候变化的研究,提高天气预报模式的准确率。     

大气环流模式中陆面过程的参数化及其敏感性研究

本文就大气环流模式中引入陆面过程的各种参数化方法及大气环流和降水对各种陆面过程的敏感性研究进行了综述.首先指出大气环流模式中引入陆面过程的必要性;然后介绍了大气环流模式中陆面过程参数化的历史和现状,以及大气对陆面过程的敏感性;最后是对今后研究的展望.     

陆面水文过程研究进展

在简单介绍陆面过程模式和水文模型发展的基础上,阐述了陆面水文过程包括的各种物理过程,介绍了陆面水文模式研究的发展现状,并对国内外进展作了总结。重点介绍了目前国内外用于同气候模式耦合的陆面水文模型,指出了陆面水文过程研究以及与大气模式耦合过程中存在的问题,讨论了陆面水文过程研究的发展方向：应在加强蓄满和超渗两种产流机制兼容的混合产流模型及融雪径流模型的研究的基础上,改进传统水文模型,发展基于传统水文模型的大尺度陆面过程水文模型。     

简评陆面过程模式

在这篇文章中,阐述了陆面过程对天气,气候和大气环流的影响以及陆面过程模式在大气数值模拟中的重要性;回顾了陆面过程模式的发展历史;分析了一些陆面过程模式之间的主要结构差别;讨论了目前陆面过程模式的发展水平和未来的发展方向;简述了大气中尺度模式与陆面过程耦合的必要性以及当今耦合模式的研究现状。     

影响青藏高原植被生理过程与大气CO2浓度及气候变化的相互作用

利用一陆面过程模式,初步模拟研究了青藏高原夏季风盛行期植被生理过程与大气CO2浓度及气候变化的相互作用。结果表明,气候以及大气CO2浓度变化对青藏高原地区的植被生理过程有较明显的影响,高温、高温和高CO2浓度将加强高原植被的光合作用和呼吸作用,有利于植被生长。高原植被也可通过生理过程,产生净CO2呼收,降低大气CO2含量,起到调整温室效应的作用,从而影响全球气候变化;当气温升高、大气CO2增加时,这种作用更加有效。青藏高原地区大气CO2浓度加倍,对高原地区气候的直接影响不明显。植被的存在也会影响区域气候变化,并可通过改变高原热源,进而影响高原及其周边地区气候变化。文中还归纳出了植被生理与气候相互作用的简单概念模型。     

沙漠陆面过程与沙漠小气候研究进展

陆面过程是影响大气环流和气候变化的基本物理、生化过程之一。沙漠陆面过程及相应的小气候效应已经成为当前沙漠气象研究的热门问题。近年来,在沙漠陆面过程野外观测、陆面过程特征及参数化、陆面过程模拟、小气候及陆面过程对小气候影响等方面已取得重大进展。本文对于沙漠小气候、沙漠陆面过程及沙漠陆面过程参数化进行了简要概述,重点总结了国内外在沙漠地区气候考察、沙漠边界层高度、沙漠热力环流、绿洲效应、塔克拉玛干沙漠气候特征、沙漠陆面过程野外观测试验及结果、沙漠陆面过程对气候的影响、沙漠陆面过程参数化方案方面的成果,回顾了近年来利用地面观测设备和数值模式等对气候效应和陆面过程直接观测和数值模拟所获得的观测事实和模拟试验,并讨论了其陆面过程参数化对模拟的影响,在总结前人研究成果的基础上对未来的研究方向进行了讨论。     

陆面过程模型研究进展简介

在陆面与大气界面上不断进行着辐射、热量、水分和动量的交换,用于气候模拟或数值天气预报的大气环流模式需要陆面模式计算这些通量(陆面参数化).40年来,陆面模式经历了从简单和不真实的第一代陆面模式发展到更可信的第二和第三代陆面模式.第二代陆面模式包含了生物物理过程而第三代陆面模式包含了生化过程.近10年来,一些陆面模式耦合了动态植被模型和能考虑土壤水分空间非均匀性的水文模型.这些陆面模式与气候和海洋环流模型耦合能够模拟陆地生态系统对全球变化的响应.     

陆面过程和大气边界层相互作用敏感性实验

文中建立了一个研究陆面物理过程与大气边界层相互作用的模式。模拟了草原下垫面的土壤 环境物理、地面热量通量、蒸发、蒸散及大气边界层结构特征。并对主要的环境物理参数进 行了敏感性实验。结果表明，本模式能合理地模拟地表热量平衡、土壤体积含水量、植被蒸 发阻抗、地表水汽通量日变化和湍流交换系数、湍流动能、位温和比湿廓线等。该模式还可 进一步应用于研究城市陆面物理过程与大气边界层相互作用机制，及与中尺度大气模式耦合用于区域气候的研究。     

初冬青藏高原冻土过程的数值模拟

利用改进了的加进NCAR陆面过程(LSM)的NCAR MM5大气模式中的土壤冻融过程参数化方案和2001年10月2～30日的NCEP再分析资料,对青藏铁路沿线区域进行数值模拟试验。在新方案中改进了土壤径流和土壤渗透影响土壤层的水文过程,增加了对土壤含冰量的求解,较真实地反映了土壤的冻融过程。模拟结果表明,改进土壤冻融过程方案后,模式对地温、地面通量的模拟有一定的改进,能够反映土壤冻结初期陆面要素场的变化。     

陆面过程对气候影响的数值模拟:SSiB与IAP/LASG L9R15 AGCM耦合及其模式性能

利用陆面过程模式 SSi B与 IAP/LASG发展的 L9R1 5AGCM的耦合 1 0 a积分试验 ,研究了全球尺度大气与地表的水分和能量交换以及陆地与大气环流和气候的相互作用。模拟表明 :SSi B模式可模拟出陆地上较为真实的表面通量及其日变化 ,较好地定量描述土壤 -植被 -大气连续体系 ( SPAC)中能量和水分的传输过程。因此 ,将其引入气候模式中能够模拟出比 CTL- AGCM更合理的气候平均状态、水汽分布以及水汽输送的气候特征 ,特别是亚洲夏季风水汽输送独特的地域性 ,再现了大气环流 ,尤其是陆面气候的基本特征。并指出 ,陆面过程参数化的引进及其陆面状况的变化显著地改善了全球陆地上的水分平衡状况。利用改进的再循环降水模式 ,进一步研究了陆面过程参数化明显改进降水模拟的物理机制。指出全球陆地 ,特别是盛夏北半球干旱、半干旱地区的再循环降水率明显减小 ,与陆面上表面潜热通量的显著减小区一致 ,从而克服了许多未耦合陆面过程的 AGCMs因对地表水过程非常简单地参数化导致的普遍存在着整个陆地降水偏高 ,改善了全球陆地上的水分平衡状况。因此 ,在充分耦合的陆气环流模式中模拟的降水分布与实况接近。     

高寒草甸生态系统陆地生物圈模式研究及应用

改进了适合于高寒草甸生态系统的陆地生物圈模式，分析了模式中温度变化与水分运动分层的物理原因，说明了气候状况对地表面能量交换的影响，给出了净辐射和蒸散量新的计算方法，提出了有限差分计算中具有二阶精度的Euler隐式格式，介绍了中国科学院海北高寒草甸生态站的气候概况和野外观测情况。最后利用本模式对高寒草甸生态站地区的土壤－－植被－－大气间水热交换过程进行了数值模拟，模拟值与实测值吻合较好。     

The role of surface energy balance complexity in land surface models' sensitivity to increasing carbon dioxide

Global simulations with the Bureau of Meteorology Research Centre climate model coupled to the CHAmeleon Surface Model (CHASM) are used to explore the sensitivity of simulated changes in evaporation, precipitation, air temperature and soil moisture resulting from a doubling of carbon dioxide in the atmosphere. Five simulations, using prescribed sea surface temperatures, are conducted which are identical except in the level of complexity used to represent the surface energy balance. The simulation of air temperature, precipitation, evaporation and soil moisture at 1 2 CO₂ and at 2 2 CO₂ are generally sensitive at statistically significant levels to the complexity of the surface energy balance representation (i.e. the level of complexity used to represent these processes affects the simulated climate). However, changes in mean quantities, resulting from a doubling of atmospheric CO₂, are generally insensitive to the surface energy balance complexity. Conversely, changes in the spatial and temporal variance of evaporation and soil moisture are sensitive to the surface energy balance complexity. The addition of explicit canopy interception to the simplest model examined here enables that model to capture the change in the variance of evaporation simulated by the more complex models. In order to simulate changes in the variability of soil moisture, an explicit parameterization of bare soil evaporation is required. Overall, our results increase confidence that the simulation by climate models of the mean impact of increasing CO₂ on climate are reliable. Changes in the variability resulting from increased CO₂ on air temperature, precipitation or evaporation are also likely to be reliable since climate models typically use sufficiently complex land surface schemes. However, if the impact of increased CO₂ on soil moisture is required, then a more complex surface energy balance representation may be needed in order to capture changes in variability. Overall, our results imply that the level of complexity used by most climate models to represent the surface energy balance is appropriate and does not contribute significant uncertainty in the simulation of changes resulting from increasing CO₂. Our results only relate to surface energy balance complexity, and major uncertainties remain in how to model the surface hydrology and changes in the physiology, structural characteristics and distribution of vegetation. Future developments of land surface models should therefore focus on improving the representation of these processes.     

地表面物理过程与生物地球化学过程耦合反馈机理的模拟研究

利用大气—植被相互作用模式（AVIM）研究地表面物理过程与生物地球化学过程耦合的机理和实现方法,其基础是植物与非生物环境之间物质和能量交换等物理过程影响植物的生理生长过程,使得植被宏观形态和相应的地表的动力学参数上发生显著变化,又反过来作用于植被与大气、土壤之间的物理交换过程。这种气候与生物圈双向反馈过程是在季节和年际时间尺度上的主要相互作用机理。应用AVIM于内蒙古半干旱草原,模拟了在大气状况强迫下,草原生态系统初级生产力,植被与大气之间CO2、潜热和感热的交换,揭示了地表物理和生物学过程耦合反馈机理。     

森林下垫面陆面物理过程及局地气候效应的数值模拟试验

文中基于大气边界层和植被冠层微气象学基本原理 ,建立了一个森林植被效应的陆面物理过程和二维大气边界层数值模式。并应用该模式进行了植被和土壤含水量等生物和生理过程在陆面过程和局地气候效应方面的数值模拟试验。所得数值模拟试验结果与实际情况相吻合。结果表明 ,应用该模式可获得植被温度、植被冠层内空气温度、地表温度日变化特征 ;森林下垫面大气边界层风速、位温、比湿、湍流交换系数的时空分布和日变化特征。该模式还可应用于不同下垫面 ,模拟陆面物理过程与大气边界层相互作用机制及其局地气候效应的研究 ,这将为气候模式与生物圈的耦合研究奠定一个良好的基础。     

SENSITIVITY TESTS OF INTERACTION BETWEEN LAND SURFACE PHYSICAL PROCESS AND ATMOSPHERIC BOUNDARY LAYER

In this paper,an interactive model between land surface physical process and atmosphereboundary layer is established,and is used to simulate the features of soil environmental physics,surface heat fluxes,evaporation from soil and evapotranspiration from vegetation and structures ofatmosphere boundary layer over grassland underlying.The sensitivity experiments are engaged inprimary physics parameters.The results show that this model can obtain reasonable simulation fordiurnal variations of heat balance,soil volumetric water content,resistance of vegetationevaporation,flux of surface moisture,and profiles of turbulent exchange coefficient,turbulentmomentum,potential temperature,and specific humidity.The model developed can be used tostudy the interaction between land surface processes and atmospheric boundary layer in cityregions,and can also be used in the simulation of regional climate incorporating a mesoscalemodel.     

SENSITIVITY TESTS OF INTERACTION BETWEEN LAND SURFACE PHYSICAL PROCESS AND ATMOSPHERIC BOUNDARY LAYER*

In this paper,an interactive model between land surface physical process and atmosphere boundary layer is established,and is used to simulate the features of soil environmental physics,surface heat fluxes,evaporation from soil and evapotranspiration from vegetation and structures of atmosphere boundary layer over grassland underlying.The sensitivity experiments are engaged in primary physics parameters.The results show that this model can obtain reasonable simulation for diurnal variations of heat balance,soil volumetric water content,resistance of vegetation evaporation,flux of surface moisture,and profiles of turbulent exchange coefficient,turbulent momentum,potential temperature,and specific humidity.The model developed can be used to study the interaction between land surface processes and atmospheric boundary layer in city regions,and can also be used in the simulation of regional climate incorporating a mesoscale model.     

青藏高原土壤湿度时空分布特征研究进展

土壤湿度是陆面过程的重要参量,可以通过影响土壤本身的热力性质和水文过程,导致局部大气环流的改变以及区域性短期气候异常。青藏高原作为全球气候变化的敏感区,其地气间的水分与能量交换对亚洲季风和全球大气循环有着极大的影响,且高原地区的土壤水分数据能够为陆-气相互作用和数值模拟等研究提供重要的观测信息和初始输入数据。文中综述了青藏高原土壤湿度观测和研究对气候变化影响的重要性,高原土壤湿度观测站网建设现状,各种土壤湿度替代资料的适用性和评估研究,以及高原土壤湿度时空分布特征对降水的影响与气候变化响应,并提出了今后青藏高原土壤湿度研究着重解决的问题。