陆面模拟中植被辐射传输参数化方案研究

在冠层二流辐射传输模式基础上新发展了一个描述太阳短波辐射在植被中传输的冠层四流辐射传输模式.冠层四流辐射传输模式是在大气辐射传输理论的基础上得到一组描述短波辐射在植被中传输过程的冠层辐射传输基本方程,引进大气中求解辐射传输方程的四流近似解法,并求得冠层四流辐射传输方程的解析解.方程中各项参量能够反映叶子或冠层特殊的几何和光学特征.冠层向上、向下辐射通量取决于冠层散射相函数、叶子在入射光方向投影面积、单个叶子反射率和透射率、叶面积指数以及直射光入射太阳高度角等.四流模式计算叶子水平倾角时对太阳短波辐射的反照率,与二流模式结果比较可以验证模式的理论推导和建模都是正确的:计算结果的比较,表明四流模式在水平叶角分布时计算的冠层反照率与二流模式结果一致,同时直射光从任何太阳高度角入射的冠层反照率结果也一致,从而证明发展的冠层四流辐射传输模式是成功的.模拟试验中将两种模型同时耦合到同一个陆面过程模式中进行比较试验,结果表明,冠层四流辐射传输模式能够得到更精确的植被反照率,从而使得陆面模式计算的地表吸收的净太阳辐射通量更接近于观测值.     

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。     

土壤-植被-大气系统水分能量传输模拟和验证

本文建立了包括地下水的土壤－植被－大气系统水分能量传输综合模型,并对模型中冠层动量湍流交换反梯度传输现象的描述进行了改进。在此基础上,依据冠层内动量和热量的交换以及辐射传输过程,同时求解地表、冠层能量平衡方程,进而模拟饱和－非饱和土壤的水热传输。用浅地下水地区冬小麦田间试验资料对模型进行验证,结果表明,系统能量平衡各分量和土壤含水量的模拟与观测结果相当一致。模型敏感性分析发现,叶面积指数对总蒸散量的影响随叶面积指数的增加而逐渐减弱;叶片最小气孔阻力对总蒸散量的影响,在该阻力较小时更显著;地下水位对蒸散量的影响在它小于１．５ｍ时不显著,而在１．５～１．７５ｍ之间时,蒸散减小较快,主要由于土壤蒸发减小显著,冠层蒸腾稍有增加。     

陆面过程模式CoLM和NCAR_CLM3.0对中国典型森林生态系统陆气相互作用的模拟 II.不同参数化方案对模拟结果的影响

本研究针对CoLM、CLM3.0模拟结果的差异,就二者采用的不同参数化方案进行了比较分析,认为导致模式模拟结果差异的主要原因在于二者对植被覆盖度、冠层水、热、辐射传输以及光合作用和气孔导度等物理过程的处理有所不同,而CoLM模式对这些过程的处理更吻合实际.将CoLM的相关方案移植到CLM3.0进行的一系列数值试验表明,新方案的引入能够明显改善CLM3.0的模拟效果.此外,两个模式还存在一些共性的问题,例如不同的优化与叶面和冠层空气潜热传导率以及与土壤水文等过程有关的参数化方案,可能是导致模式结果在某些情况下存在偏差的主要原因.     

陆面过程模式中植被冠层短波辐射传输参数化方案研究进展

阐述植被冠层内短波辐射传输模式研究在陆面过程及陆气相互研究中的重要性,全面地回顾有关冠层短波辐射传输模式的研究进展,结合目前在陆面过程领域具有代表性的冠层短波辐射传输模式,指出当前在这一领域研究中存在并有待于解决的问题,探讨了未来的发展趋势.     

作物蒸散的研究:无水分亏缺条件下大豆田间蒸发与蒸腾的分别计算

分别用茎杆热量平衡和鲍思比法来估算无水分亏缺时的大豆田间的蒸腾(T)和蒸散(ET)。从ET中减去T就直接得到了大豆冠层下土壤蒸发的估算值。T/ET比值的日变化可用一条午间值最低、早晨和傍晚值较高的拋物线来表征。这种变化是由冠层吸收太阳直接辐射的日变程而决定的。结果表明,在土壤水分充足的条件下,大豆生育早期冠层稀疏时的田间蒸发,几乎与生育后期冠层稠密时田间的蒸散量相等。冠层下面的土壤日蒸发量随叶面积指数(LAI)增加而非线性下降。将估算蒸散的Makkink太阳辐射模式和冠层太阳总辐射的传输函数结合起来,形成一个估算冠层蒸腾的简单模式。由此模式估算的蒸腾量随叶面积指数的增加而非线性地增大,这种关系可由叶面积指数的负指数函数很好地逼近。     

陆面生态过程的一维数值模拟

建立了一个研究大气、植被、土壤相互作用的传播模式。模式是由多层大气模式、多层土壤模式和植被模式通过界面上能量、水汽传输平衡方程耦合而成。对植被和土壤的不同性质,进行了一系列的数值试验。结果表明,不同的植被覆盖以及降水等因子会对大气、植被、地表界面上能量、水汽传输以及热状态产生显著的影响。此模式还可以耦合进中尺度模式用以研究非均匀区域陆面过程和大气的相互作用。     

棉田SPAS水热传输的多层模式

根据能量平衡方程和土壤水热耦合方程，建立土壤－植物－大气系统的多层模式，再综合考虑作物冠层和土壤内部的水热变化，对地表与作物之间的水热传输过程进行了描述，并用棉田的实测资料进行了模拟。     

一个简单的陆面过程模式

本模式为针对大气环流模式所发展的一个简单的陆面过程模式，它包含:（1）地表温度计算，（2）冠层叶面贮水量和土壤湿度计算，（3）陆面与大气之间的水分和能量交换。对于表面温度和含水量的计算，采用的是联立求解计算方案，即耦合计算。植被冠层叶面的辐射特性和冠层形态对冠层中的辐射交换的影响得到有效和尽可能简单的模拟。另外，植被的气孔阻抗、表面与大气之间的水热交换通量和土壤中的水热输导作了较为细致的描写。利用此模式开展了对两个不同覆盖类型的陆面过程的模拟，模拟和观测的表面通量、温度和湿度较为相近。     

森林冠层边界层湍流传输的观测和数值模拟

文中分析和模拟了森林冠层上下动量、热量和水汽传输的特征。结果表明：冠层对动量的吸收十分明显,非局地扩散通量在冠层上下的动量传输中起着很大的作用;白天在冠层下层结稳定,但冠层下观测的感热通量向上传输;夜晚冠层下层结不稳定,但冠层下观测的感热通量向下传输,白天和晚上都出现了热量的反梯度传输现象,从而证明在热量输送中,非局地扩散通量不可忽视。同时对冠层上下的水汽交换特征的分析表明：非局地扩散通量是冠层内水汽向冠层上传输的主要机制。     

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。     

青藏高原大气—植被相互作用的模拟试验——Ⅰ.物理通量和参数

在原大气-植被相互作用模式AVIM的基础上作了改进，包括对值被生理过程，如（1）光合作用：（2）呼吸；（3）分配和（4）物候等新的描述方法。对青藏高原上30个站点进行模拟计算，给出了高压上地表辐射及水热物理通量以及地表拖曳系数和地面反照率的分布特征。模拟结果表明净辐射和感热通量由东南和西北增加，高原西北部地表反照率较高，东南部地表反照率较低。     

Climate simulations based on a different-grid nested and coupled model

An atmosphere-vegetation interaction model (AVIM) has been coupled with a nine-layer General Circulation Model (GCM) of Institute of Atmospheic Physics / State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics (IAP/LASG), which is rhomboidally truncated at zonal wave number 15, to simulate global climatic mean states. AVIM is a model having inter-feedback between land surface processes and eco-physiological processes on land. As the first step to couple land with atmosphere completely, the physiological processes are fixed and only the physical part (generally named the SVAT (soil-vegetation-atmosphere-transfer scheme) model) of AVIM is nested into IAP/LASG L9R15 GCM. The ocean part of GCM is prescribed and its monthly sea surface temperature (SST) is the climatic mean value. With respect to the low resolution of GCM, i.e., each grid cell having longitude 7.5° and latitude 4.5°, the vegetation is given a high resolution of 1.5° by 1.5° to nest and couple the fine grid cells of land with the coarse grid cells of atmosphere. The coupling model has been integrated for 15years and its last ten-year mean of outputs was chosen for analysis.Compared with observed data and NCEP reanalysis, the coupled model simulates the main characteristics of global atmospheric circulation and the fields of temperature and moisture. In particular, the simulated precipitation and surface air temperature have sound results. The work creates a solid base on coupling climate models with the biosphere.     

An Updated Coupled Model for Land-Atmosphere Interaction. Part II： Simulations of Biological Processes

In Part I, the authors succeeded in coupling the spectral atmospheric model （SAMIL_R42L9） developed at the State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences （LASG/IAP/CAS） with the land surface model, Atmosphere-Vegetation-Interaction-Model （AVIM） and analyzed the climate basic state and land surface physical fluxes simulated by R42_AVIM. In this Part Ⅱ, we further evaluate the simulated results of the biological processes, including leaf area index （LAI）, biomass and net primary productivity （NPP） etc. Results indicate that R42_AVIM can simulate the global distribution of LAI and has good consistency with the monthly mean LAI provided by Max Planck Institute for Meteorology. The simulated biomass corresponds reasonably to the vegetation classifications. In addition, the simulated annual mean NPP has a consistent distribution with the data provided by IGBP and MODIS, and compares well with the work in literature. This land-atmosphere coupled model will offer a new experiment tool for the research on the two-way interaction between climate and biosphere, and the global terrestrial ecosystem carbon cycle.     

基于一个不同网格相互嵌套的陆气耦合模式的气候模拟研究

将一个大气植被相互作用模式(AVIM)与大气所LASG的R15九层大气环流模式GOALS相耦合．用来模拟多年平均的全球气候状况。AVIM是一个陆地表面陆面和生理过程相互反馈的模型。作为陆气耦合的第一步,暂不考虑AVIM中的生理过程,而首光将其物理过程[相当于通常的SVAT(土壤—植被—大气—传输方案)模型]与大气所LASG的九层大气环流模式耦合起来．其中海洋模式部分不参与积分,海面温度是多年平均的气候伯。考虑到GCM的分辨率较低(7．5°×4．5°)而植被分布必须有较高的分辨率(1.5°×1.5°),采取广大气与地表面粗细网格的嵌套耦合。模式积分15年,取最后10年的平均值作分析。将模拟的气候要素场与观测值和NCEP再分析资料作了比较,气候模拟结果反映了全球环流与温湿场的主要特征,特别是降水和地面气温的模拟效果较好。这为今后气候模式与生物圈的耦合奠定广一个良好的基础。     

一种陆面过程模式对径流的模拟研究

径流在陆面模式水量平衡计算中占有重要地位,它不但与土壤水的动态变化有关,而且会影响感热、潜热等其他通量的计算结果.作者针对陆面过程模式AVIM(Atmosphere VegetationInteraction Model)对产流描述的不足,改进模式中对径流的参数化方法.并将改进后的模式用于内蒙古的锡林河流域,以检验模式对径流的模拟能力.1991～1994年的径流模拟结果表明,改进后的模式对径流的模拟有较好的改善.     

An Updated Coupled Model for Land-Atmosphere Interaction. Part I： Simulations of Physical Processes

A new two-way land-atmosphere interaction model （R42_AVIM） is fulfilled by coupling the spectral atmospheric model （SAMIL_R42L9） developed at the State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences （LASG/IAP/CAS） with the land surface model, Atmosphere-Vegetation-Interaction-Model （AVIM）. In this coupled model, physical and biological components of AVIM are both included. Climate base state and land surface physical fluxes simulated by R42_AVIM are analyzed and compared with the results of R42_SSIB [which is coupled by SAMIL_R42L9 and Simplified Simple Biosphere （SSIB） models]. The results show the performance of the new model is closer to the observations. It can basically guarantee that the land surface energy budget is balanced, and can simulate June-July-August （JJA） and December-January- February （DJF） land surface air temperature, sensible heat flux, latent heat flux, precipitation, sea level pressure and other variables reasonably well. Compared with R42_SSIB, there are obvious improvements in the JJA simulations of surface air temperature and surface fluxes. Thus, this land-atmosphere coupled model will offer a good experiment platform for land-atmosphere interaction research.     

An Updated Coupled Model for Land-Atmosphere Interaction. Part Ⅱ: Simulations of Biological Processes

In Part Ⅰ, the authors succeeded in coupling the spectral atmospheric model (SAMIL_R42L9) developed at the State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences (LASG/IAP/CAS) with the land surface model, Atmosphere-Vegetation-Interaction-Model (AVIM) and analyzed the climate basic state and land surface physical fluxes simulated by R42_AVIM. In this Part Ⅱ, we further evaluate the simulated results of the biological processes, including leaf area index (LAI), biomass and net primary productivity (NPP) etc. Results indicate that R42_AVIM can simulate the global distribution of LAI and has good consistency with the monthly mean LAI provided by Max Planck Institute for Meteorology. The simulated biomass corresponds reasonably to the vegetation classifications. In addition, the simulated annual mean NPP has a consistent distribution with the data provided by IGBP and MODIS, and compares well with the work in literature. This land-atmosphere coupled model will offer a new experiment tool for the research on the two-way interaction between climate and biosphere, and the global terrestrial ecosystem carbon cycle.     

区域气候模式与陆面模式的耦合及其对东亚气候模拟的影响

将大气—植被相互作用模式AVIM（Atmosphere-Vegetation Interaction Model）与区域环境系统集成模式 RIEMS2.0（Regional Integrated Environment Modeling System Version 2.0）耦合,利用耦合后的AVIM-RIEMS2.0模式在东亚区域选定典型年份进行积分试验,通过模拟结果与观测资料对比分析,从整体上评估耦合模式对东亚区域的模拟能力。结果表明:模式能够较好地模拟850 hPa风场、500 hPa位势高度、气温、降水以及地表热通量空间分布型和季节变化。双向耦合具有动态植被过程的AVIM模式后,RIEMS2.0模拟能力有一定程度的提高。850 hPa风场在冬季的中国东北、华北地区以及夏季的中国东部地区,模拟偏差都减小;500 hPa高度场模拟在中国北方地区改进明显,而在中国南方地区的夏季并没表现出明显的改进趋势。耦合模式改进了RIEMS2.0模式冬季气温模拟偏低而夏季偏高的现象。从区域平均看,耦合模式改善了降水模拟偏多的现象,并使得潜热通量的模拟效果有明显的改进,对感热通量模拟在大部分地区也有改进。总的来看,AVIM-RIEMS2.0耦合模式对中国北方地区模拟改进较为明显,而对中国南方地区,特别是华南地区没有明显的改进。     

An Updated Coupled Model for Land-Atmosphere Interaction. Part Ⅰ: Simulations of Physical Processes

A new two-way land-atmosphere interaction model (R42_AVIM) is fulfilled by coupling the spectral at- mospheric model (SAMIL_R42L9) developed at the State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmo- spheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sci- ences (LASG/IAP/CAS) with the land surface model, Atmosphere-Vegetation-Interaction-Model (AVIM). In this coupled model, physical and biological components of AVIM are both included. Climate base state and land surface physical fluxes simulated by R42_AVIM are analyzed and compared with the results of R42_SSIB [which is coupled by SAMIL_R42L9 and Simplified Simple Biosphere (SSIB) models]. The results show the performance of the new model is closer to the observations. It can basically guarantee that the land surface energy budget is balanced, and can simulate June-July-August (JJA) and December-January- February (DJF) land surface air temperature, sensible heat flux, latent heat flux, precipitation, sea level pressure and other variables reasonably well. Compared with R42_SSIB, there are obvious improvements in the JJA simulations of surface air temperature and surface fluxes. Thus, this land-atmosphere coupled model will offer a good experiment platform for land-atmosphere interaction research.