陆面过程模式研究中的几个问题

文章讨论了陆气相互作用（ＬＡＩ）研究及陆面过程模式（ＬＳＭ）研制改进工作中的一些重要问题，讲述了重要下垫面的研究，陆面构成非均匀性及由此产生的中尺度环流的重要性，进而对雪盖和干旱地区所做的工作作了进一步阐述。     

半干旱区陆面模式参数对水分循环的敏感性研究

植被覆盖对陆气之间物质和能量交换过程具有极其重要的影响,但植被覆盖对于交换过程的影响因子很多,关系复杂.作者研究了各种植被因子对陆气之间水分循环的作用和相对重要性.首先通过单点NO-AH模式对吉林通榆农田下垫面2004年土壤和边界层各物理量进行模拟,并与观测结果比较和评价,肯定了单点NOAH模式模拟能力.使用这一模式进行敏感试验,将与植被有关的参数分别在其取值范围取较大与较小值,比较水分循环各物理量如土壤湿度、土壤蒸发、植被蒸腾等的变化情况.试验表明在各参数中植被气孔阻抗、根系深度、土壤湿度初值和反照率对水分循环的影响较大,而叶面积指数、粗糙度和冠层阻抗则影响较小.     

陆气相互作用及陆面模式的研究进展

较为全面地回顾了有关陆气相互作用的研究进展及陆面模式的发展现状，结合近年来开展的有关陆气相互作用的20多个大型国际研究计划和目前国内外具有代表性的陆面模式，分析了当前陆气相互作用及陆面模式研究中存在并有待进一步解决的问题，探讨了未来陆面模式的发展趋势。     

陆面过程模式中积雪过程的参数化及初步试验

为了用气候模式研究冰雪圈变化的气候效应，我们在已经发展的土壤－植被－大气模式基础上，考虑积雪改变表水文和反照率的参数化，建立了包含雪盖问题的陆面过程模式。利用中国西北黑河地区的ＨＥＩＦＥ实测气象和辐射资料，检验了模式对大气降雨和降雪的响应，结果表明，该模式描写的各种物理过程合理，一些可观测要素（如地面温度和地表净辐射通量）的演变特征与实况相当一致。     

陆面水文过程研究进展

本文回顾了近年来中国科学院大气物理研究所在陆面水文过程的观测、模式发展以及陆气相互作用研究等方面所取得的重要研究成果。首先概述了近年来在中国区域所开展的陆气相互作用野外观测试验,通过资料分析揭示了国际上现有陆面模式对干旱／半干旱地区陆气相互作用模拟的偏差,指出典型干旱／半干旱区陆面过程参数修正的必要性;随后重点描述了陆面过程模式中积雪覆盖度和冻土参数化方案的发展,中国区域土壤湿度的时空分布特征及其对区域气候的影响,以及中国区域大尺度水文模式的研制和应用等;最后给出了陆面水文过程研究的趋势和发展方向的展望。     

干旱区绿洲与荒漠相互作用下陆面特征的数值模拟

用新发展的二维中尺度土壤－植被－大气连续体数值模式,系统地模拟了绿洲与荒漠相互作用下的陆面特征和地表面能量输送特征。这一模拟结果不仅部分地验证了陆面过程野外实验的观测结果。     

陆面过程模型中垂直非均匀土壤的水分传输及相变的模拟

土壤湿度在陆气相互作用中的重要性体现在它既能影响陆地和大气之间水循环的速率, 又能改变地表的能量分配。本文针对陆面过程模型中描述土壤湿度变化的方程进行了理论分析, 指出在非均匀土壤和冻土中采用土壤水势梯度描述垂直非均匀土壤水分流动的合理性。基于描述土壤内部水热传输的统一土壤模型, 并利用推广的表征土壤水分特征的Clapp-Hornberger关系式, 研究了非冻结和冻结的土壤湿度对于垂直非均匀土壤的敏感性。结果表明, 由土壤质地决定的土壤水势和导水率对土壤湿度的模拟有重要的影响。具体地, 在决定土壤性质的Clapp-Hornberger关系式中, 与土壤质地有关的饱和水势、饱和导水率以及土壤孔隙大小分布指数B, 对土壤湿度的模拟起到了关键作用。参数B的重要性尤为突出, 它的增加会引起导水率的大大下降, 从而对水分在土壤中的垂直分布产生重要影响。饱和水势的绝对值和参数B的增加会使得土壤水势绝对值增加明显, 使土壤的结冰(融化)过程延迟, 土壤温度因为没有结冰(融化)释放(吸收)的潜热加热(冷却)而持续下降(上升), 因此在冻融时期土壤温度会比观测值振幅偏大。上述结果揭示了考虑土壤垂直非均匀性并采用有效的土壤特性参数对于陆面过程模型的重要性。     

LASG/IAP 大气环流谱模式对陆面过程的敏感性试验

将中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室最近发展的高分辨率全球大气环流谱模式SAMIL-R42L26, 分别与两个陆面模式--NCAR通用陆面模式CLM和简化的简单生物圈模式SSiB进行耦合.在比较了两个陆面过程模式, 指出CLM改进方面的基础上, 通过分析两个陆气耦合模式所模拟的陆气通量交换结果, 指出新版本的陆气耦合模式(SAMIL-R42L26与CLM耦合)对表面感热、温度、降水率、潜热通量和海平面气压场的模拟能力大大提高, 尤其对于夏季表面感热通量场, 使亚洲北部和东南部、格陵兰岛以及北美洲大部分地区的数值从100 W/m2 降低到接近60 W/m2, 与NCEP再分析资料一致.新版本的陆气耦合模式模拟陆地表面能量收支趋于平衡, 为下一步发展海-陆-气-冰耦合气候系统模式提供保障.采用CLM陆面模式, SAMIL-R42L26能较好地模拟亚洲季风区地表感热和潜热的季节演变趋势, 而采用SSiB陆面模式的结果, 则存在较大误差.文中的结果表明, 不同的陆面模式所模拟的大气下垫面(包括洋面)通量发生的变化, 通过陆气耦合过程产生的影响不仅仅是局地性的, 而且是全球范围的.     

东疆黑戈壁陆面过程参数及陆面模式离线模拟

新疆东部黑戈壁气候恶劣、人迹罕至,是具有黑色砾石下垫面的生态脆弱区。利用东疆哈密戈壁陆气相互作用站2018年全年观测资料,给出该戈壁地表动力学与热力学粗糙度、比辐射率和地表反照率等陆面过程特征参数,并将这些参数代入Noah模式对该戈壁热通量、地表温度及土壤温湿度进行模拟。结果表明：（1）东疆黑戈壁下垫面动力学粗糙度为1.13×10-3 m,热力学粗糙度为0.32×10-3 m,比辐射率为0.905。（2）地表反照率日变化呈早晚高,中午低的“U”型曲线。12月因地面积雪,反照率最高,年内极大值出现在12月8日,为0.79,年均反照率为0.29。地表反照率关于太阳高度角的参数化方案为：α=0.78-0.47×(1-e^((-h)/1.12)),地表反照率关于5 cm土壤湿度的参数化方案为α=0.28-0.136w_s。（3）将改进后的陆面过程参数带入Noah模式,大大提高了模式在戈壁区域的模拟能力。     

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.     

一个陆面过程参数化模式与 MM5的耦合

在法国陆面过程模式的基础上,为了表示冠层叶片遮挡对水分蒸发阻抗的影响,在植被覆盖部分引入了遮盖因子,然后将这个修正的陆面过程参数化模式耦合到MM5模式中。耦合后的模式模拟出了因为降水造成土壤湿度变化和植被覆盖动态作用对地面通量的影响,而原MM5模式模拟结果则没有反映上述动态变化对地面通量的作用。原MM5模式和耦合模式模拟了1993年8月17日到20日以内蒙古半干旱草原为中心的中尺度区域的气象场,模拟结果和IMGRASS预观测资料进行了对比,对比说明新的陆面过程模式提高了MM5模式对地面通量和边界层各物理量（风、温、湿）的模拟精度。     

Evaluation of Land Surface Scheme SABAE-HW in Simulating Snow Depth,Soil Temperature and Soil Moisture within the BOREAS Site,Saskatchewan

The Soil Atmosphere Boundary, Accurate Evaluation of Heat and Water (SABAE-HW) model is a multilayered, one-dimensional, physically based version of the Canadian Land Surface Scheme (CLASS) and uses the same methodologies as CLASS, version 2.6. SABAE provides an improved interface for groundwater modelling to simulate soil moisture, soil temperature, energy fluxes and snow depth for a wide range of soil and vegetation. This paper reports the results of the first field comparison of SABAE-HW using an extensive ten-year dataset from the Boreal Ecosystem Atmosphere Study (BOREAS) and the Boreal Ecosystem Research and Monitoring Sites (BERMS) project, an area in central Saskatchewan, Canada, rich in terms of hydrological and meteorological data. The model is also independently tested and verified with the Simultaneous Heat and Water (SHAW) model, which is an unsaturated-zone transport model. Two boundary conditions are considered at the bottom of the soil profile: a water table boundary condition and a unit gradient boundary condition. There was substantial agreement between the results of the simulations and observations in terms of snow depth and soil temperature. Snow depth and soil temperature were simulated reasonably well by SABAE, with correlation values of 0.96 and 0.98, respectively. However, there were some discrepancies for simulated soil temperature in winter. General agreement was obtained in terms of unfrozen soil moisture results, especially at greater depths, but there were general similarities in observed and simulated soil moisture trends in winter. An average correlation of 0.55 was found for SABAE while the correlation for SHAW was much smaller (less than 0.30), which indicates a better fit between simulated and field data by SABAE. Although a unit gradient boundary condition does not influence soil moisture, it was found that unit gradient boundary runs resulted in increased bias towards overestimation of the soil temperature. Thus, a safer and more accurate approach, we believe, is to adopt a first type boundary (i.e., water table) condition at the bottom of the domain. This has implications for climate and weather modelling in general. The result of this field testing demonstrated the potential and high accuracy of SABAE-HW as a Canadian model capable of simulating snow depth, snow temperature, soil moisture, energy fluxes, and we believe it is now appropriate to include this land surface scheme with its counterparts.

R ésumé ?[Traduit par la rédaction] Le modèle Soil Atmosphere Boundary, Accurate Evaluation of Heat and Water (SABAE-HW) est une version multicouche, à une dimension, basée sur la physique du schéma CLASS (Canadian Land Surface Scheme) qui utilise les mêmes méthodologies que le CLASS version 2.6. Le SABAE offre une interface améliorée pour la modélisation des eaux sous-terraines permettant de simuler l'humidité du sol, la température du sol, les flux d'énergie et l'épaisseur de la neige pour une grande variété de sols et de végétation. Cet article présente les résultats de la première comparaison terrain du SABAE-HW en utilisant une base de données étendue de dix ans de l'Étude de l'atmosphère et des écosystèmes boréaux (BOREAS) et du projet des Sites de recherche et de surveillance des écosystèmes boréaux (BERMS), une région du centre de la Saskatchewan, au Canada, riche en données hydrologiques et météorologiques. Le modèle est aussi indépendamment testé et vérifié à l'aide du Simultaneous Heat and Water (SHAW), un modèle de transport en zone non saturée. Deux conditions aux limites sont supposées au fond du profil du sol : une condition aux limites de nappe phréatique et une condition aux limites de gradient unitaire. On a trouvé une concordance importante entre les résultats des simulations et les observations en ce qui a trait à l'épaisseur de la neige et à la température du sol. L'épaisseur de la neige et la température du sol ont été raisonnablement bien simulées par le modèle SABAE, avec des corrélations de 0,96 et 0,98, respectivement. Cependant, il y avait certaines divergences pour la température simulée du sol en hiver. Pour ce qui est des résultats concernant l'humidité du sol non gelé, ils s'accordaient généralement, surtout pour les plus grandes profondeurs, mais il y avait des similarités générales dans les tendances observées et simulées de l'humidité du sol en hiver. Nous avons trouvé une corrélation moyenne de 0,55 pour le SABAE alors que la corrélation pour le SHAW était beaucoup plus faible (0,30), ce qui indique un meilleur ajustement des données simulées aux données de terrain pour le SABAE. Même si une condition aux limites de gradient unitaire n'influence pas l'humidité du sol, il ressort que des passes faites avec un gradient unitaire aux limites ont produit un biais accru vers la surestimation de la température du sol. Donc, nous croyons qu'une approche plus sûre et plus précise serait d'adopter une condition aux limites de Dirichlet (c.-à-d. une nappe phréatique) au fond du domaine. Ceci a des répercussions sur la modélisation du climat et du temps en général. Le résultat de cet essai sur le terrain a démontré le potentiel et la grande exactitude du SABAE-HW en tant que modèle canadien capable de simuler l'épaisseur de la neige, la température du sol, l'humidité du sol et les flux d'énergie et nous croyons qu'il est maintenant approprié d'inclure ce schéma de surface avec ses contreparties.     

不同边界层和陆面过程参数化方案对比分析

利用WRF模式选用不同的边界层参数化方案 (YSU、MRF) 结合三种陆面过程方案 (RUC、SLAB、Noah) , 模拟了2011年5月1~3日的四川东部暴雨过程, 对不同参数化方案结合不同陆面过程结果进行对比试验基础上发现, 模式对24h降水落区及强度有较强预报能力, 但对单站小时降水分布的预报能力还需改进;不同边界层方案与陆面过程的对比试验说明降水对于边界层物理过程有一定敏感性, 各试验的差异主要体现在对暴雨中心雨强以及降水峰值强度和峰值出现时段的预报上;WRF模式基本上能够模拟出边界层要素日变化特征。     

Four-stream Radiative Transfer Parameterization Scheme in a Land Surface Process Model

Accurate estimates of albedos are required in climate modeling. Accurate and simple schemes for radiative transfer within canopy are required for these estimates, but severe limitations exist. This paper developed a four-stream solar radiative transfer model and coupled it with a land surface process model. The radiative model uses a four-stream approximation method as in the atmosphere to obtain analytic solutions of the basic equation of canopy radiative transfer. As an analytical model, the four-stream radiative transfer model can be easily applied efficiently to improve the parameterization of land surface radiation in climate models. Our four-stream solar radiative transfer model is based on a two-stream short wave radiative transfer model. It can simulate short wave solar radiative transfer within canopy according to the relevant theory in the atmosphere. Each parameter of the basic radiative transfer equation of canopy has special geometry and optical characters of leaves or canopy. The upward or downward radiative fluxes are related to the diffuse phase function, the G-function, leaf reflectivity and transmission, leaf area index, and the solar angle of the incident beam. The four-stream simulation is compared with that of the two-stream model. The four-stream model is proved successful through its consistent modeling of canopy albedo at any solar incident angle. In order to compare and find differences between the results predicted by the four- and two-stream models, a number of numerical experiments are performed through examining the effects of different leaf area indices, leaf angle distributions, optical properties of leaves, and ground surface conditions on the canopy albedo. Parallel experiments show that the canopy albedos predicted by the two models differ significantly when the leaf angle distribution is spherical and vertical. The results also show that the difference is particularly great for different incident solar beams. One additional experiment is carried out to evaluate the simulations of the BATS land surface model coupled with the two- and four-stream radiative transfer models. Station observations in 1998 are used for comparison. The results indicate that the simulation of BATS coupled with the four-stream model is the best because the surface absorbed solar radiation from the four-stream model is the closest to the observation.     

基于陆面模式Noah-MP的不同参数化方案在半干旱区的适用性

针对陆面模式Noah-MP对兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）2009年8月地表热通量模拟值偏差大的问题,通过分析相关物理过程和模拟试验来探究偏差的来源,并确定合适的参数化方案:采用Chen97方案计算感热输送系数可以改善感热通量的模拟;采用Jarvis气孔阻抗方案能增大植被蒸腾,改进模式对潜热通量的模拟效果,同时也使热通量在感热和潜热间的分配比例合理;采用LP92方案可减小土壤蒸发阻抗并有利于土壤蒸发,使得模式对潜热通量的模拟效果变好。不同参数化方案的组合试验表明:同时采用2组或3组新的参数化方案组合可以进一步减小模拟的地表感热和潜热通量的均方根误差,但是土壤湿度和温度的模拟效果并没有同步改善。     

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。     

非均匀下垫面陆面过程参数化问题研究进展

非均匀下垫面对陆面过程模式应用有着重要影响。若将下垫面一概视为均一,在很多情况下会影响模式模拟的准确性。本文详细介绍了目前非均匀地表陆面过程参数化的方法(Mosaic法、统计—动力法和其它方法),初步分析了这些参数化方法的缺陷,并简单探讨了陆面参数尺度转换问题,最后对今后研究的问题给出了建议,其中特别提出要寻找适当方法实现陆面物理量不同尺度间的转换。     

利用尺度自适应大气边界层湍流参数化方案对一次陆地浓雾的数值模拟

为提高大气数值模式的模拟能力,改进大气边界层水汽、热量湍流输送计算和大雾天气的模拟效果,选用WRF三维非静力模式,采用具有局地和非局地垂直湍流尺度自适应计算能力的MYNN_SA参数化方案,对2017年12月28—29日我国华北—江淮地区的大范围浓雾过程进行了数值模拟研究,探讨从中尺度到灰区尺度分辨率范围,模式的尺度自适应大气边界层湍流参数化方案对稳定大气边界层发展、湍流输送和大雾天气模拟的影响。利用中国地面气象站观测资料和ERA5再分析数据,在接近灰区尺度的网格分辨率上,利用尺度自适应大气边界层湍流MYNN_SA参数化方案较之中尺度参数化MYNN方案,可明显改善次网格湍流输送计算,以及陆地浓雾的强度、空间分布和时间演变特征,可更精确地模拟云水混合比、逆温层和雾区的垂直结构。