陆面过程中冠层四流辐射传输模式的模拟性能检验

利用实际观测资料检验新发展的植被冠层四流辐射传输模式的模拟性能.将浙江大学田间观测数据用于模式试验,其结果表明:在可见光波段,因叶片散射率值较小,四流模式和二流模式模拟结果差别不大,模拟的冠层反照率都接近观测值.这表明在可见光波段,二流模式已经能够较好模拟芯层反照率,四流模式能够提高的精度范围有限;在近红外波段,因叶片散射率值较大,两个模式模拟结果差别较明显,四流模式模拟的冠层反照率相对二流模式的模拟结果更接近观测值.利用第2次雪模式比较计划SNOWMIP资料和改进的10层陆面模式BATS进行耦合试验,将四流模式以及二流模式均耦合到该陆面模式中,其目的是为考察四流模式对陆面模式模拟地表反射太刚短波辐射通量的影响.耦合后得到的结果与SNOWMIP中加拿大BERMS草地站和森林站的观测资料进行了对比.对比结果表明,采用网流模式、二流模式、BATS原辐射传输模式后,耦合四流模式的陆面模式模拟地表反射太阳短波辐射通量最接近观测值.说明采用四流模式能够改善陆面模式对地表反射太阳短波辐射通啦的模拟.     

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.     

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。     

安徽省淮南森林冠层辐射传输过程的特征

本文利用淮南森林观测站2018年7月1日至2019年6月30日冠层辐射观测,分析了淮南栎树森林下垫面冠层内外辐射变化特征。结果表明:（1）从春季到夏季,栎树冠层之上向下的太阳短波辐射增加,到冬季逐渐减少。从早春开始,由于叶片生长增多,冠层中间和冠层之下向下的太阳短波辐射下降,从秋季到冬季树叶凋落,其向下的太阳辐射增加,与冠层之上的变化趋势相反;对于向上的短波辐射,无论冠层之上、冠层中间还是冠层之下,随季节的变化都与向下的短波辐射相似,只是数值小很多。（2）冠层之上、冠层中间和冠层之下向下的长波辐射,随时间的变化从春季逐渐开始增大至夏季达到最大,随后逐渐减小并在冬季达到最小;就空间变化而言,冠层中间和冠层之下向下的长波辐射值比冠层之上的辐射值高,使得冠层对长波辐射的振幅增大,晴空条件最高可达1.3倍。（3）淮南森林区冠层之上（距地面25 m）年平均反照率为0.14,比中国北方地区（35°N）温带季风气候区（混交林为主）反照率的整体水平低0.01,表明淮南的森林茂密、灌丛更多些。（4）冠层上部分和整层的短波辐射透射率主要受叶片的影响。夏季,冠层的短波透射率平均为0.1。到了冬天,叶子凋落,透射率增加并趋于一个平稳的波动。冠层的短波辐射吸收率在夏季最高,秋季逐渐降低,随着叶子凋落在冬季迅速减小,趋于一常值。     

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。     

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。     

大气环流模式中陆面过程简介

大气环流模式中引入陆面过程的综合性分析表明：大气对下垫面特征是敏感的。     

10层陆面过程模式及其Offline独立试验

利用西伯利亚地区的一个试验点资料和1998年中国淮河流域试验（HUBEX）的加密观测资料，对一个新发展的陆面过程模式进行了模拟检验。西伯利亚地区的单点试验表明，不同时间间隔的边界强迫对地表吸收的净短波辐射和释放的潜热影响较大。淮河流域的模拟结果表明，模式能够较好地模拟出我国夏季半湿润地区陆面特征量的变化趋势。由于模式模拟的地温偏低、净短波辐射偏小。所以模拟的感热和潜热值偏小。对该模式在淮河流域的植被、土壤等参数的合理选取可能会提高模式的模拟效果。     

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。     

CLM4.0土壤水分传输方案改进在青藏高原陆面过程模拟中的效应

利用2010年5月25日-12月31日玛曲高寒草原的气象观测资料和陆面过程模式(CLM4.0)对玛曲高寒草原陆面过程进行了数值模拟。通过评估模式的模拟性能、模式对含砂量的敏感程度以及模式土壤水分传输方案改进对青藏高原地区陆面过程模拟的影响,发现CLM4.0模式能较好地再现观测站土壤温、湿度、地表辐射、湍流通量等的变化趋势,但土壤温度模拟偏低,感热通量模拟偏大;含砂量增多会减弱土壤的持水能力,使得夏季感热通量增大而潜热通量减小;CLM4.0模式中新引入的有机质对土壤温、湿度模拟均有重要影响,Richards方程和径流计算的修改则对土壤含水量模拟影响较大,这对其他陆面模式的改进具有一定的指导意义。     

A New Parameterization of Canopy Radiative Transfer for Land Surface Radiation Models

A new parameterization of canopy asymmetry factor on phase function,which is dependent on the leaf normal distribution and leaf reflection/transmission,is derived. This new parameterization is much more accurate than the existing scheme. In addition,the new solutions for both the diffuse and direct radiation can be obtained using the Eddington approximation. It is found that the direct radiation can be described as a function of the diffuse radiation. This new approach offers a substantial improvement in accuracy,as compared with the hemispheric constant method,for both isotropic and anisotropic cases. Given the analytical nature of the solution and its high accuracy,we recommend the new parameterization for application in land surface radiation modeling.     

A Comparison of Two Canopy Radiative Models in Land Surface Processes

This paper compares the predictions by two radiative transfer models-the two-stream approximation model and the generalized layered model (developed by the authors) in land surface processes-for different canopies under direct or diffuse radiation conditions. The comparison indicates that there are significant differences between the two models, especially in the near infrared (NIR) band. Results of canopy reflectance from the two-stream model are larger than those from the generalized model. However, results of canopy absorptance from the two-stream model are larger in some cases and smaller in others compared to those from the generalized model, depending on the cases involved. In the visible (VIS) band, canopy reflectance is smaller and canopy absorptance larger from the two-stream model compared to the generalized model when the Leaf Area Index (LAI) is low and soil reflectance is high. In cases of canopies with vertical leaf angles, the differences of reflectance and absorptance in the VIS and NIR bands between the two models are especially large.Two commonly occurring cases, with which the two-stream model cannot deal accurately, are also investigated. One is for a canopy with different adaxial and abaxial leaf optical properties; and the other is for incident sky diffuse radiation with a non-uniform distribution. Comparison of the generalized model within the same canopy for both uniform and non-uniform incident diffuse radiation inputs shows smaller differences in general. However, there is a measurable difference between these radiation inputs for a canopy with high leaf angle. This indicates that the application of the two-stream model to a canopy with different adaxial and abaxial leaf optical properties will introduce non-negligible errors.     

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.     

辐射传输模式中地表参数对大气长波辐射的影响

本文利用Liou-Ou一维宽带辐射传输模式，对地表热力参数取值部分作了改进，使用模式大气和青藏高原实测资料对下垫面温度与地表空气温度两者不能合二为一的问题进行了分析，同时还讨论了下垫面温度的日变化对大气长波辐射通量日变化的影响及地表比辐射率的变化对大气长波辐射通量计算结果的修正作用。     

非均匀地表陆面过程参数化研究

地表固有的非均匀性影响近地层大气的垂直结构,甚至改变局地天气条件,亦使得大气数值模式大尺度网格面积水热通量的计算对其具有较强的敏感性。为了提高气候模式性能,非均匀陆面过程参数化已是当前大气边界层和陆面过程模式研究的热点和难点问题之一。本文在调研国内外大量文献的基础上,综述了近年来非均匀地表陆面过程参数化的研究现状,分析和比较了不同的参数化方法的优缺点以及数值模式模拟结果对它们的响应,提出了目前尚待继续探讨和解决的几个关键性问题。     

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。     

多圈层陆面过程参数化研究中遥感信息应用的进展和方向

近年来遥感技术的发展为多圈层中陆面过程和边界层研究提供了有力的工具。文章分析了目前用于陆面过程参数化研究的重要遥感信息源。并评述遥感信息在陆面过程参数化研究中的基本应用和存在问题,最后,提出发展方向和展望。     

大气短波辐射传输研究中的辐射函数

研究大气短波辐射传输问题时,必需考虑多次散射,在计算各次散射光的递推方程中存在一个对光学厚度的特殊积分.为此,本文定义了“辐射函数”,并研究了它的数学性质,从而使得平面平行大气中散射光的逐次计算既准确又简便.     

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。