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。     

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.     

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。     

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。     

夏季我国干旱、半干旱区陆面过程能量平衡及其局地大气环流

利用NCEP资料分析得出,夏季我国干旱,半干旱区在整个欧亚大陆上是陆面感热通量最强的地方,与此对应的陆面潜热通量则最弱.陆面所接收的太阳短波辐射主要以感热和长波辐射的能量形式释放.该区降水量很少,降水量的年际变率也很弱;因此,该区的陆面热量通量都显出很弱的年际变率;然而,这些通量的年代际变率信号则比较显著.我国干旱、半干旱区大气环流的热力过程与其陆面过程特征密切相关.该区对流层大气的辐射冷却很强,达-3 K d-1.由于缺乏水汽和上升运动,大尺度凝结加热率、深对流加热率、浅对流加热率都非常弱.因此,600hPa以上的大气以绝热下沉加热来平衡辐射冷却;600hPa以下,陆面感热引起的垂直扩散加热率非常强,多达8 K d-1,它除了平衡辐射冷却以外还制造对流层低层的对流运动,以绝热上升冷却来平衡多余的垂直扩散加热.总之,我国干旱、半干旱区的陆面过程特征决定了该区大气运动的特殊垂直结构,即对流层低层对流上升运动及其上层的下沉运动.我国干旱、半干旱区陆面能量平衡及其局地大气环流的年代际变率,是全球气候系统年代际变率的必然结果.     

陆面过程模式的敏感性试验

本文对文献[1]中提出的陆面过程模式(简称LPM)进行了下列敏感性试验:1)植被的覆盖度,2)土壤湿润程度,3)不同植被类型(半荒漠、草原、混交林、森林和作物地五种)和4)不同气候带(半干旱、半湿润和湿润带三类)。试验结果与相应的观测和气候状况进行了比较,表明了模式对上述参数或参数组变化的敏感程度。模拟的不同植被和气候带的温湿状况和能量平衡关系是合理的。因此可以用于气候模拟的研究。     

陆面过程模式LPM-ZD及其对我国中东部地区陆面特征的模拟

该文利用陆面过程模式ＬＰＭ┐ＺＤ和一套观测分析资料对我国中东部地区的陆面特征进行了模拟研究．模拟结果表明：模式ＬＰＭ┐ＺＤ比较好地模拟了该区域内不同类型植被和土壤的温、湿变量以及陆气间通量交换的日变化特征；能够合理地模拟我国中东部区域的陆面过程特点分布，很好地反映了我国南北方区域气候特点的差异和我国夏季风气候特点     

新一代格点大气环流模式与陆面生态模式AVIM的耦合研究

将陆面生态模式AVIM(Atmosphere-Vegetation Interaction Model)的物理模块(PHY-AVIM)耦合到中国科学院大气物理研究所新一代格点大气环流模式GAMIL(Grid-point Atmospheric Model)中,替换GAMIL中的陆面模式BATS.对两种方案GAMIL+BATS(旧版本)和GAMIL+(PHY-AVIM)(新版本),分别独立进行11年积分,取后10年的积分结果进行分析.结果发现:新版本明显改进冬、夏季陆地表面的感热、潜热场通量,尤其在夏季,非洲大陆的中北部、欧亚大陆、北美中部以及南美北部等地区,新版本的感热场模拟值均比旧版本低,更接近NCEP再分析资料的结果;同样,对于地表面温度场,新版本在夏季明显地减弱了旧版本在大陆上的的暖偏差,模拟的结果更合理;新版本对冬、夏季的海平面气压场、降水场也有一定的改进,但改进不是很明显.以上的所有改进主要是由于AVIM引入了更细致的陆面物理过程参数化方案,以及使用了分辨率(0.5°×0.5°)更高的陆地植被分类资料.     

陆面过程模式LPM—ZD及其对我国中东部地区陆面特征的模拟

该文利用陆面过程模式ＬＰＭ－ＺＤ和一套观测分析资料对我国中东部地区的陆面特征进行了模拟研究，模拟结果表明，模式ＬＰＭ－ＺＤ比较地模拟了该区域内不同类型植被和土壤的温，湿变量以及陆气间能量交换的日变化特征，能够合理地模拟我国中东部区域的陆面过程特点分布，很好地反映了我国南北方区域气候特点的差异和我国夏季风气候特点。     

干旱区陆面过程参数改进对气候模拟结果的影响

利用改进的我国西北地区陆面过程参数的大气环流模式CCM3与原CCM3模式分别做了数值模拟并加以对比分析。结果表明,改进后的模式较原模式对东亚季风和西北干旱区降水的模拟能力有一定提高,对西北部分地区感热、潜热通量的模拟有所改进。这说明通过观测改进陆面过程模式的参数是提高CCM3气候模式模拟能力的一种重要途径。     

干旱区陆面过程参数改进对东亚区域气候影响的数值模拟

为了进一步检验裸土参数化的气候模拟性能,本文在文献[1,2]的基础上,利用NCEP再分析资料和Xie等全球降水资料与CCM3模拟结果进行了对比。结果表明：加入裸土参数化方案的CCM3能较好地再现冬季东亚和中国地区区域气候的主要特征,模式较原CCM3能更好地模拟地表温度和东亚及中国西北地区的降水,对东亚季风环流的模拟也较接近实际。同时,该方案在CCM3中的加入改进了青藏高原冬季降雪带及夏季高原东南部降水中心的模拟,提高了模式对高原冬夏季降水的模拟能力,从而再次说明利用观测资料对模式参数修正及参数化方法的改进是提高数值模式模拟能力的一个重要途径。     

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.     

陆面过程研究的进展

文中首先阐述陆面过程研究的必要性和复杂性。然后，对陆面过程研究的任务和内容作了较详细的说明，进而对陆面过程研究的进展现状和未来发展方向作了讨论。     

陆面过程模式研发中的问题

陆面过程研究是充分理解天气/气候/地球系统过程不可或缺的重要主题.本文全面梳理了当前用于数值天气/气候/地球系统模式的陆面过程模式研制的问题,建议了当前陆面过程模式研制中需加强和改进完善的关键内容.特别强调在新一代模式研发中建立包含人类活动的高分辨率全球陆面过程模式;特别强调与其他学科相结合,形成不同行业的预报预测系统...     

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。     

大气环流模式中动力框架与物理过程的相互响应

用大气环流模式CAM3.1和IAP AGCM4.0对模式中动力框架与物理过程之间的相互作用及响应关系进行了初步探讨。选用理想的物理过程（Held-Suarez强迫）及完整物理参数化方案,分别对两个模式积分了60 d。试验表明,动力框架与物理过程之间的相互响应在低纬对流层和高纬对流层中上层有着较大的区别。在低纬对流层,动力框架及物理过程产生的温度倾向都有着较大的变率,对总的温度倾向的变率均有较大的贡献,且二者之间为相互补偿的反相关关系;在高纬对流层的中上层,总的温度倾向的变化主要依赖于动力框架的贡献,物理过程造成的倾向变化很缓慢,可近似地看做定常的强迫,且物理过程产生的温度倾向与动力框架产生的温度倾向之间为正位相的响应关系。此外,还对各个物理参数化方案之间的相互作用及响应关系进行了分析。结果表明,在所有过程中,湿过程所引起的温度倾向的变化最为显著,对总的物理过程倾向的贡献也最大;在高纬地区,长波辐射冷却也有较大的变率;短波辐射加热率及垂直扩散加热率的变化相对较小;长波辐射冷却和短波辐射加热之间为近似负反馈的响应关系。     

AREM模式中陆面过程的改进与试验

为了提高AREM模式业务预报能力,对AREM业务模式陆面过程参数化方案作了修改,将陆面过程模式BATS耦合其中;同时,应用耦合BATS的AREM模式与原模式分别对2006年6～7月我国南方汛期降水过程进行了典型个例模拟分析和批量后报试验;另外,对降水预报进行了分区统计检验。结果表明,引入BATS方案使模式对降水区和降水中心预报有较好的改进,漏报率减小,Ts评分明显提高,这说明恰当描述陆面过程对改进AREM模式降水预报具有重要作用。     

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。     

公用陆面模式(CommunityLandModel3.0)简介

NCAR最新陆面模式（the Community Land Model 3.0）可以模拟地表面物理过程与生物地球化学过程，动态描述植物与非生物环境之间物质和能量交换等过程以及影响植物的生理生长过程，是研究陆-气相互作用和生态环境变化的有利工具。