一个植物冠层物理传输和生理生长过程的多层模式

通过提出一个多层的植物冠层和土壤的模式,对冠层中辐射、热量、水汽和二氧化碳的传输等过程,光合、呼吸等生理过程以及土壤中水、热传输等过程进行了详细描述,并把物理过程与生理过程联系起来,实现了植被与大气的双向反馈;应用此模式于小麦生长期各主要过程的模拟,给出了与观测值一致的结果     

不均匀植被分布对地表面和大气边界层影响的数值试验

研究陆地与大气间相互作用的方法之一是建立联系地表面层与大气间各种过程的数值模式进行模拟。本文是建立一个陆面过程与二维大气边界层相耦合的模式,耦合模式中包含了发生在大气边界层、植被冠层和土壤表层各种动力、热力和水文过程。运用这一模式模拟了荒漠环境中一片绿洲的不均匀地表面形成的局地气候。由于绿洲植被与周围荒漠有着显著不同的水份与能量平衡关系,使绿洲表面与边界层较四周荒漠冷而湿,并形成了相应的局地环流,即所谓“绿洲效应”。试验结果表明,模拟的气候状况与观测现象是一致的。模式可以用于陆气相互作用的研究。     

沙漠土壤和大气边界层中水热交换和传输的数值模拟研究

为了解沙漠土壤和大气边界层系统中的水分和能量的交换和传输特征，本文发展了一个一维耦合模式，其中包括一个同时考虑土壤中液态水及气态水运动的沙漠土壤模式和一个基于非局地过渡湍流闭合方案的大气边界层模式。用这一耦合模式对沙漠土壤和大气界面的水热交换及沙漠土壤和大气边界层中的水热输送过程进行了模拟，同时与ＨＥＩＦＥ（ＨｅｉｈｅＲｉｖｅｒＢａｓｉｎＦｉｅｌｄＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔ）沙漠站的有关资料进行了对比。模拟结果表明约６５％的净辐射能以感热（５０％）和潜热（１５％）的形式提供大气，约３５％的净辐射能以地热流量的形式进入土壤。土壤表层２ｃｍ的范围表现为水热传输的活跃层，水分和温度廓线呈现剧烈的日变化。模拟结果同时表明沙漠土壤中水分传输以气态水为主，如果忽略土壤中的气态水运动，地气界面的水汽通量计算及边界层内的湿度及水汽通量的计算会产生较大的误差     

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。     

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。     

一个引入近地层的土壤一植被－大气相互作用模式

本文在国外同类模式基础上，结合自己特点建立了一个土壤一植被－大气近地层的相互作用模式。在这个模式中，土壤和植被与大气之间的各种通量输送是与近地层大气进行的，而不是同较高层大气直接交换，更符合实际情况。以大气几十米高处的风、温度、湿度为输入参数，驱动运行本模式，进行敏感性试验，并用有限的观测数据相比较。结果证明，本模式能合理模拟土壤、植被、大气的温、湿以及各种通量的变化。进一步与中尺度大气模式耦合可以用于气候研究。     

一个引入近地层的土壤-植被-大气相互作用模式

本文在国外同类模式基础上，结合自己特点建立了一个土壤-植被-大气近地层的相互作用模式。在这个模式中，土壤和植被与大气之间的各种通量输送是与近地层大气进行的，而不是同较高层大气直接交换，更符合实际情况。以大气几十米高处的风、温度、湿度为输入参数，驱动运行本模式，进行敏感性试验，并用有限的观测数据相比较。结果证明，本模式能合理模拟土壤、植被、大气的温、湿以及各种通量的变化。进一步与中尺度大气模式耦合可以用于气候研究。     

大气边界层动力学和植被生态过程耦合的一个简单解析理论

发展了一个大气边界层动力学和植被某些生态过程相互作用的简单模式,求得了这个耦合模式的解析解,分析了植被反照率和冠层阻抗(气孔阻力)对大气运动及植被温度的影响,这一相互作用的方式可为进一步发展大气运动和生态过程相互作用的、更复杂的数值模拟模式提供参考.     

一个包含土壤和植被的区域气候模式及其性能检验

本文研制了一个三维地气耦合的区域气候模式，该模式由大气、土壤和植被三个子模式组成，各子模式间通过动量、能量和水份交换过程进行相互作用。在大气子模式中提出用z-z*混合坐标系处理地形的新方法，并把诊断分析中的散度修订方案引入数值模式，使其在物理依据上更加合理。此外，模式中较为详细地考虑了影响区域气候形成和变化的物理过程。简单的数值试验表明，区域气候模式比较真实地模拟了土壤和植被冠层的温度日变化，对区域气候平均态也有一定的模拟能力，可较好地处理大地形，具有良好的稳定性能，并对下垫面热力非均匀性的响应也是敏感的。     

NUMERICAL SIMULATION OF THE INFLUENCE OF VEGETATION COVER FACTOR ON BOUNDARY LAYER CLIMATE IN SEMI-ARID REGION

A numerical model has been developed for simulating land-surface processes and atmosphericboundary layer climate of vegetation and desert in semi-arid region.Dynamically,thermal andhydrological processes take place in the atmospheric boundary layer.Vegetation and surface layerof soil are included in the soil-vegetation-atmosphere coupled system,in which,vegetation isconsidered as a horizontally uniform layer,soil is divided into 13 layers and the horizontaldifferences of variables in the system are neglected.The influence of local boundary layer climateby vegetation cover factor is simulated with the coupled model in the semi-arid region of NorthwestChina (around 38°N,105°E).Results indicate that due to significant differences of water andenergy budgets in vegetation and desert region,the air is colder and wetter over the vegetation andcorrespondingly an obvious local circulation in the lower atmosphere is formed.Simulating results also show that maximum updraft and downdraft occur around thevegetation-desert marginal area,where the dynamical and thermodynamical properties of PBL(Planetary Boundary Layer) are uncontinuous.It is stronger at daytime,weaker and reverse atnighttime.In the simulation,the moisture inversion phenomena are analyzed.Finally.theinfluences of vegetation cover factor exchange on local boundary layer climate are simulated.Thesimulating results bring to light that water may be conserved and improved by developing treeplanting and afforestation,and improving cover factor of vegetation in local ecoenvironment,andthis is an important way of transforming local climate in arid and semi-arid area.Results indicatethat the coupled model can be used to study the soil-vegetation-atmosphere interaction and localboundary layer climate.     

热带大气和海洋运动的频率差异在海气系统演变中的作用

对热带太平洋地区850 hPa纬向风场、海表温度场月平均距平进行了谱分析。结果表明:纬向风距平与海表温度距平的振幅在El Ni?o或La Ni?a期间同时增长。而在其他期间,波振幅随时间呈相反变化趋势。在El Ni?o或La Ni?a事件发展期间,纬向风距平的位相角与海表温度距平位相角的差值在90o左右,而在事件的衰减期间,它们的位相角的差值在0o左右。本文还利用长波近似、海洋对大气加热取局地热力平衡近似时的简单热带海气耦合模式,研究了大气变量和海洋变量位相差随时间变化对海气耦合解的影响。在海气耦合模式中,当大气模式取为非定常时,大气和海洋Kelvin波之间以及Rossby波之间存在着能量转换,使大气和海洋波振幅呈相反变化趋势。此时,耦合波振幅随位相角差的变化没有共同的增长或衰减区间。大气Kelvin波与海洋Rossby波或大气Rossby波与海洋Kelvin波相互作用时,波振幅随位相差的变化存在着相同增长和衰减区间,它们的振幅要么同时增长,要么同时减少。当大气模式取定常时,因为相互作用波之间的位相差是一常数,波振幅随时间无限制增长。本文还在大气模式取为非定常和定常两种情况下,对海气耦合模式进行了数值求解。结果表明,当大气模式取为非定常时,数值解随时间的变化趋势跟观测结果有较好一致性。当大气模式取为定常时,数值解随时间的变化趋势跟观测结果差别较大。     

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.     

半干旱区植被覆盖度对边界层气候热力影响的数值模拟

在陆－气相互作用的中小尺度系统研究中，水平非均匀下垫面的强迫作用是主要的物理过程。本文利用能量闭合二维陆面过程与大气边界层耦合模式，研究了我国西北半干旱地区（３８°Ｎ，１０５°Ｅ）夏季下垫面物理特征的变化对区域边界层气候的影响。结果表明：土壤湿度、植被覆盖度对局地环流和区域边界层气候的形成起着决定性的作用。模拟结果揭示了在半干旱地区大面积植树造林、提高植被覆盖度，可涵养土壤水分，改善局地生态环境，是人工持续改造干旱、半干旱荒漠地区局地气候的重要途径。     

Bulk parameterization for a vegetated surface and its application to a simulation of nocturnal drainage flow

Two simple models are presented for describing the surface energy budget above vegetated surfaces. One is the traditional single-source model that includes only one energy budget equation for the entire canopy-soil system, and the other is the double-source model that includes separate energy budget equations for the vegetation canopy and the underlying soil surface. In both models, the bulk transfer coefficients needed to solve the energy budget equations are parameterized as functions of leaf area index, leaf transfer coefficients, and soil surface roughnesses to obtain the best fit to values calculated by a standard multilayer-canopy model. The validity of these models was tested by comparing their performance with that of the multilayer-canopy model for simulation of the surface energy balance and nocturnal drainage flow above vegetation. Results show that the double-source model gives reliable estimations for all cases ranging from sparse to dense vegetation covers; the single-source model is only applicable to dense, fully-covered vegetation. It is also shown that sparse vegetation weakens nocturnal drainage flow, since it isolates the cool underlying soil surface from the atmosphere above the canopy. This phenomenon cannot be described by a traditional single-source model incorporated commonly in many atmospheric models; however, the double-source model adequately describes this process.