陆面过程研究的现状与发展趋势

对目前陆面过程研究的现状及存在的问题进行了总结,并且提出了与边界层研究有关的几个前沿方向:①非均匀下垫面地表湍流通量的参数化及中尺度通量的参数化方法;②边界层理论在复杂地形条件下的应用,以及次网格地形对通量输送的影响;③进一步改进GCM中冠层地表水文参数化;④边界层的层云和层积云的参数化。     

陆面过程模式对不同土壤物理性质的敏感性研究

使用NCAR陆面过程模式（LSM）和荷兰Cabauw1987的大气观测资料，考察了在11种不同的土壤条件下陆面过程模式所模拟的地表能量及水分循环的差异。结果表明，粘土含量较高的土壤具有较好的持水能力，蒸发量和径流量都比较大，而在含砂量高的土壤中，水分大量的下渗，蒸发量和径流量小，从而到地表热通量的分配，在不考虑大气反馈的情况下，各种土壤造成的差异主要出现在春季的4、5月份。     

陆面模式中土壤冻融过程参数化研究进展

土壤冻融过程在寒区水文和气候系统中有着重要作用。陆面模式中土壤冻融过程的参数化对模式的设计和模拟结果有着关键作用。通过对广泛应用的Bucket，SIB，BATS，VIC，BEAS， LSM等几种主要的陆面模式中的冻融过程参数化方案进行了总结和比较。首先，详尽地描述了土壤冻融与气候变化的数值模拟研究，总结和评述了土壤冻融过程对气候变化的作用。其次，对几种主要的陆面过程模式在土壤水热参数化方案中对冻融过程的考虑及其特点进行了比较和讨论。还对冻结深度和冻结周期的预报模式进行了简介，最后对该领域当前面临的主要研究问题进行了探讨和阐述。     

陆面过程与天气研究

陆面作为大气运动的下边界,通过动量、热量及物质交换与大气发生复杂的相互作用。陆面过程被认为是影响天气气候的关键过程之一。关于陆面过程对气候的影响已经开展了大量较为深入的研究,相比之下,针对陆面过程对天气的影响研究并没有受到足够的重视。近年来,陆面过程与天气研究也开始受到了越来越多的关注。本文从陆面基本要素、下垫面构成、陆面诱发的局地环流3个方面,回顾了土壤湿度、地形、土地利用、山谷-平原环流等要素和过程对强对流、暴雨、台风、高温热浪等天气事件影响研究的相关进展,以期为今后的研究提供参考。需要指出,尽管此方面的研究已取得了一定进展,但关于陆面过程对天气,尤其是极端(高影响)天气的影响及机制还有待深入研究,进而从陆面过程的角度来理解重要天气形成、发生和发展的机理,从而为数值模式发展和天气预报业务提供更有力的科学支撑。     

基于WRF驱动的CLM模型对青藏高原地区陆面过程模拟研究

NCAR-CLM是目前国际上发展较为完善的陆面过程模型.鉴于大多数研究利用气象站点的数据驱动CLM模型, 尝试将WRF气候模型的模拟结果作为驱动CLM的面上强迫场数据来对青藏高原陆面能量特征进行模拟研究.对WRF气候模型模拟的输出结果与青藏高原气象站观测数据进行比较分析表明, WRF模拟输出的气温和向下短波辐射数值与观测值的相关系数大于0.92(p >0.05), 气压和比湿的R²在0.80以上(p >0.05), 降雨和风速的模拟性能不稳定, 但WRF模拟输出的强迫场也可以作为CLM模型的驱动数据. CLM模拟的地表温度、 感热和潜热通量与青藏高原气象站观测的地表温度以及涡度通量数据验证分析表明, 虽然CLM对地表温度的模拟在合理范围内, 但模拟与观测值还是有较大偏差, 潜热和感热之间的相关系数分别为0.87和0.68(p >0.05), 表明CLM的模拟结果在单点上是可靠的.据此, 在此模拟结果基础上分析了青藏高原地区的陆面能量时空分布特征.     

遥感技术在陆面过程研究中的应用进展

探讨了当前陆面过程 (LSP)研究的特点 ,指出遥感在陆面过程研究中的应用以及陆面过程国际合作实验是突出的特点 ,进而对遥感技术的陆面参数获取、地表能量通量的计算以及与 LSP模式的结合研究及进展进行了综述。根据不同特征的地表参数选择光学遥感或微波遥感已成共识 ,而综合利用不同遥感数据获取同一种地表参数也已成为研究热点 ,当前及今后发射的携载多种遥感仪器的众多遥感卫星为此项研究提供了条件 ;遥感与 LSP模式的结合研究是遥感在陆面过程研究中深入应用的一个方面 ,国际陆面过程合作实验是这项研究的重要保证。     

陆面水文过程研究综述

在简单介绍陆面过程模式发展的基础上，从裸土蒸发、植被蒸散、土壤水传输、排水和径流等五个方面详细综述了陆面模式研究中对水文过程的参数化。目前陆面参数化方案中仍存在很大的不确定性，其中陆面水文过程参数化的关键问题包括：土壤分层、土层厚度、根带分布；参数的代表性和移植；观测资料；径流的参数化。分析了径流在陆面模式中的重要性，及目前陆面模式中对径流参数化存在的不足，介绍了部分陆面模式对径流的模拟研究，讨论了未来工作的研究重点。     

水文模型与陆面模式耦合研究进展

水文模型与陆面模式耦合是目前全球变化研究中的热点问题,如何实现分布式水文模型与陆面过程模式的双向耦合,并将其有机嵌入大气模式中,是未来大气环流模式(GCM)和区域气候模式(RCM)发展和完善的重要目标之一.在简单介绍陆面过程模式和水文模型发展历程的基础上,对水文模型和陆面过程耦合研究的国内外进展进行了综述,指出了模式耦合中存在的共同问题和未来工作的研究要点.最后,探讨了分布式水文模型与陆面模式耦合在全球变化研究框架中的地位与意义,并展望了陆面水文过程发展的主流趋势和研究方向.     

陆面过程研究综述

对大气环流模式中引入的陆面过程作了综合性分析。分析指出：大气对下垫面特征是敏感的；精确地描述局地气候有赖于陆面生态模型的建立。     

青藏高原西部陆面过程特征的模拟分析

利用1998年5月1日至9月18日狮泉河自动气象站(AWS)的观测资料作为强迫场,运用改进的陆面过程模式CoLM(Common Land Model),对青藏高原西部的陆面特征进行了模拟研究.结果表明,该模式能够较好地模拟出高原地区的陆面特征.在高原西部地表能量平衡过程中,感热通量占主要地位,潜热通量较小,但在高原西部的湿季,潜热通量也是不可忽略的.在5月及6月初表层土壤频繁的发生水分相变,使土壤在相变过程中不断地吸收和释放潜热.降水及土壤表层频繁的冻结-消融使地表有效通量(感热+潜热)发生变化.有效辐射中的感热、潜热的分配,即Bowen会发生变化,进一步影响到对大气的加热及大气水汽输送情况,大气状况的改变又反过来影响地表蒸散及土壤持水能力,使土壤水分状态和含量发生变化.     

土壤水分对土壤参数的敏感性及其参数优化方法研究

利用2008年1月1日至2009年9月31日黑河流域阿柔冻融观测站的气象和土壤水分数据,采用基于方差的多参数敏感性分析方法研究通用陆面模型(Common Land Model,CoLM)模拟的土壤水分对土壤质地(砂土和黏土)的敏感性,进而采用SCE-UA参数优化算法分别优化土壤质地和土壤水力参数,分析不同优化策略对土壤水分模拟结果的影响。研究结果表明,浅层土壤水分对土壤质地较为敏感,敏感性系数达到了0.45以上,并且砂土含量对土壤水分的影响更为显著;利用SCE-UA算法优化土壤质地或土壤水力参数都可以有效地提高土壤水分的模拟精度,优化土壤水力参数易产生"异参同效"现象,而优化土壤质地能够使土壤水力参数的取值范围更加合理。     

基于地表温度与植被指数特征空间反演地表参数的研究进展

遥感反演的地表温度(Ts)和植被指数(VI)构成的特征空间结合模型分析可以对显热通量、潜热通量及土壤含水量等地表参数进行估算.这种方法比较实用,且不过多地依赖地面观测数据.随着研究的深入,许多学者在Ts/VI特征空间基础上提出了更加丰富的空间变量.基于此,以不同空间变量为标准,分类介绍在Ts/VI特征空间的基础上对地表能量通量及土壤水分等参数的反演.其中包括在Ts/NDVI特征空间基础上提出温度植被干旱指数和条件植被温度指数来监测干旱;利用Ts/albedo特征空间反演蒸发比;用DSTV/VI特征空间反演蒸散量;用地气温差/植被指数特征空间反演蒸散量等.并介绍了Ts/VI特征空间与微波遥感结合反演地表含水量等相关研究的进展情况,最后提出未来研究的发展方向.     

济南市土地利用动态变化分析

结合济南市土地利用现状,对济南市农用地内部结构、建设用地内部结构及未利用地内部结构变化进行了分析,得出这几类土地内部结构变化的驱动力主要为经济结构、人口增长和自然因素等,指出今后应注重经济、资源与环境的协调发展,合理利用好每一寸土地。     

中国土地利用/覆盖变化的生态环境安全响应与调控

中国从20世纪70年代末实施了前所未有的改革开放政策,巨大的境外投资、有偿转让使用与土地联产承包政策在广大城乡的推行,引致了快速的城市化与经济增长过程,城市化水平增长15%,GDP平均每年增长超过9%,城市化土地面积增长2%。与此相应,严重的生态环境灾害相继发生,1994年淮河特大污染事件;1997年黄河断流227天;1998年发生长江、嫩江流域特大水灾;2000年发生严重影响中国首都北京及韩国、日本的12次沙尘暴;2004年,淮河流域再次发生严重污染事件。综合分析表明,土地利用/覆盖格局的巨大变化、城市化过程的加速、乡镇企业的迅猛发展成为其主因。一些案例研究表明,重建生态环境安全条件下的中国土地利用/覆盖格局,制定与生态环境安全水平友好的国家土地利用政策,不仅有利于改善中国生态环境安全水平,还将促进其可持续发展,并有益于亚洲及世界生态环境的改良。     

地表粗糙度参数化研究综述

粗糙度反映了地表的起伏程度,是许多陆面过程的关键影响因子。然而,人们对地表系统认识的不足,造成现有的各种地表粗糙度参数化方案均存在一定的问题。从地表测量技术、粗糙度相关参数和遥感研究3个方面对地表粗糙度参数化研究现状进行了综述。针式廓线法和激光廓线法是当前主流的地表测量技术,而三雏激光扫描和摄影测量技术已展示出了较大的潜力。基于统计方法和基于分形理论的粗糙度相关参数具有截然不同的物理意义,但地表复杂的多尺度特性使得很难用一类参数进行描述。光学遥感与微波遥感均具有广阔的前景,其中前者需要注意与经典粗糙度参数化方案相结合,后者则需拓展在下一代遥感平台上的技术与方法。还针对不同尺度粗糙度参数的比较与转换,地表粗糙度的空间异质性与各向异性,以及三维表面粗糙度参数化等当前地表粗糙度参数化研究中的一些关键问题进行了讨论。     

气候模式中关键陆面植被参量遥感估算的研究进展简

Satellite remote sensing data play an important role in the improvement of climate models forcing field, relevant physical parameters and simulation accuracy. At present, there are many years of satellite remote sensing data and a variety of products about land surface attributes. However, the application of satellite remote sensing data to climate models is still very limited. Fully using satellite remote sensing data is important to improving the simulation ability. In the paper, remote sensing estimates methods of three key land surface parameters including Fractional Vegetation Coverage（FVC）, Leaf Area Index（LAI）and surface albedo（Albedo）is reviewed and up or down scaling land surface variables in validation process is analyzed. Secondly, taking WRF（Weather Research and Forecasting）model as an example, three parameters in climate model are described. Finally, the key problems of using remote sensing data in climate models are discussed, which comprise the uncertainties and scales of remote sensing estimation parameters and the future direction is prospected.     

陆面过程模式SIB2与包气带入渗模型的耦合及其应用

土壤含水量对陆—气相互作用过程中的能—水平衡计算以及降雨、农业灌溉对地下水补给的研究起着关键的作用。但现阶段大多数陆面过程模式对土壤含水量的计算采用一维水桶模式,忽略了流域尺度上的侧向补给、地下水位的变化、包气带土壤的非线性渗透特性对土壤含水量的影响。针对这一问题,在国内外研究较为成熟的饱和—非饱和理论的基础上,编程实现了包气带土壤水分传输方程的求解,并与陆面过程模式（SIB2）相耦合,建立起研究分层包气带土壤水分运移、非稳态的地下水位、和地表蒸散发之间定量关系的模型。最后,利用建立的耦合模型,以河西走廊黑河流域中游临泽农业综合观测场的灌溉试验为例,模拟干旱内陆平原区小麦生长期间定额灌水条件下土壤含水量的变化。计算结果表明：模型能够准确计算瞬时土壤含水量、非稳态的地下水位,并对小麦生长过程中的耗水量进行估算,进而为农业合理灌溉提供了科学的理论基础。     

改进加权马尔科夫链模型在喀什地区承压含水层参数动态识别中的应用研究

承压含水层的估算对于地下水开发利用的合理规划十分重要。而承压含水层参数识别对于含水层水量参数估算至关重要。结合改进加权马尔科夫链模型,以喀什为研究实例,对该地区承压含水层参数进行动态识别,从置信区间分析结果可看出,喀什地区承压含水层参数的变幅为7.93 m^2/min,而承压含水层参数μ的变幅为0.048,从不同置信度下的变幅结果可看出,相比于传统模型,改进加权马尔科夫链模型提高了参数识别收敛效率和计算精度。计算结果的可靠性程度较高。研究成果对于喀什地区含水层水量估算具有重要的参考价值。