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.     

植被冠层截留对地表水分和能量平衡影响的数值模拟

利用NCAR_CLM4.0模式,通过有无植被冠层截留的试验对比分析,讨论了植被冠层截留对全球陆面水分和能量平衡产生的潜在影响.结果表明:就全球水分平衡而言,不考虑植被冠层截留时,全球平均土壤总含水量、表面径流和次表面径流增加,蒸散发减少.空间分布特征表明,低纬地区各水分平衡分量全年维持较高的差值分布,并随季节变化沿赤道南北振荡;北半球中高纬高值区有春季扩张、夏季极盛、秋冬季撤退的趋势.冠层截留消失后冠层蒸发的消失是蒸散发减弱的主要原因.对于能量平衡而言,不考虑冠层截留时,全球感热通量增加,冠层感热的增加明显大于地面感热的减少;潜热减少.此外,不同植被类型对不考虑冠层截留后产生的响应存在明显差异.     

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.     

陆面模式中氮循环过程的引入Ⅰ:模式介绍及站点验证（英文）

陆地生态系统氮循环对碳循环过程及其对气候变化的反馈具有重要的影响,但当前陆面模式多数都没有考虑氮循环过程对碳循环过程的限制。本研究基于氮在土壤-植被-大气中的传输交换过程,将氮循环过程引入到陆面模式AVIM(Atmosphere-Vegetation Interaction Model)中,发展形成包含碳氮耦合过程的新版模式AVIM-CN。与2004-05年当雄生态系统定位站通量观测数据相对比,模式中引入氮循环过程后,高寒草甸的总初级生产力模拟值从1.1403 gC m^-2d^-1降到了0.7073 gC m^-2d^-1,前者更接近通量站的观测值0.5407 gC m^-2d^-1。生态系统呼吸的模拟值也从1.7695 gC m^-2d^-1降到了1.0572 gC m^-2d^-1,更接近对应的通量观测值0.8034 gC m^-2d^-1。整体而言,在模式中考虑氮的限制作用后,当雄站的热量通量和碳通量的模拟值更接近实测值。不考虑氮过程对碳过程的限制,模式高估了约40%的陆地生态系统碳通量。     

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或研究方法和工具。建议建设中国的集模式发展、数据分析、模拟方法、高性能计算、数据可视化和应用示范为一体的陆面模拟综合集成平台,为天气/气候/地球系统模式提供陆面过程模式,为开展精细化的全球和区域陆面水文-气象-生态的预报预测提供科技支撑。     

陆面过程参数化对太湖地区雷暴过程模拟的影响

以2010年8月发生在太湖地区的一次雷暴过程为例,利用WRF模式进行48 h的短期天气模拟,分析两个陆面参数化方案(Noah方案和RUC方案)对雷暴过程模拟的影响。对比模式结果与实况降水以及太湖地区两个站点的近地面要素表明:雷暴过程对陆面参数化方案的选取较为敏感,不同陆面参数化方案可影响雷暴发生的时间、地点及强度,两种方案的降水中心值差达40 mm以上,其中Noah方案所模拟的降水与实况更为接近。通过对两个方案模拟的物理量场的对比分析发现,RUC方案中对流发展滞后于Noah方案2 h;这表明陆面过程对雷暴等中尺度对流过程有显著的反馈作用,不同陆面参数化方案的使用影响雷暴发生的动力和热力作用,并改变雷暴的时空分布特征。陆面过程通过改变地面热通量输送影响边界层结构,使得水平和垂直方向上的风和温度等发生变化并产生辐合辐散,进而影响对流的启动时间和对流发展强度。由于对不同植被的参数化处理的差异,Noah方案对下垫面特征的描述能力优于RUC方案,尤其是对城市下垫面的处理,这也使得之后该方案模拟的雷暴发生时间更加接近于实况且雷暴过程更加强烈。     

A generalized layered radiative transfer model in the vegetation canopy

In this paper, a generalized layered model for radiation transfer in canopy with high vertical resolution is developed. Differing from the two-stream approximate radiation transfer model commonly used in the land surface models, the generalized model takes into account the effect of complicated canopy morphology and inhomogeneous optical properties of leaves on radiation transfer within the canopy. In the model, the total leaf area index （LAI） of the canopy is divided into many layers. At a given layer, the influences of diffuse radiation angle distributions and leaf angle distributions on radiation transfer within the canopy are considered. The derivation of equations serving the model are described in detail, and these can deal with various diffuse radiation transfers in quite broad categories of canopy with quite inhomogeneons vertical structures and uneven leaves with substantially different optical properties of adaxial and abaxial faces of the leaves. The model is used to simulate the radiation transfer for canopies with horizontal leaves to validate the generalized model. Results from the model are compared with those from the two-stream scheme, and differences between these two models are discussed.     

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.     

两种陆面方案对陆雾与海雾模拟效果的对比研究

利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式,针对1次陆雾与1次同时包含近海雾区与开阔海域雾区的海雾个例,开展了2种陆面方案——SLAB(five-layer thermal diffusion scheme)方案与Noah(Noah land surface scheme)方案——的模拟效果对比研究。研究结果表明:1)SLAB方案与Noah方案在开阔海域雾区模拟中的表现基本一致,但只有前者成功再现了陆雾与近海雾区。2)对于陆雾,与SLAB方案相比,Noah方案在白天偏高的地表温度造成偏强的地面垂直热量通量,加之偏弱的垂直水汽通量共同使得地面相对湿度偏低20％,导致模拟失败。3)对于海雾,两种方案模拟的地表温度与地面垂直水汽通量之间的差异,直接导致了地面2 m气温与水汽混合比的差异,进而影响了渤海的地面低压天气系统的强弱与水汽平流的大小,从而使得它们对渤海近海雾区的模拟表现迥异。本次个例中,应用广泛且陆面过程完善的Noah方案对陆雾模拟的表现反而不如过程简单的SLAB方案,本文对此给出了初步的解释,但仍需进一步探究其原因。     

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。     

土壤热异常影响地表能量平衡的个例分析和数值模拟

The statistical relationship between soil thermal anomaly and short-term climate change is presented based on a typical case study. Furthermore, possible physical mechanisms behind the relationship are revealed through using an off-line land surface model with a reasonable soil thermal forcing at the bottom of the soil layer.In the first experiment, the given heat flux is 5 W m-2 at the bottom of the soil layer (in depth of 6.3 m)for 3 months, while only a positive ground temperature anomaly of 0.06℃ can be found compared to the control run. The anomaly, however, could reach 0.65℃ if the soil thermal conductivity was one order of magnitude larger. It could be even as large as 0.81℃ assuming the heat flux at bottom is 10 W m-2. Meanwhile, an increase of about 10 W m-2 was detected both for heat flux in soil and sensible heat on land surface, which is not neglectable to the short-term climate change. The results show that considerable response in land surface energy budget could be expected when the soil thermal forcing reaches a certain spatial-tem poral scale. Therefore, land surface models should not ignore the upward heat flux from the bottom of the soil layer. Moreover, integration for a longer period of time and coupled land-atmosphere model are also necessary for the better understanding of this issue.     

多层城市冠层模式的建立及数值试验研究

为在城市气象数值模拟中更好地体现由城市发展引起的下垫面土地利用改变及人为活动对大气过程的影响,建立了基于建筑物三维分布的多层城市冠层模式,冠层内动力方程组考虑了建筑物冠层拖曳力的作用及雷诺应力的影响,通过引入建筑物宽度、间距以及垂直分布密度指数等建筑物形态特征参数,以更好地体现城市复杂地表对大气温度、湿度及动量方程的影响.同时,该模式分屋顶、4个侧壤及地面分别考虑辐射及能量平衡求解表面温度,计算各表面与大气的通量交换,并考虑辐射阴影效应、冠层内部各个面之间的可视因子、以及与冠层内建筑物密度指数、可视因子等相关的多重反射辐射导致的辐射截陷作用.模式的离线检验结果表明:(1)冠层模式计算风廓线与风洞实验测量数据吻合良好;(2)离线冠层模式能够模拟实际小区的风速、温度垂直廓线,并能够较好地体现小区内气温日变化.冠层模式与区域边界层模式耦合检验结果表明:(1)耦合模拟的近地面(2 m处)气温及地表温度的结果明显优于传统的水泥平板方案,尤其是在夜间,水泥平板方案与实测气温最大偏差4 K左右,耦合模拟方案为1-2 K;(2)耦合模拟方案考虑了建筑物对冠层之上的拖曳力影响以及建筑物形态结构对雷诺应力的影响,风速(10 m处)计算结果与观测值相差约在1 m/s,水泥平板方案偏差3 m/s左右.     

植被地表反照率动态模拟方法比较-以玉米农田为例

利用2007年锦州玉米农田生态系统野外观测站玉米生长季辐射资料,对地表反照率综合模型、半经验双层模型和简化双层模型模拟精度进行比较。结果表明：简化双层模型在玉米生育初期模拟能力较差,其他时段模拟能力都较强,尤其在玉米生育后期更为明显;半经验双层模型除在玉米叶面积指数处于最大时期模拟误差较小外,其他时段基本无法模拟。综合模型大部分时段模拟能力都较强,仅在玉米生育后期模拟能力稍差,该模型对实现玉米农田地表反照率动态参数化更为理想,可为改进陆面过程模型提供参考。     

不同下垫面数据和城市冠层参数化方案对江苏气温影响的个例分析

利用中尺度数值模式WRF,分别选用新旧两种下垫面资料和不同城市冠层模型设计试验,以江苏一次秋末高温天气个例(2014年11月20—21日)为背景,研究城市化进程对气温的影响和可能机制。将模式结果与江苏国家气象观测站和地面加密区域自动站观测资料进行对比,并分析3组试验结果发现:(1)采用BEP城市方案对2 m气温、2 m相对湿度和10 m风速等物理量的日变化模拟最优。(2)相比USGS数据,MODIS较新地表覆盖变化数据能更真实反映研究区域当前地表类型分布情况,且能提高近地面风温湿要素空间分布的模拟。(3)分析不同试验模拟的地表能量平衡过程差异,发现相比UCM单层城市冠层方案,BEP多层城市冠层方案在白天能更好模拟出城市地区的温度升高以及相对应的地表感热通量和地面热通量的增加。     

东亚中纬度夏季陆面增暖与土壤湿度异常的联系

利用1979—2015年ERA-Interim再分析土壤湿度、云量资料,NCEP/NCAR再分析环流资料和CPC土壤湿度资料,分析了东亚中纬度夏季陆面热力异常的时空分布特征及其与前期春季土壤湿度异常的联系,探讨了前期春季土壤湿度影响东亚中纬度夏季陆面增暖的可能途径。结果表明,东亚中纬度夏季土壤表层温度呈全区一致增暖趋势,其中贝加尔湖及以南地区温度变化最剧烈、增暖最迅速,且1990年代中期前后存在一个明显由冷向暖的年代际转变。进一步分析发现,春、夏季西西伯利亚到贝加尔湖北部地区的土壤湿度与夏季贝加尔湖及以南地区的土壤表层温度在年代际和年际尺度上均存在紧密联系:西西伯利亚到贝加尔湖北部地区土壤湿度异常偏高,通常对应贝加尔湖及南部地区夏季土壤表层温度偏高。西西伯利亚到贝加尔湖北部地区春、夏土壤湿度异常可以引起夏季大气环流异常,从而对东亚夏季中纬度陆面热力异常产生影响:春、夏土壤湿度偏高时,贝加尔湖及其南部地区上空位势高度为正异常,对应为反气旋性异常环流,云量减少,有利于东亚中纬度陆面增暖;反之,则对应为气旋性异常环流,不利于陆面增暖。     

双叶模型在冬小麦田冠层CO2通量多层模拟中的应用

综合考虑农田生态系统中水、热、CO2输送所涉及的大气、水文、生物等生物物理过程,以Farquhar等提出的叶片尺度光合作用生物化学过程机理模型为理论基础,对其进行空间尺度扩展,并改进冠层分层方法,建立了均匀农田与大气之间物质输送和能量交换的多层模式,在模式中运用双叶模型,同时考虑叶片氮素水平垂直差异,对2008年4—5月华北平原冬小麦生长旺季农田生态系统中冠层CO2通量进行了模拟研究,并利用涡度相关观测的通量数据对模型的有效性加以验证,结果表明:在冠层多层空间,小麦拔节至孕穗期和开花至乳熟期叶片氮含量随冠层高度的衰减系数分别为0.793(R2=0.698)和1.374(R2=0.728),冠层内叶片氮含量的空间分布可以用以相对累积叶面积指数为自变量的函数来描述;模型分别计算各层阴、阳叶的光截取、气孔传导、光合作用等,最终计算冠层上方CO2通量,冬小麦农田净生态系统生产力模拟值与实测值相关显著(R2=0.78),模拟的CO2通量日变化特征晴天昼间比阴雨天和夜间的效果好;在考虑丛聚影响的叶片非随机分布的密集农田中,阴叶对总初始生产力的贡献率在35.7%左右,对生产力贡献很重要。分层统计显示,作物最终产量的形成主要...     

北京地区夏季边界层结构日变化的高分辨模拟对比

使用WRF中尺度数值模式, 分别选用两种不同的边界层参数化方案 (MYJ, YSU) 和3种陆面参数化方案 (SLAB, Noah, RUC), 对2004年7月1日08:00—7月4日20:00 (北京时) 北京地区夏季边界层结构进行1 km的高分辨模拟。对比分析了近地面层风场、温度场以及边界层的日变化特征, 结果发现:WRF模式基本模拟出了北京夏季边界层的日变化特征; 在边界层方案中, MYJ方案描述的边界层结构较YSU方案合理; Noah陆面模式较好地反映了城市的热岛效应; 无降水时, 风速及边界层高度对于陆面过程不敏感, 而降水发生后, 陆面过程对于边界层结构的影响增大; 各方案模拟的城区风速明显偏大, 这是因为没有充分考虑城市建筑物的阻力作用。     

陆面过程模式CLM4.5在半干旱区退化草原站的模拟性能评估

利用国际协同强化观测期(CEOP)在中国半干旱区退化草地站——通榆站的观测资料,对一个较为完善的陆面过程模式NCAR_CLM4.5(Community Land Model 4.5)的模拟性能进行检验。模拟结果与观测资料的对比表明,CLM4.5能很好地模拟出观测站点的辐射通量、水热交换、土壤温湿的空间分布和时间变化特征。但地表吸收的辐射模拟值略低,土壤湿度偏低,地表吸收的辐射及土壤温度等日变化略大;大气强迫变量处于某些特定的形势下时,模拟存在较大误差,如8月底的模拟。此外,冬季辐射通量、水热交换以及土壤温湿的模拟均存在较大误差,说明CLM4.5模式在冬季地表物理过程的参数化方案上需要进一步改进。     

一个用于气候模式的简单冻土过程参数化方案的建立和检验

在NCAR／LSM的基础上，发展了一个简单的冻土过程参数化方案，并使用苏联6个站的水气象观测资料考察了耦合了新方案模式的气候效应。在新方案中，加入了对含冰量的求解和在相变过程中的能量变化;并使用Johanson的方案替代了模式中原有的土壤导热率的参数化方案，考虑了含冰量对土壤水热性质的影响。原模式和改进后模式的模拟结果的比较得到，冻土过程方案能够合理的模拟土壤列中的能量收支及水热性质随含冰量的变化。随着入渗的减少和径流的增加，春季的土壤湿度减小。因此，热通量的分配和土壤温度也产生了相应的变化。     

Improvements of a dynamic global vegetation model and simulations of carbon and water at an upland-oak forest

The interest in the development and improvement of dynamic global vegetation models （DGVMs）, which have the potential to simulate fluxes of carbon, water and nitrogen, along with changes in the vegetation dynamics, within an integrated system, has been increasing. In this paper, some numerical schemes and a higher resolution soil texture dataset were employed to improve the Sheffield Dynamic Global Vegetation Model （SDGVM）. Using eddy covariance-based measurements, we then tested the standard version of the SDGVM and the modified version of the SDGVM. Detailed observations of daily carbon and water fluxes made at the upland oak forest on the Walker Branch Watershed in Tennessee, USA offered a unique opportunity for these comparisons. The results revealed that the modified version of the SDGVM did a reasonable job of simulating the carbon and water flux and the variation of soil water content （SWC）. However, at the end of the growing season, it failed to simulate the effect of the limitations on the soil respiration dynamics and as a result underestimated this respiration. It was also noted that the modified version overestimated the increase in the SWC following summer rainfall, which was attributed to an inadequate representation of the ground water and thermal cycle.