A land surface model for the forest on complex topography.pdf

1、作為氣象模型的下邊界層條件的陸面模式，重在研究陸面的動量，熱量及物質(zhì)交換，在近數(shù)十年內(nèi)取得了很大的進(jìn)步。從今后的發(fā)展趨勢上來講，針對有復(fù)雜地表的山岳地形建立陸面模式是具有很大的應(yīng)用價值的。本研究就是針對有森林覆蓋的復(fù)雜地形，通過閱讀大量的與陸面模式相關(guān)的文獻(xiàn)，在對陸面模式的發(fā)展歷史做了一個詳盡的回顧之后，將其中的方程式提取出來，經(jīng)過篩選，得出一系列最符合復(fù)雜地形實(shí)際情況的方程式來表示各個陸面過程。
　　陸面模式的發(fā)展歷史，大致可以

2、分為三個階段。第一個階段的陸面模式，是以1969年Manabe創(chuàng)建的水桶模型(Bucketmodel)為代表的，在這個陸面模式中，土壤被設(shè)定為具有固定的土壤水容量。模型中的“水桶”被降水填滿，但又通過蒸發(fā)來消耗所得水分，超過土壤含水量的部分全部被視為徑流。
　　但相對于實(shí)際情況來講，第一代陸面模式過于粗糙，沒有涉及到對于植被和地下水的處理。盡管如此，第一代陸面模式在陸面模式的發(fā)展歷程中依然有舉足輕重的作用。
　　第二個階段的

3、陸面模式是在1978年，Deardorff提出了土壤-植被-大氣傳輸模式(SVAT)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。在第二代陸面模式中，植被被作為一個很重要的組成部分考慮了進(jìn)去。與第一代陸面模式相比，第二代陸面模式考慮到了熱量，水，動量交換以及植被的作用，同時還考慮到了雪蓋模式下的陸面與普通氣候條件下的陸面的不同。當(dāng)然它也還是存在一些問題。在Dickinson于二十世紀(jì)八十年代創(chuàng)立的生物圈大氣傳輸模式(BATS)中，土壤被進(jìn)行了更加詳細(xì)的劃分，葉面

4、積指數(shù)(LAI)也被作為一個重要的物理參數(shù)引入進(jìn)來計算透過植被冠層的入射光的衰減量。需要指出的是，在這個模式中，依舊沒有考慮到地下水，但是它將植被考慮進(jìn)去已經(jīng)是一個重大的進(jìn)步。
　　另一個二代模式的代表就是由Sellers創(chuàng)立的簡單生物圈模式(SiB)。簡單生物圈模式的創(chuàng)建理念就在于它從植被自身的生物物理過程出發(fā)來模擬植被，因?yàn)橹脖荒M在對入射光吸收的參數(shù)化過程中起到了非常積極的作用。簡單生物圈模型同生物圈大氣傳輸模式一樣也是對土

5、壤進(jìn)行了詳細(xì)的分層并分別計算各個過程。簡單生物圈模式的缺點(diǎn)在于，對雪層厚度的預(yù)測是非常粗糙的，并且沒有考慮到降雪溫度處理。
　　經(jīng)過前兩代模式的發(fā)展，針對近地面層的大氣，植被和土壤的物理及生物物理過程以及基本完善，因此，將近地面層的碳循環(huán)作為一個新的研究重點(diǎn)的第三代陸面模式誕生了。第三代陸面模式不僅考慮到了植被的光合作用，而且模擬了陸面碳循環(huán)過程。在這一代模式中同時涉及到了太陽入射同光合作用之間的關(guān)系，而光合作用的強(qiáng)弱會對碳循環(huán)造

6、成一定的影響。在第三代陸面模式中涉及到了多學(xué)科的綜合，尤其是植被的生物化學(xué)過程，因此，第三代陸面模式具有最廣泛的應(yīng)用范圍。第三代陸面模式的代表類型分別由陸面模式(LSM)，第二代簡單生物圈模型(SiB2)以及大氣植被相互作用模式(AVIM)。
　　對已有的陸面模式進(jìn)行系統(tǒng)的、詳盡的歸類和整理有助于更好地理解陸面模式的發(fā)展歷程及未來的前進(jìn)空間。通過大量文獻(xiàn)的閱讀，在這篇論文中，不僅回顧了各代模型的優(yōu)缺點(diǎn)，更是從結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)解析了三

7、代模型的相同與不同點(diǎn)。在將來的陸面模式的發(fā)展過程中，我們還需要注意以下幾個方面的問題。最初的三種簡單的陸面模式（Bucket，BATS和SiB）都是一維模式（在豎直方向上）。在將來的陸面模式的建立過程中，我們可以在小尺度的陸面模式的研究中考慮到水平方向上的各種物質(zhì)及能量交換。而且在以往的陸面模式的研究過程中，基本上對地形的設(shè)計都是在相對平坦的地形條件下進(jìn)行的，因此在將來的陸面模式發(fā)展過程中，我們更需要側(cè)重研究針對各種復(fù)雜地形的熱量及能量

8、交換。在復(fù)雜地表?xiàng)l件下，由于山地結(jié)構(gòu)造成的遮蔽，陰影等會對入射光的吸收產(chǎn)生不同的影響，故而也可以從入射光的分布的不同這一點(diǎn)著手進(jìn)行陸面模式的研究。第三代陸面模式中已經(jīng)涉及到了碳循環(huán)的研究，在未來的陸面模式的發(fā)展過程中，我們可以更加深入地考慮諸如氮循環(huán)及其他營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)等一系列有關(guān)生物化學(xué)及生物物理方面的因素對陸面模式的影響。陸面模式的發(fā)展對未來氣象研究及氣候預(yù)測有著極其重要的研究，因此需要持續(xù)發(fā)展更加完善更加貼合實(shí)際的陸面模式。

9、　　本次陸面模式運(yùn)行過程中所應(yīng)用到的數(shù)據(jù)皆來自日本岐阜縣高山市岐阜大學(xué)流域圈科學(xué)研究中心試驗(yàn)地。它坐落于日本的神通川水系大八賀川流域，為了能用人工衛(wèi)星評價整個流域的機(jī)能，針對該流域的整個生態(tài)系統(tǒng)的詳細(xì)觀測被全面展開。作為整個流域的集中觀測點(diǎn)之一，在高山市東部的人造杉樹林設(shè)立了高山常綠針葉樹林觀測點(diǎn)（在后面的整篇文中統(tǒng)稱為TKC觀測點(diǎn)）。在該觀測點(diǎn)處，有一個用來進(jìn)行森林觀察的觀測塔。在本次研究中所用的數(shù)據(jù)皆來自這個觀測塔。
　　TK

10、C觀測點(diǎn)位于北緯36度08分23秒，東經(jīng)137度22分15秒，從高山市中心出發(fā)向東約14km處的位置，標(biāo)高約為800m。觀測場所的平均斜度約為21度，坡度面向西北方向。在該TKC觀測點(diǎn)處的常綠針葉樹林是平均樹高約為20m的杉樹林。在距離該觀測點(diǎn)的北側(cè)斜面約200m處有民居點(diǎn)。氣溫和濕度測量的主要儀器是通風(fēng)遮蔽溫濕度計，風(fēng)速測量的主要儀器是三杯風(fēng)速計和二次元超音波風(fēng)向風(fēng)速計，水蒸氣和二氧化碳量測量的主要儀器是紅外線CO2H2O濃度計，降水

11、量測量的儀器是由池田計量器制造所生產(chǎn)的雨雪量計。用由這些儀器測得的數(shù)據(jù)設(shè)定初始值并進(jìn)行陸面模式的模擬跟比較，由此得出更適合實(shí)際情況的新的陸面模式，以此來對有森林覆蓋的復(fù)雜地形進(jìn)行更好的管理和預(yù)測。
　　在這個陸面模式中，土壤被分作四層，上面的兩層可以與溫度的日變化及季節(jié)變化聯(lián)系起來，植被的根系也主要分布在這兩層之中。溫度和濕度的值在最深層土壤中可以近似認(rèn)為是它們的氣候平均值，這一假設(shè)會取得更好的模擬效果當(dāng)模式的氣候尺度取值范圍不是

12、很大時。因此，根據(jù)不同的現(xiàn)實(shí)情況，我們選擇不同的方程來計算四層土壤的溫度和濕度分布。
　　在文中包含了這一新的針對有森林覆蓋的復(fù)雜地表的結(jié)構(gòu)圖。在現(xiàn)實(shí)情況中，地面結(jié)構(gòu)是相當(dāng)復(fù)雜的，它不可能是分布在一個平坦地形上，但由于在計算時，我們用網(wǎng)格來進(jìn)行計算，所以當(dāng)網(wǎng)格尺度取很小值時，我們可以近似認(rèn)為它是位于平坦地形結(jié)構(gòu)上。當(dāng)我們在計算各個物理量時，我們應(yīng)該考慮到，在實(shí)際情況下，幾乎所有物理量都會在沿著斜面方向有一個不得不考慮的分量。

13、>　　通過這個模式的結(jié)構(gòu)分析，對大氣和陸面之間的相互作用的復(fù)雜性可以有一個宏觀的了解。因此，在模式的建立過程中，有許多的因素應(yīng)當(dāng)被考慮進(jìn)去，例如太陽輻射，風(fēng)速，溫度，熱通量，水分交換，亂流以及碳循環(huán)等等。在模式的建立過程中，所有這些相互過程都應(yīng)當(dāng)通過具體的方程式表達(dá)出來。
　　針對降水部分，假設(shè)一部分降水被植被冠層截留，我們成為截留降水，另一部分直接到達(dá)地面。截留降水的一部分被用來進(jìn)行植被的蒸發(fā)，另一部分透過冠層滴落到地面，滲入土

14、壤匯同直接降落到地面的降水一起形成地下徑流。在蒸散過程中，除了濕潤土壤和濕潤葉子表面會直接向大氣蒸發(fā)水分外，植物根系也會從土壤中抽吸水分再由干葉面向大氣蒸騰水汽。對于太陽輻射，當(dāng)它到達(dá)植被冠層和土壤表層之后，一部分被吸收，另一部分被反射。絕大多數(shù)的太陽輻射能量被植被和地表吸收并以顯熱、潛熱和長波輻射的形式被輸送回大氣，另一部分被土壤和冠層用來提升自身溫度。
　　一個完整的陸面過程模式應(yīng)當(dāng)包括以下五個方面:(1)土壤層的物理過程參數(shù)

15、化，它涉及到土壤溫度方程以及水汽運(yùn)動方程;(2)植被層的物理過程參數(shù)化，它涉及到植被葉面的熱量平衡方程水汽平衡方程;(3)陸面模式下的湍流參數(shù)化過程，它涉及到土壤表面的湍流參數(shù)化和植被葉面的湍流參數(shù)化;(4)植被層的陸面模式和參數(shù)化，它涉及到大氣輻射過程和地表以及植被冠層的蒸發(fā)過程;(5)從第三代陸面模式開始被作為重要部分考進(jìn)去的碳循環(huán)過程，這一過程涉及到植被冠層和土壤表層的碳平衡。
　　裸土蒸發(fā)，植被蒸騰，土壤水分傳輸，排水及徑

16、流決定了陸地表面過程的水分平衡，因此，水分平衡是地表的一個非常重要的水文過程。一個完整的陸面模式涉及到有關(guān)土壤，植被以及大氣之間的六種相互作用，它們之間的具體作用過程及表達(dá)方程式將在正文中給與詳細(xì)的描述。不同的陸面模式之間針對這些過程的參數(shù)化有很大的不同。
　　土壤分層的不同會對土壤水分及徑流的計算產(chǎn)生很大的影響。到底怎樣對土壤進(jìn)行分層是最好的在陸面模式的發(fā)展過程中一直未得到定論。但是有一點(diǎn)是被公認(rèn)的，那就是越是接近表層的土壤越是

17、應(yīng)該被細(xì)分，因?yàn)楸韺油寥朗盏綒夂蛞蛩氐挠绊懯呛苊黠@的。這些氣候因素的影響在小尺度范圍的氣候模式中更是得到了鮮明的體現(xiàn)，就像生物圈大氣傳輸模式(BATS)和簡單生物圈模型(SiB)。當(dāng)代陸面模式的不同主要體現(xiàn)在對植被冠層以及土壤層的劃分之上，在模擬這一系列過程的時候，許多物理定律被引用了進(jìn)來，這在正文中都被明確提到。在本文中所用到的計算方程，就是通過對比各個階段的陸面模式，選取出來了最符合實(shí)際情況的方程，因此這是一個比較貼合實(shí)際的陸面模式

18、。
　　全球碳循環(huán)和氣候變化同大氣中溫室氣體的含量被認(rèn)為是緊密相關(guān)的。作為地球系統(tǒng)的一個重要的組成部分，陸地生物圈和全球氣候之間有方方面面的聯(lián)系。通過光合作用，營養(yǎng)類型以及呼吸類型的不同，植被以及土壤被認(rèn)為在全球二氧化碳循環(huán)及平衡過程中起著至關(guān)重要的作用。冠層高度，葉面積指數(shù)以及植被根系分布會改變地面粗度長，冠層傳導(dǎo)率和土壤-根系傳導(dǎo)阻力，最終會改變地表能量和水分平衡，導(dǎo)致天氣和氣候的變化。對于碳循環(huán)的模擬的發(fā)展在整個陸面模式的研

19、究過程中正處于一個不間斷發(fā)展進(jìn)行的過程中。在這一新的陸面模式中所采用的碳循環(huán)過程的模擬在對多年生植物生長過程中的碳循環(huán)的模擬上有了很好的改善。
　　這一新的陸面模式旨在改進(jìn)陸面模式的結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算方法，因此同過去的陸面模式相比較，有以下幾個創(chuàng)新點(diǎn)。首先，它將植被層通過植被高度的不同進(jìn)行了更加詳細(xì)的劃分，這一點(diǎn)將會改善模型模擬的準(zhǔn)確性。第二，模型被設(shè)定在一個斜面上，這具有很深遠(yuǎn)的實(shí)際意義，土壤的分層相較于過去的模型也是更加詳細(xì)，物理

20、方程和經(jīng)驗(yàn)分析被結(jié)合起來去解決每一層的土壤溫度和土壤濕度的變化，這不但確保了計算的準(zhǔn)確性，更會節(jié)省每一層的計算時間。第三，在這一陸面模式中，引用到了來自同一研究室的水野誠前輩的研究成果，他曾在針對“復(fù)雜地形的日射量分布”上取得了很大的進(jìn)步，在這一點(diǎn)上與以往的陸面模式相比，將使得這一新的陸面模式更加完整，因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)情況中，由于地形復(fù)雜造成的遮蔽作用等原因，不同地形對日射量的吸收會有所不同，而日射量與碳循環(huán)也有相互作用。第四點(diǎn)，降水分布在這

21、一新的陸面模式中也被進(jìn)行了更加詳細(xì)的劃分，并分別按照不同的部分來將它們進(jìn)行計算，這無疑會增加模式的現(xiàn)實(shí)可用性。第五，在針對由于有風(fēng)天氣情況下所帶來的不同的湍流分量方面，根據(jù)植被密度的不同進(jìn)行了分別計算。最后一點(diǎn)，在陸地生物圈以及大氣模式中的氣候之間的相互作用上，植被的作用被進(jìn)行了強(qiáng)化，這也是同以往的陸面模式相比很大的不同點(diǎn)所在。
　　在這一陸面模式中，不同的物理過程采用不同的計算方程。對于土壤，上兩層采用了熱傳導(dǎo)方程，但是對于第三

22、層，卻是用到了強(qiáng)迫-恢復(fù)法來計算。對于最深層土壤則直接引用了氣候經(jīng)驗(yàn)值。對于土壤濕度，上兩層采用了水汽擴(kuò)散方程，而最深層則直接采用了經(jīng)驗(yàn)值，第三層則采用了特殊處理，先設(shè)定了總的土壤含水量，然后用總量減去計算出來的第一二層土壤的含水量以及第四層的經(jīng)驗(yàn)含水量來計算得到第三層的含水量。對于植被的葉面熱容量，采用了Sellers的方法。對于冠層內(nèi)部和葉面的湍流通量，則采用了Deardorff和Dickinson的方法。此外，以以往的陸面模式為基

23、礎(chǔ)，碳循環(huán)過程也進(jìn)行了更加詳細(xì)的模擬?？偠灾@將是一個更符合實(shí)際情況的陸面模式。
　　盡管這一陸面模式在解決土壤溫度和濕度，植被的水汽以及能量平衡和碳循環(huán)方面已經(jīng)取得了一些改進(jìn)，但它在水文過程和模式結(jié)構(gòu)上仍然存在一些尚待確定的問題。陸面模式內(nèi)部本就相當(dāng)復(fù)雜，又由于數(shù)據(jù)采集的條件所限，以至于有關(guān)整個陸面模式以及大氣邊界層的客觀規(guī)律并沒有得到充分掌握，因此，更有難度的更符合實(shí)際情況的陸面模式的研究應(yīng)當(dāng)被更廣泛地推進(jìn)。未來的陸面模式