陆面过程及其参数化研究-20120308
不同陆面过程及边界层参数化方案的城市边界层模拟实验
城 市大气 边界层 研究 是边 界层气 象学 的重要课
目前 ，己经 出现 了许 多 利 用 陆 面物 理过 程 与大 气
题之 一 ， 也是 城市 气 候学 、 染 气象 学 的理 论基 础 。 边界 层 相 互 作用 参 数 化 的 摸式 。例 如 。 Ｇ ｙ ｉ 污 ｒｎｎ和 其动力学 和热力 学机 制对 污染物 的输送 与排 放起着 Ｈ ｈ ａ ｏ ｓｇ等 ，９ ７ ［： ｗｎ和 Ｐ ｕ ｅ ，９ ０３ Ｓｅｅ １８ ２Ｉ ｉ １ｒ ａｍｉ １９ ｔ：ｔ ｎ ｒ ｖ 至关 重要 的作用… 。大 气边 界层直 接受 到地表 影响 ， 和 Ｊｓｐ，９ ２ 【。本 文 利 用 中 尺 度数 值 预 报模 式 ｏｅ １９ ４ ］
Ｐ ｒ ｍｅｅ ｉｅ ｔ ｎ ｎ ｕ ｆ ｃ ｈ ｓｃ ｌ ｔ ｎ ａａ ｔｒ ｄＯｐ ｉ ｓａ ｄＳ ｒａ ｅＰ ｙ ｉａ ｉ ｓ ｚ ｏ Ｏｐ ｏ
ＴＡＮ — ｎｇ Ｙｅｂｉ
（ｎ ｔｕｅ ｆ ｅｏ ｒｅ ｄ ｎ ｉ ｎ ｎ Ｓ ｉ ｃ ， ａｔ ｈ ｏｍａ Ｕ ｉｅｓｙ Ｓ ａ ｇ ａ ２ ０ ６ ， ｈ ａ Ｉｓ ｔｔ ｏ ｓ ｕｃ ｓ ｎ ｖ ｏ ｍｅ ｔ ｃ ｎ ｅ Ｅ ｓ Ｃ ｍａ ｒ ｌ ｎｖ ｒ ｔ ｈ ｎ ｈ ｉ ０ ０ ２ ｍ ） ｉ ｓ Ｒ ａ Ｅ ｒ ｅ Ｎ ｉ， Ｃ
ＭＹ ） 合 两 种 陆 面 过 程 方 案 （ Ｕ Ｎ ａ ） 对 上 海 市 ２ ０ Ｊ结 Ｒ Ｃ， ｏ ｈ ， ０ ８年 ５月 ５ 日 ０ ：０ ２ ０ ０ ０ — ０ ８年 ５月 ７
日 ０ ：０ 北京 时 ） 行 了边界层 的模拟 。并将 模拟 结果 和 Ｖ Ｓ Ｌ ００（ 进 ＡＩＡ Ａ公 司的云 高仪 所 测边界 层
ｂ ｕ ｄ ｒ ｙ ｒ ｅ ｇ ｔ ａ ｕ ｅ ｙ ＣＬ ｉ ｍｅｅ ｒ ｄ ｃ ｄ ｂ ｏ ｎ ａｙ ｌ ｅ ｉ ｈ ａ ｈ ｍｅ ｓ ｒ ｄｂ ３ Ｃｅｌ ｏ ｔ ｒ ｏ ｕ ｅ ｙＶＡＩ ＡＬ Ｃｏ ａ ｙ ｐ Ｓ Ａ ｍｐ ｎ ．
罗勇 研究员 气象学专业硕士生指导教师
罗勇研究员气象学专业硕士生指导教师
1965年10月生，毕业于北京大学，获理学博士学位。
1994年7月起在国家气候中心工作。
其中，1996年4-9月在美国西北太平洋国家实验室作博士后研究，2001年1月-2002年1月在日本气象厅气象研究所作STA基金研究员。
现任中国气象局国家气候中心副主任，中国气象学会气候学委员会副主任委员，国家气候委员会气候应用委员会委员，北京气象学会第17届理事会理事,WCRP/CLiC中国委员会冰雪圈与气候预测专业组组长，中国第四纪研究委员会及中国第四纪科学研究会委员，中国CLIVAR 专家委员会成员，中国IGBP-LUCC工作组成员，《大气科学进展》、《气象学报》、《应用气象学报》、《气候变化研究进展》、《科技导报》、《资源科学》、《气象》、《南京气象学院学报》编委会委员，《可持续发展研究》专家指导委员会委员。
该导师近几年来主要从事陆面过程模式的研制、气候数值模拟与预测研究以及全球气候变化的科学与政策研究，先后主持和参加了多项重要的科研项目。
近5年来在各种学术刊物、专著、文集和国内外学术会议上共发表论文或报告70余篇，与他人合作出版学术专著5本。
曾获北京气象学会中青年优秀气象科技论文三等奖，大气物理研究所“学笃风正奖”全国青年大气科学研讨
会优秀论文奖，中国农业科学院科学技术成果一等奖，国家环保总局环境保护科学技术奖三等奖。
目前承担的科研项目有：大气—植被统一辐射参加化方案的研究，中国区域特色的新型陆面过程模型—CNLSM的研制，未来30-50年人为增暖地区分类气候变化趋势模拟等。
研究方向：气候模拟、气候变化、陆面过程。
陆面过程模式的研究进展简介
陆面过程模式的研究进展简介汪薇;张瑛【摘要】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.【期刊名称】《气象与减灾研究》【年(卷),期】2010(033)003【总页数】6页(P1-6)【关键词】陆面过程模式;参数化;大气环流模式;数值预报【作者】汪薇;张瑛【作者单位】江西省气象局,江西南昌330046;江西省气象台,江西南昌330046;中国气象局武汉暴雨研究所,湖北武汉430074【正文语种】中文【中图分类】P461陆面过程（Land Surface Processes，LSPs）是影响大气环流和气候变化的基本物理、生化过程之一，在大气—陆面下垫面的研究中扮演着重要的角色，其主要研究陆地下垫面一侧与大气圈运动密切相关的所有过程。
虽然陆面过程很早就被气象学家所认知，但是直到1978年Deardorff［1］在他的模式中才提及陆面过程的特性，因此陆面过程对天气和气候变化影响的重要性还是在近几十年被进一步认识［2-4］。
特别是近几十年来随着对全球气候变化和气候异常的重视程度的增加，陆面过程研究已经成为当代气候系统和天气研究的热点之一。
另外，一些国际间的外场观测及实验（如HAPEX、FIFE以及在中国黑河流域进行的HEIFE实验）的顺利进行，也推动了陆面物理过程机理及模式发展研究。
通过多年的研究，科学家们针对不均匀的陆地下垫面如何影响气候系统［5］，土壤湿度对气候系统的响应［6-7］，不均匀及不断变化的地表对气候系统的响应［8-9］，植被的生物物理过程对气候系统的响应［10-11］等问题，开展了大量的研究，并在相关的研究领域取得一定的进展［12-17］。
经典课件：边界层理论与陆面过程
大气科学学院2011级硕士研究生课程
边界层理论与陆面过程
主讲：陈海山教授
边界层理论与陆面过程
.
1
Chen Haishan
2011
Nanjing University Of Information Science & Techno
Chen Haishan
2011
Nanjing University Of Information Science & Technology
大气边界层湍流： （1）机械湍流：风切变，机械运动 （2）热力湍流：辐射特性的差异 白天：不稳定 夜间： 稳 定
.
边界层理论与陆面过程
Nanjing University Of Information Science & Technology
边界层结构明显的日变化
.
边界层理论与陆面过程
15
Chen Haishan
2011
Nanjing University Of Information Science & Technology
Cambridge University Press
赵 鸣等 《边界层气象学教程》 气象出版社
1991
蒋维楣等 《边界层气象学基础》 南京大学出版社 1994
赵 鸣 《大气边界层动力学》 气象出版社
2004
边界层理论与陆面过程
.
6
Chen Haishan
2011
Nanjing University Of Information Science & Technology
不同陆面过程及边界层参数化方案的城市边界层模拟实验
不同陆面过程及边界层参数化方案的城市边界层模拟实验谭冶冰
【期刊名称】《咸阳师范学院学报》
【年(卷),期】2010(25)2
【摘要】利用中尺度数值预报模式WRFV2.2.1,选用两种边界层参数化方案(YSU,MYJ)结合两种陆面过程方案(RUC,Noah),对上海市2008年5月5日00:00-2008年5月7日00:00(北京时)进行了边界层的模拟.并将模拟结果和VAISALA 公司的云高仪所测边界层高度进行对比.
【总页数】6页(P56-61)
【作者】谭冶冰
【作者单位】华东师范大学,资源与环境学院,上海,200062
【正文语种】中文
【中图分类】P409
【相关文献】
1.不同边界层参数化方案对天津一次海陆风过程模拟对比分析 [J], 秦宇焘;蒋立辉;王智
2.两种边界层参数化方案和下垫面信息对一次暴雨过程模拟的影响 [J], 马艳;陈尚;董海鹰
3.不同边界层和陆面过程参数化方案对比分析 [J], 屠妮妮;何光碧;张利红
4.不同的边界层参数化方案对江淮一次暴雨过程数值试验研究 [J], 周彦均;高志球;濮梅娟;李煜斌
5.不同边界层参数化方案和陆面过程参数化方案对一次梅雨锋暴雨显式对流模拟的影响分析 [J], 陈杨瑞雪;罗亚丽
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陆面过程中积雪表面反照率参数化方案的改进与应用
陆面过程中积雪表面反照率参数化方案的改进与应用积雪在陆面过程中对气象、水文和自然环境具有重要影响。
由于远距离卫星遥感的发展，积雪的检测和监测的精度可以大大提高。
但是，由于积雪表面反照率的多变性，影响积雪监测的精度和准确性。
因此，研究开发积雪表面反照率参数化方案具有重要意义。
针对积雪表面反照率参数化方案目前存在的不足，我们将改进和应用针对中国地区天气预报模式陆面过程中积雪表面反照率参数化方案。
首先，我们通过不同天气条件统计了多种积雪表面反照率的观测数据，以评估空间变异性和各类气象因子的影响，进而探究气象因子对积雪表面反照率的影响机制。
其次，我们筛选了有效的积雪物理参数，如湿度、积雪深度、表面粗糙度等，并运用非线性回归模型建立了基于环境参数的积雪表面反照率参数化模式，使其能够准确反映多种天气条件下积雪表面反照率的变化规律。
最后，对该参数化方案进行了模拟试验，证实该方案对空间分布和时间变化的积雪表面反照率具有较高的准确性，具有较高的可操作性。
基于以上研究，我们改进和应用了针对中国地区天气预报模式陆面过程中积雪表面反照率参数化方案，该方案满足了准确性和可操作性要求，可以有效检测和监测陆面积雪，为下一步积雪预报及其影响环境系统提供重要依据。
积雪在陆面过程中具有重要影响，积雪表面反照率作为一种重要的参数也是研究和监测积雪的重要因素之一。
本文针对中国地区天气预报模式陆面过程中积雪表面反照率参数化方案，通过评估多种积雪表面反照率的观测数据，筛选有效的积雪表面反照率参数，建立基于环境参数的积雪表面反照率参数化模式，并进行了模拟试验。
研究结果表明，该参数化方案能够准确反映多种天气条件下积雪表面反照率的变化规律，对空间分布和时间变化具有较高的准确性，并具有较高的可操作性。
该参数化方案可以有效检测和监测积雪，为积雪预报及其影响环境系统提供重要依据，具有重要的理论及应用意义。
同时，参数化方案存在一定的局限性，未来研究需要重点解决以下问题：首先，参数化方案未考虑积雪表面明度，在积雪表面覆盖率超过50%时，其模拟结果可能出现误差；其次，参数化模式尚未考虑积雪未熔化部分的反照率，可能无法准确反映积雪表面的复杂特征；最后，参数化模式未涉及到积雪颗粒和大气全息效应等因素，参数化模式的准确性仍有待提高。
沙漠陆面过程与沙漠小气候研究进展
沙漠陆面过程与沙漠小气候研究进展霍文;何清;金莉莉;王囝囝;慕文玲;杨帆;杨兴华;刘永强;艾力·买买提明;刘新春【摘要】The land surface process is one of the basic physical and biochemical processes that affects the atmospheric circulation and climate change. The desert land surface processes and its corresponding regional climate effect have gradually become a hot issue in desert meteorology field. In recent years, important progress has been made in the field observation of desert land surface process, characteristics of land surface process and parameterization, land surface process simulation, regional climate effect and the influence of land surface process on regional climate. In this paper, the desert microclimate, desert land surface processes and the parameterization were introduced briefly. Also emphasis on summarizing achievements of the desert climate investigation, desert boundary layer height, desert thermal circulation, oasis effect, climate characteristics of the Taklimakan desert, field observations of desert land surface process, the influence of desert land surface processes on climate, desert land surface parameterization schemes at home and abroad. Moreover, the observational facts and the results of simulation experiments which was got by using observation equipment and numerical model on climatic effects and land surface process was reviewed in recent years. Besides, the influence of parameterization of land surface process on simulation and the future research direction was discussed.%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。
不同陆面过程参数化方案模拟效果评估
不同陆面过程参数化方案模拟效果评估谢菲;何宏让;张云【期刊名称】《安徽农业科学》【年(卷),期】2016(000)009【摘要】[目的]模拟南京及其周边一次区域雾天气过程变化过程.[方法]利用2013年12月6日NCEP 1°×1°再分析资料为初始场,采用WRF模式对陆面过程参数化方案进行了敏感性数值试验,利用相关系数、平均偏差、平均绝对偏差、观测值的标准偏差、模拟值的标准偏差等对各参数化方案下的物理量的模拟效果进行评估,并与南京站的地面常规观测资料进行对比.[结果]不同陆面过程参数化方案对大雾天气过程的模拟结果是敏感的,不同的参数化方案模拟的地面温湿风存在较大差异,其中SLAB方案模拟结果可信度最高,偏差范围最小,且各变量的偏差均呈现正态分布状态.[结论]此次大雾过程中相对湿度、温度露点差、地面温度等变量的模拟效果较好,可将其作为判别指标,为后期提高雾过程预报准确率提供依据.【总页数】7页(P210-215,220)【作者】谢菲;何宏让;张云【作者单位】解放军理工大学气象海洋学院,江苏南京211101;解放军理工大学气象海洋学院,江苏南京211101;解放军理工大学气象海洋学院,江苏南京211101【正文语种】中文【中图分类】S16【相关文献】1.不同陆面过程及边界层参数化方案的城市边界层模拟实验 [J], 谭冶冰2.陆面过程模式CoLM和NCAR_CLM3.0对中国典型森林生态系统陆气相互作用的模拟Ⅱ.不同参数化方案对模拟结果的影响 [J], 宋耀明;郭维栋;张耀存3.基于不同陆面参数化方案的降温过程数值模拟 [J], 马伟4.根系吸水过程参数化方案对青藏高原陆面过程模拟的影响研究 [J], 马湘宜; 张宇; 吴统文; 宋敏红; 王少影5.不同边界层参数化方案和陆面过程参数化方案对一次梅雨锋暴雨显式对流模拟的影响分析 [J], 陈杨瑞雪;罗亚丽因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
不同边界层和陆面过程参数化方案对比分析
不同边界层和陆面过程参数化方案对比分析
屠妮妮;何光碧;张利红
【期刊名称】《高原山地气象研究》
【年(卷),期】2012(032)003
【摘要】利用WRF模式选用不同的边界层参数化方案(YSU、MRF)结合三种陆面过程方案(RUC、SLAB、Noah),模拟了2011年5月1～3日的四川东部暴雨过程,对不同参数化方案结合不同陆面过程结果进行对比试验基础上发现,模式对24h降水落区及强度有较强预报能力,但对单站小时降水分布的预报能力还需改进；不同
边界层方案与陆面过程的对比试验说明降水对于边界层物理过程有一定敏感性,各
试验的差异主要体现在对暴雨中心雨强以及降水峰值强度和峰值出现时段的预报上；WRF模式基本上能够模拟出边界层要素日变化特征.
【总页数】8页(P1-8)
【作者】屠妮妮;何光碧;张利红
【作者单位】中国气象局成都高原气象研究所,成都 610072;中国气象局成都高原
气象研究所,成都 610072;中国气象局成都高原气象研究所,成都 610072
【正文语种】中文
【中图分类】P456.7
【相关文献】
1.不同边界层参数化方案对天津一次海陆风过程模拟对比分析 [J], 秦宇焘;蒋立辉;王智
2.不同陆面过程及边界层参数化方案的城市边界层模拟实验 [J], 谭冶冰
3.陆面过程模式CoLM和NCAR_CLM3.0对中国典型森林生态系统陆气相互作用的模拟Ⅱ.不同参数化方案对模拟结果的影响 [J], 宋耀明;郭维栋;张耀存
4.基于不同陆面参数化方案的降温过程数值模拟 [J], 马伟
5.不同边界层参数化方案和陆面过程参数化方案对一次梅雨锋暴雨显式对流模拟的影响分析 [J], 陈杨瑞雪;罗亚丽
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陆面过程模式研发中的问题
年 第 卷 第 期 !"!" # $% # & !%%!%)
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陆面过程模式研发中的问题
作者简介!戴永久"中国科学院院士"教 育部#长江学者$特聘教授%中山大学教 授* 现担任中国气象学会数值预报专业 委员 会 和 城 市 气 象 专 业 委 员 会 委 员%
生了巨大的影响* 准确描述陆面物理%化学%生物过程"准确计算陆面
状态以及陆!气%陆!海界面的物质和能量交换通量"对天气 %气候数值
预报预测业务"以及充分理解全球变化所带来的水安全%粮食安全%生
态环境恶化等问题的形成机制"制定相应的对策"具有重要的科学和
社会意义*
陆面过程是指发生在陆地表层的所有物理%化学%生物过程"及其
联系人 !
" G!B2A3! &2AP.- + B2A3+4P40 +=&0 +,-
收稿 接受 !"!"!"&!"% "!"!"!"&!&%
国家 重 点 研 发 计 划 项 目 ( !"&*WOD"-"$%""-
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目 ( $&*%"'-!)
戴永久!
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沙漠绿洲陆面物理过程和地气相互作用数值模拟
中国科学 D 辑 地球科学 2006, 36 (11): 1037~1043 1037沙漠绿洲陆面物理过程和地气相互作用数值模拟*刘树华①②**刘和平①②胡 予①②张称意② 梁福明①②王建华①②(① 北京大学物理学院大气科学系, 北京 100871; ② 国家气候中心中国气象局气候研究开放实验室, 北京 100081)摘要 利用一个已发展的陆面物理过程参数化方案与大气边界层数值模式耦合, 模拟了半干旱区沙漠绿洲非均匀下垫面的陆面物理过程及其与大气边界层的相互作用过程, 成功地模拟了局地气候效应和地表温度、净辐射、感热和潜热通量特征并与实测资料进行了比较. 给出“绿洲效应”这一自然现象的垂直剖面上更为清晰准确和细致的结构特征, 结果表明: “绿洲效应”具有明显的“冷岛效应”和“湿岛效应”; 它表现为在绿洲区域比戈壁沙漠区域环境温度低、湿度大、湍流动能输送弱, 具有下沉气流而导致与周围戈壁沙漠区域产生水平输送环流. 这些结果对于深入了解绿洲气候的形成和绿洲的维持机理具有重要的意义.关键词 沙漠-绿洲 陆面物理过程 陆-气相互作用 绿洲效应 数值模拟收稿日期: 2005-11-30; 接受日期: 2006-03-23* 中国气象局气候变化专项经费(批准号: CCSF-2005-2-QH29, CCSF2006-38)、高等学校博士学科点专项科研基金(批准号: 20050001030)和国家自然科学基金(批准号: 40275004)资助项目 ** E-mail: ***************.cn陆面过程(Land Surface Process LSP)是指发生在地表与大气之间水分、热量、动量及CO 2等的交换过程, 包括地面上的热力过程、水文过程和生物过程, 地气间的能量和物质交换以及地面以下土壤中的热传导和水热输送过程. 发生在地表附近的这些交换过程, 进而与大气边界层过程耦合, 实现自由大气和低层大气间的能量和物质交换, 这一过程直接影响着大气边界层和区域气候的形成. 在干旱半干旱地区, 由于绿洲与戈壁、沙漠下垫面土壤、植被分布特征的不同, 导致了陆面过程中地表热量、动量及能量收支平衡的差异, 并在地气相互作用下形成了一种特有的区域气候特征, “这就是绿洲效应”. 而分析认识绿洲区域气候效应的自然规律, 对当代绿洲的开发、利用和保护, 对控制与改善生存环境具有重要而深远的意义. “绿洲效应”既是一种区域气候特征, 也是一种区域环境生态特征, 它在绿洲系统自我维持过程中发挥着比较重要的作用. 为了研究这一自然现象, 揭开千百万年来绿洲在干旱环境中的存在延1038中国科学D辑地球科学第36卷续及与戈壁、沙漠相互作用之谜, 近年来无论在野外观测[1~4]还是数值模拟[5~11]方面已有许多的研究. 本文在陆面植被过程研究[12,13], 简单生物圈模式(SiB)[10,14]、简单生物圈改进模式(SiB2)[15]和应用于全球气候模式研究的简单生物圈模式SSIB[16]研究的基础上, 发展了更为完善简洁的陆面物理过程参数化方案, 并与大气边界层数值模式耦合[17~20],模拟了干旱半干旱区绿洲、戈壁和沙漠非均匀下垫面的陆面物理及其与大气相互作用过程. 模拟结果弥补了实际观测在空间尺度和时间上的难点和缺陷, 给出了干旱半干旱地区陆面物理过程要素的模拟和实测值的比较及“绿洲效应”这一自然现象的区域垂直剖面上更为清晰和细致的结构特征. 为人们深入认识干旱半干旱区气候的形成等重要科学问题提供参考.1 模式1.1 陆面物理过程和大气边界层模式陆面物理过程模式及其参数化方案见参考文献[9~16], 大气边界层模式方程组及其参数化见参考文献[17~20]. 模式模拟沙漠、戈壁和绿洲区域的初始风速廓线、初始位温廓线、初始比湿廓线是根据1991年8月夏季HEIFE(黑河实验)IOP-2观测中绿洲(小屯)和戈壁(化音)的月平均资料作了近似拟合给出的, 基本与实际观测资料吻合, 并参考了文献[1~4, 20], 以符合典型戈壁绿洲区域的小气候和大气边界层特征为原则. 初始湍流动能是根据实际观测数据经验给出的, 具体详见参考文献[20].1.2 模式模拟区域、格点设置及数据处理方法1.2.1 模式模拟区域、格点设置本模式的二维版本模拟的是一个水平尺度100 km, 计算范围在水平方向上分为100个格点, 格距1 km, 编号I＝31~70格点范围表示绿洲, 1~30, 71~100表示戈壁. 也就是尺度40 km的绿洲位于模拟区域的中央, 戈壁在两边对称分布. 模拟高度为4 km的空间区域, 垂直高度分布为: 0, 10, 20, 50, 80, 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500, 750, 1000, 1250, 1500, 2000, 2500, 3000和4000m. 时间区间为06时至21时(本文时间均取北京时间).三维版本除假设水平空间尺度是100 km × 100 km 的地区外, 其他设定与二维版本相同. 垂直方向上虽然模式采用地形追随坐标, 但本文中并不考虑地形因素, 垂直方向分层与二维版本一致. 2个版本均模拟区域随下垫面不同, 其物理参数也不同. 模拟区域地理纬度取黑河地区地理纬度39.2°.1.2.2 数据处理方法差分格式: 时间上采用向前差, 空间上除平流项采用三阶中央差外, 其他均采用二阶中央差.时间步长: 为了保持差分格式的稳定性, 本模式的积分时间步长为Δt=10s, 在计算时间内结果是稳定的. 模式边界条件和初始条件的设置详见参考文献[20].数据稳定性: 由于初始湍流动能是根据绿洲和戈壁近地面层实际观测资料进行假设外推到各垂直网格点上的, 在积分过程中, 能量会逐渐与风、温场匹配, 并趋于稳定. 因此在积分初始阶段的 1 h内, 积分结果是不完全可靠的. 另外, 由于边界效应, 在边界格点上的数据也不可靠. 其他时间和格点上的计算结果是稳定的, 因而我们在后面的模拟试验结果讨论中将只取可靠时间和格点上的数据结果.陆面过程主要参数赋值: 陆面物理过程参数化方案中绿洲、戈壁土壤特性参数(地表体含水量、土壤日平均体含水量、土壤饱和体含水量、植物枯萎点土壤体含水量及其他土壤类型参数)和植被参数(叶面积指数、植被覆盖率、粗糙度、反照率和比辐射率等)参见文献[5,12,13,20].2 结果与讨论2.1 黑河地区非均匀地表地温和能量通量的数值模拟为了更好地比较检验模拟结果, 在陆面物理过程参数化数值模式的模拟中, 应用了黑河实验(HEIFE)绿洲站(张掖)和沙漠站的地表温度和温度、湿度、风速边界层廓线梯度、感热、潜热及辐射观测资料, 作为实测数据与模拟结果的对比资料.1991年8月14~15日天气晴朗, 整个黑河实验第11期刘树华等: 沙漠绿洲陆面物理过程和地气相互作用数值模拟1039(HEIFE)区没有明显的天气系统入境, 因而相应的实验观测数据资料代表性比较好. 所以, 数值模拟对比实验选择从8月14日8: 00(北京时间, 下同)开始, 到15日8: 00结束, 积分时间为24 h. 而陆面过程模式相应时间的模拟结果与边界层模式相耦合.由于主要目的只是检验陆面过程模式的性能与稳定性, 而实际观测数据量又有限, 同时为了简化运算复杂性, 所以整个耦合模式采用了较为简单而又适合的2-D版本, 同时模拟域和初始条件和边界条件的说明在前面已提及, 此处略去不再介绍.2.1.1 地表温度模拟结果与实测的比较图1给出了地表温度变化的模拟结果与观测结果的比较. 由于在实际的观测数据中, 没有真正的实测地表温度, 而是4个不同深度的土壤温度的测量值, 因而此处的实测地表温度, 是由5与10 cm地温观测数据根据热传导方程计算得出. 从图中, 可以看出模拟结果与观测结果两者之间具有较好的一致性. 其中, 绿洲地表温度的模拟结果与观测结果符合得较好, 两条曲线的重合度比较高, 数据分析表明模拟与实测的平均误差约为0.3 K; 而沙漠地表温度的模拟结果与观测结果符合得相对较差, 在整个时次(特别是后半段)上, 模拟结果的地表温度比观测结果的平均高约1 K左右, 数据分析表明模拟与实测的平均误差约为0.7 K. 造成沙漠下垫面地表温度模拟误差较大的原因最大可能是模式中忽略了沙漠(戈壁)中沙生图 1 绿洲和沙漠地表温度模拟结果与观测结果的比较T oo和T do分别表示绿洲和沙漠上实测地表温度，T os和T ds分别表示绿洲和沙漠上的模拟值植物的存在, 在陆面过程参数化中仅仅考虑了沙漠(戈壁)极端干旱的情况, 即假设沙漠(戈壁)下垫面上的植被覆盖度和叶面积指数均为零, 而这是与实际不太相符合的. 不过从整体看来, 本陆面过程模式对于地表温度的模拟性能还是比较理想的.2.1.2 能量通量模拟结果与实测的比较模拟的绿洲(图2(a))和沙漠下垫面(图2(b))地表净辐射通量与实测的比较如图2(a),(b) 所示, 从图中可以看到, 模拟的绿洲(图2(a))和沙漠下垫面(图2(b))净辐射通量值与观测值均较接近, 不过在12:00~ 15:00较观测值小, 而在夜间22:00~6:00较观测值大. 这是本陆面物理过程模式值得进一步改进和完善的地方. 但无论是绿洲还是沙漠下垫面, 模拟的净辐射通量日变化规律均与实际状况较一致, 净辐射通量的峰值都出现在13: 00~14: 00之间. 整体看来, 模式对黑河实验(HEIFE)区非均匀下垫面上净辐射通量的模拟与实况基本相一致, 比较符合实际观测规律.图 2 绿洲(a)和沙漠(b)下垫面上净辐射通量模拟结果与观测结果的比较R oo和R do分别表示绿洲和沙漠上的实测值，R os和R ds分别表示绿洲和沙漠上的模拟值1040中国科学D辑地球科学第36卷模拟的绿洲(图3(a))和沙漠下垫面(图3)(b))感热通量与实测的比较如图3(a),(b) 所示, 从图中可以看出虽然模拟的日变化规律与实测都较一致, 特别是较好地模拟出了绿洲夜间出现的负感热通量现象, 但是从数值上比较, 模拟值和实测值的差距都较大, 尤其是对绿洲上(图3(a))的模拟尤为明显, 相对误差比较大. 造成模拟的感热通量大于实测值的原因可能是湍流通量的实际观测高度约为 3 m,代表的是距地表约3 m左右近地面层大气的感热通量, 而数值模拟结果代表的却是贴地表层的平均值, 两者之间由于湍流尺度问题必然存在着一定的差异.图3 绿洲(a)和沙漠(b)下垫面上感热通量模拟结果与观测结果的比较H oo和H do分别表示绿洲和沙漠上的实测值, H os和H ds分别表示绿洲和沙漠上的模拟值模拟的绿洲(图4(a))和沙漠下垫面(图4(b))潜热通量与实测的比较如图4(a),(b) 所示, 从图中可以看出绿洲下垫面(图4(a))上模拟的潜热通量与实测值的一致性比较好, 而沙漠下垫面(图4(b))上模拟的潜热通量与实测值的一致性则较差, 模拟值明显小于实测值. 不过, 无论是绿洲(图4(a))还是沙漠下垫面(图4(b)), 模拟的潜热通量的日变化规律均与实际比较图4 绿洲(a)和沙漠(b)下垫面上潜热通量模拟结果与观测结果的比较L oo和L do分别表示绿洲和沙漠上的实测值, L os和L ds分别表示绿洲和沙漠上的模拟值吻合. 对于造成沙漠下垫面(图4(b))潜热通量模拟值小于实测值的主要原因可能有以下两点:(1)实际的沙漠站距离绿洲站只有大约 3 km, 这使得实际的通量观测不可避免地会受到附近绿洲的一定影响, 从而使得观测到的潜热通量值偏大; (2)根据实际资料表明, 在8月13日, 黑河地区发生了一次降水量为2.8 mm 的降水过程, 这会使得模式中的土壤参数选取与实际差异较大, 而且虽然降水不多, 但是由于降水对沙漠下垫面的地表湿度影响较大, 所以造成了14日沙漠上潜热通量相比通常情况下的一定程度增大.为了更好的比较沙漠和绿洲下垫面陆面物理过程模式模拟与实测结果的误差, 表1给出了绿洲和沙漠日平均地表能量模拟与实测的比较结果, 从表1中我们可以看到模式存在的最大不足是反映在绿洲上感热的模拟和沙漠上潜热的模拟. 造成这样结果的可能原因很多, 一方面与模式参数化方案和参数选择的合理性有关, 也与应用比较的实际观测个例数据的准确度相关. 这些问题都值得进一步的研究, 以第11期刘树华等: 沙漠绿洲陆面物理过程和地气相互作用数值模拟1041表 1 绿洲和沙漠日平均地表能量模拟与实测比较绿洲沙漠日平均/W·m−2净辐射感热潜热净辐射感热潜热模拟值206.3 47.8 118.9 176.6 76.4 22.1 实测值253.7 28.1 111.2 193.3 62.7 37.8 相对误差/% −18.7 70.1 6.9 −8.6 21.9 −41.5更好地完善模式, 不过从整体而言, 本陆面物理过程模式已经能较好地模拟干旱、半干旱地区的陆面物理过程. 为进一步进行干旱半干旱地区非均匀下垫面陆气相互作用和绿洲效应的数值模拟打下了基础.2.2 黑河地区非均匀下垫面陆气相互作用和绿洲效应的数值模拟为了检验本模式的2-D和3-D版本在地气相互作用方面的模拟性能, 进行2个版本在相似下垫面特征和初始场条件下的数值模拟结果的比较, 以检验在相同的陆面过程参数化方案下, 不同维数版本模式的模拟结果所反映的规律是否类似, 以证明整个耦合模式的有效合理性. 通过对比发现, 2-D模式模拟和3-D模式模拟的结果十分接近, 毕竟是基于相同的陆面过程参数化方案, 只是动力学框架有所不同而已. 但是还是可以发现2-D模式所反映的“绿洲效应”似乎略强于3-D模式的结果. 此外, 对比了大气运动场和湍流动能的模拟结果中, 同样反映了相似的规律, 不过从理论上也不难分析出, 由于动力学框架的优劣差异, 3-D模式所反映的大气运动场和湍流动能的模拟结果要优于2-D模式的结果, 这里由于篇幅所限, 不再详细讨论和比较. 比较结果详见参考文献[20]. 下面进行绿洲效应数值模拟结果的讨论, 其中气温和比湿的模拟结果采用了2-D模式的模拟结果, 而大气运动场和湍流动能的模拟结果采用了3-D模式的结果(由于模拟域和初始场设置的对称性, 东西和南北剖面结果完全类似, 所以任取了其中的南北剖面).在区域气候中, 绿洲效应最显著的特点是“冷岛效应”. 图5给出了一个较为清晰的气温垂直空间分布结构, 从中可以清楚地看到这一现象. 在“冷岛效应”最为明显的午后(13: 00)时分, 在大约400~500 m 以下, 同一高度上, 戈壁上空气温高于绿洲上空气温, 并且越近地面越明显, 在高度200 m以下表现最为明显. 而在高度800~1000 m以上, 绿洲和戈壁上空同一高度上气温温差基本完全消失. 而研究7~19时次的所有模拟气温资料, 还可以发现大约10~30 m高度以下, 绿洲气温在整个时次上都低于戈壁气温, 而从大约50 m开始, 只有部分时次戈壁气温高于绿洲, 越向上戈壁气温高于绿洲的时次越少, 在大约200 m 高度以上温差在绝大部分时次上已经很不明显.图5 13: 00气温垂直剖面图(单位: K)与此对应的, 图6(a)和图6(b)分别反映了绿洲效应中的“湿岛效应”和“逆湿”现象. 从图6(a)中可以清楚地看到, 在湿岛效应较强的午后时分, 在400~500 m以下“湿岛效应”十分明显, 同一高度上绿洲比湿明显大于戈壁, 在这一高度以上, 绿洲戈壁比湿接近, 不过“湿岛效应”影响依然存在, 一直延续到1000 m左右. 就整个边界层而言, 比湿随高度递减. 从6(b)中能看出, 靠近绿洲的戈壁(图6(a)中对应85 km处)的近地面层, 大约从0~150m, 比湿随高度增加反而增加. 形成这一现象的原因可能是绿洲的下沉气流, 将较湿的空气从低层大气向两边戈壁荒漠输送的结果. 模拟的“逆湿”现象产生的大致高度范围与黑河地区IOP2(1991年10月11~12日)观测中在戈壁站观测的湿度廓线[21]相吻合. 为了验证这一现象, 下面给出模拟的水平和垂直风速场的剖面图.1042中国科学D辑地球科学第36卷图 6 13: 00(BT)比湿垂直剖面图 (a)和戈壁中临近绿洲的格点上空比湿廓线图 (b)(单位: g/kg)从图7(a)水平风速u和图7(b)垂直速度w的空间垂直剖面图中, 可以清楚地看到中尺度运动, 绿洲-戈壁之间热力环流的存在. 从u剖面图(图7(a))中可以看到, 在0~500 m高度上, 明显存在着由绿洲向戈壁的大气辐散运动, 环流最大水平风速达到4 m·s−1以上,而在1000 m左右高度则存在着由戈壁向绿洲的大气辐合运动, 这一高度水平风速最大也达到了2 m·s−1以上. 相对应的在w剖面图(图7(b))中就可以看到,在戈壁上空存在着上升气流, 而绿洲上空则存在着下降气流, 并且上升气流速度明显大于下降气流速度.图8是湍流动能的垂直剖面图. 从图8中可以清楚地看到, 在戈壁和绿洲上空都明显存在着湍流动能的中心, 在这些区域, 大气无规则运动十分强烈,其中绿洲上空300 m左右和戈壁上空500 m左右都存在很强的湍流动能中心. 而整体看来, 戈壁上空的湍流动能明显强于绿洲上空的湍流动能, 这反映了绿图7 13: 00(BT)大气运动场垂直剖面图(a) u(单: m/s); (b) w(单位: cm/s)图 8 13: 00湍流动能垂直剖面图(单位: m/s2)洲上空与戈壁相比, 湍流运动较弱, 相对“安静”一些,这正体现了植被状况对于大气稳定度的影响.3 结论与讨论本文利用一个已发展的陆面物理过程参数化方第11期刘树华等: 沙漠绿洲陆面物理过程和地气相互作用数值模拟 10438.Xue J K, Hu Y Q. Numerical simulation of oa-sis-desert interaction. Progr Nat Sci, 2001, 11(9): 675—681案与大气边界层数值模式耦合, 模拟了沙漠-绿洲陆面物理过程, 戈壁-绿洲陆-气相互作用和“绿洲效应”. 陆面物理过程参数化模式能较合理地模拟沙漠和绿洲地表温度、净辐射、感热和潜热通量, 并与大气边界层模式耦合, 模拟出了戈壁-绿洲陆-气相互作用过程和“绿洲效应”这一自然现象的垂直剖面上更为清晰、准确和细致的结构特征.9. Liu S H, Wen P H, Zhang Y Y, et al. Sensitivity tests of interac-tion between land surface physical process and atmospheric boundary layer. Acta Meteor Sin, 2002, 16(4): 451—46910. Liu S H, Liu H P, Li S, et al. A modified SiB model of bio-sphere-atmosphere transfer scheme. J Desert Res, 1998, 18(4): 7—16模拟的结果与观测结论相吻合, 即“绿洲效应” 具有明显的“冷岛效应”和“湿岛效应”; 它表现为在绿洲区域比戈壁沙漠区域大气环境温度低、湿度大、湍流动能输送弱; 绿洲的下沉气流, 将绿洲较湿的空气从低层大气向两边戈壁荒漠输送, 形成“逆湿”现象; 另外, 绿洲下沉气流导致与周围戈壁沙漠区域产生水平输送环流. 模拟结果证明了本模式的有效合理性, 也弥补了实际观测在时间和空间尺度上的难点和缺陷, 对于深入了解绿洲气候的形成和绿洲的维持机理具有重要的意义. 此外, 绿洲尺度对沙漠-绿洲陆-气相互作用的影响和“绿洲效应”的形成、绿洲的维持机理、绿洲维持与气象、环境和生态因子之间的关系及影响绿洲效应的内外因子等将在另一篇文章中介绍.11. 刘树华, 李新荣, 刘立超, 等．陆面过程参数化的研究．中国沙漠, 2001, 21(3): 303—31112. Deardorff J W. Efficient prediction of ground surface tempera-ture and moisture with inclusion of a layer of vegetation. J Geophy Res, 1978, 83: 1889—190313. Noilhan J, Planton S. A simple parameterization of land surfaceprocesses for meteorological models. Mont Weather Rev, 1989, 117: 536—549[DOI]14. Sellers P J, Mintz Y, Sud Y C, et al. A simple biosphere model(SiB) for use within general circulation models. J Atmos Sci, 1986, 43:505—531[DOI]15. Sellers P J, Randall D A, Collatz G J, et al. A revised land sur-face parameterization (SiB2) for atmospheric GCMs. part Ⅰ: model formulation. J Climate, 1996, 9: 676—705[DOI] 16. Xue Y, Sellers P J, Kinter J L, et al. A simplified biospheremodel for global climate studies. J Climate, 1991, 4: 345—364[DOI]17. Liu S H, Huang Z C, Liu L C. Numerical simulation of the in-fluence of vegetation cover factor on boundary layer climate insemi-arid region. Acta Meteorol Sinica, 1997, 11(1): 66—78参 考 文 献18.Liu S H, Yue X, Hu F, et al. Using a ModifiedSoil-Plant-Atmos- phere Scheme (MSPAS) to simulate the in-teraction between land surface processes and atmospheric boundary layer in semi-arid regions. Adv Atmos Sci, 2004,21(2): 245—2591. 胡隐樵, 高由禧, 王介民, 等. 黑河实验(HEIFE)的一些研究成果. 高原气象, 1994, 13(3): 225—2362. 王介民．陆面过程实验和地气相互作用研究: 从HEIFE 到IMGRASS GAME-Tibet/TIPEX. 高原气象, 1999, 18(3): 280—29419. Liu S H, Yue X, Liu H Z, et al. Sensitivity tests of a ModifiedSoil-Plant-Atmosphere Scheme (MSPAS) to simulate land sur-face physical processes and regional climate effect in semi-arid region. Adv Atmos Sci , 2004, 21(5): 717—729 3. 苏从先, 胡隐樵, 张永丰, 等．河西地区绿洲小气候特征和冷岛效应．大气科学, 1987, 11(3): 390—3964. 胡隐樵, 奇跃进, 杨选利．河西戈壁(化音)小气候和热量平衡特征的初步分析．高原气象, 1992, 9(2): 113—11920. 刘树华, 胡予, 梁福明, 等. 沙漠-绿洲陆-气相互作用和绿洲效应的数值模拟. 地球物理学报, 2005, 48(5): 51—59 Wang Q, Zhou P, Wang B, et al. Evaluation and analysis on the teth-ersonde data in HEIFE. Proceedings of International Symposium on HEIFE, Kyoto University, Kyoto, Japan,1993. 322—3305. 阎宇平, 王介民, Menenti M, 等．黑河地区绿洲-沙漠环流的数值模拟研究．高原气象, 2001, 20(4): 435—4406. 高艳红, 吕世华．非均匀下垫面局地气候效应的数值模拟．高原气象, 2001, 20(4): 354—3617. 苗曼倩, 季劲钧．荒漠绿洲边界层结构的数值模拟．大气科学, 1993, 17(1): 77—86。
陆面过程模式的研究进展简介
陆面过程模式的研究进展简介
陆面过程模式是描述陆地表面与大气之间相互作用和相互转化的物理数学模型，主要应用于气候和气象预报、生态系统和环境监测、水资源管理等领域。
以下是关于陆面过程模式研究进展的简介：
1. 模式发展和完善：随着计算机技术和数值模式的不断发展，陆面过程模式逐渐从简单走向复杂，考虑的物理过程越来越多，如土壤水热耦合、植被动态模拟等。
同时，模式也越来越注重与生态、水文、气象等学科的交叉融合，以更好地模拟和预测陆地生态系统中的各种过程。
2. 参数化方案改进：参数化方案是陆面过程模式中的重要组成部分，其目的是将一些难以直接求解的物理过程进行简化描述。
近年来，研究者们不断改进和优化参数化方案，以提高模式的模拟精度和预测能力。
例如，土壤蒸发、植被蒸腾等过程的参数化方案得到了不断改进和完善。
3. 数据同化应用：数据同化是将观测数据与模式进行融合的方法，以提高模式的模拟精度和可靠性。
近年来，数据同化技术在陆面过程模式中得到了广泛应用，如卫星遥感数据、地面观测数据等被广泛应用于模式的数据同化中，以提高模式的预测能力。
4. 人工智能和机器学习应用：人工智能和机器学习技术在陆面过程模式中的应用也得到了越来越多的关注和研究。
例如，利用机器学习算法对陆面过程模式输出的结果进行后处理和误差修正，以提高模式的预测精度和可靠性。
总的来说，陆面过程模式的研究进展在不断推动着相关领域的发展和应用。
随着技术的不断进步和应用需求的不断提高，未来陆面过程模式的研究将会更加深入和广泛。
中国科学院大气物理研究所 陆面过程模式 (IAP94)
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6.1 近地面层中的湍流通量 ............................................................................................................. 57 6.2 裸土和雪盖表面与大气边界层之间的水热交换通量 .............................................................. 59 6.3 植被冠层与大气边界层之间的水热交换通量.......................................................................... 61 6.3.1 风速廓线.............................................................................................................................. 62 6.3.2 植被冠层顶与观测高度之间的水热湍流输运阻抗 .......................................................... 64 6.3.3 植被冠层与地面的水热湍流输运阻抗 .............................................................................. 65 6.3.4 冠层叶面边界层阻抗 .......................................................................................................... 65 6.3.5 气孔阻抗(stomatal resistance) ............................................................................................ 66 6.4 冠层空间空气的水分与热量平衡 ............................................................................................. 67 6.5 表面与观测高度之间的网格平均感热和水汽交换通量 .......................................................... 68 第七章 模式的组装及运行 .......................................................................................................... 69 7.1 模式参数 ..................................................................................................................................... 69 7.2 数值计算流程 ............................................................................................ 70 第八章 总结与讨论(SUMMARY AND DISCUSSION) ....................................................................... 76 附录 A 热量平衡方程的数值解法 .............................................................................................. 77 附录 B：数学符号 ........................................................................................................................ 80 参考文献 ...................................................................................................................................... 87
非均匀下垫面陆面过程参数化问题研究进展
出现 。
１ １ 非均 匀下 垫面 陆面 过程 参数 化方 法 ．
一
个 理 想 的陆面 过程模 式 应真 实客 观地 反映下
目前 处理 陆 面过 程 非均 匀 性 的方 法 主要 有 Ｍｏ ・ ｓｉ法 和统 计一 动 力法 ， 衍生 出一些 其 它 的方 法 ， ａｃ 还
转换 。
关键词 ： 非均匀下垫面 ； 陆面过程 ； 参数 化方法 ； 尺度转换
中图分类号 ：４ ６ ７ Ｐ ５ ． 文献标识码 ： Ａ
引 言
非均 匀下 垫 面 问题 一 直是 困扰 数值 模式 和 遥感
但这 些方 法 均存 在 一 定 的 缺 陷 。同 时 ， 感 与 陆 面 遥
模式相结合 已成 为陆面过程研究 中必不可少 的手
段 。本文 研究 探讨 了非均匀 下 垫 面陆面 过程参 数 化 方法 的研 究 现状 ， 以及 遥感技 术 、Ａ Ｌ Ｓ在非 均匀 下垫 面 陆面过 程 中 的应 用 ， 最后 对 今 后 研 究 可 能 改进 的 方 面提 出 了几点建 议 。 反演技 术 发展 的关 键环 节 。 随着陆 面过 程模 式 的改
进和遥感技术的发展 ， 人们逐渐 提高了对下垫 面的
科 学 描述 能力 ， 而 由于下 垫 面非 均匀性 的影 响 ， 然 对
陆面过程 的描述仍存在很多问题。因为不同地域的
地形 、 地利 用 、 被 和 土壤 属 性 的差 异 ， 至 小 尺 土 植 甚 度局 地 和次 区域气 象 、 文 和 生 态 条件 下 地 气 能量 水 和 水分 交 换 的 差 异 都 会 对 陆 面 过 程 产 生 影 响 … 。 近 ２ ， ０ａ来 由于 对 Ｉ Ｂ Ｇ ＷＥ Ｇ Ｐ， Ｅ Ｘ及 Ｂ Ｈ Ａ Ｃ等 计 划 的重视 和 推 动 ， 于 陆 面 非 均 匀 性 的 研 究 及 其 对 关 陆一 气 相互 作用 的 重 要 影 响 ， 已受 到 越 来 越 多 的 各
陆面过程模型研究进展简介
陆面过程模型研究进展简介
陆面过程模型是地球系统科学中的重要组成部分，它主要用于模拟和预测陆地表面的能量和水分交换过程。
随着气候变化和城市化的影响日益显著，对陆面过程模型的研究和改进变得尤为重要。
本文将简要介绍陆面过程模型研究的最新进展。
首先，近年来陆面过程模型在气候模拟和预测中的应用日益广泛。
通过模拟陆地表面的能量和水分过程，可以更准确地理解气候变化对陆地生态系统的影响，为农业、水资源管理和自然灾害预警提供重要依据。
其次，随着遥感技术和地理信息系统的发展，陆面过程模型的数据输入和验证变得更加精细和全面。
通过卫星遥感数据和地面观测数据，可以更准确地获取陆地表面的地形、土壤类型、植被覆盖等信息，从而提高了陆面过程模型的模拟精度。
此外，对于城市化地区的研究也成为了陆面过程模型研究的热点之一。
城市化对陆地表面能量和水分交换过程产生了显著影响，包括城市热岛效应、雨洪灾害等问题。
因此，针对城市化地区的陆面过程模型研究成为了当前的重要方向。
总的来说，陆面过程模型研究在气候变化、城市化和生态环境保护等方面具有重要意义，其不断的改进和发展将为我们更好地理解和应对地球系统变化提供重要支持。
希望未来陆面过程模型研究能够在更多领域取得突破，为人类社会的可持续发展做出更大的贡献。
多圈层陆面过程参数化研究中遥感信息应用的进展和方向
卫星观测手段处于十分突出的地位 ∀ 随着遥感技术的进一步发展 它在陆面过程研究中 将发挥越来越重要的作用 ∀ 利用多种遥感数据获取陆面参数和空间信息 对陆面过程的 参数化方案进行改进已成为陆面过程研究的热点课题 ∀本文简述遥感信息在陆面过程参 数化的一些进展和应重视的方向 ∀
∂ ≅ ≅ ∂
≈
∞≥ 卫星的 ≤
通道和水汽通道的辐射资料
∗ ≤ 的
大气特性层和特定层上的云导风资料用于同化系统可使数值预报在北美地区提高 数据已经开发了全球面积覆盖
∂
≈
产品
≈
全球植被指数数据
的° 全球 ⁄ ≅ ≈ 间距的地表生物物理量数据集
β网格的地表生物物理数据集
≈
美国地球资源观测系统 ∞ ≥ 间距的土地覆盖类型图≈ 全球 的地表覆盖数据集≈
遥感应用于多圈层陆面过程研究的主要信息源
目前全球主要的卫星系列包括气象 !海洋 !陆地和资源卫星等 ∀ 已发射的气象卫星主 要有美国的 ×
Ξ
≥!
系列卫星 !
∞≥ 前苏联的
∞× ∞
欧洲的
∞× ∞ ≥ ×
本文得到中国科学院知识创新工程重大项目
2 2
≤ ÷ 2≥ • 2
2
国家自然科学基金
科技部 / 西
北地区生态气候环境监测预测方法 0 和教育部留学回国基金 以及中国气象科学研究院博士后基金的资助 ∀ 收到
Ε = ΕΒ( Τ) = Ε # Πηχ
Κ
#
¬ ( χη/ ΚΚΤ) −
( )
式中 Β( Τ)为普朗克函数 η 是普朗克常数 Κ 是 ≅ ≅ 波尔茨曼常数 χ 是光速 ; Κ是观测波长 ∀ 辐射率 Ε 不仅与极化波 !观测波长等观测条件
气候模式中的陆表过程参数化研究的开题报告
气候模式中的陆表过程参数化研究的开题报告题目：气候模式中的陆表过程参数化研究背景：陆表过程是指地球表面各种物理、化学和生物过程与大气相互作用的全过程，包括植被、土壤、冰雪等因素。
气候模式是基于大气、陆表和海洋三个组分的物理方程，模拟大气和地球表面的能量、质量和动量交换的复杂体系。
其中，陆表过程参数化是气候模式中一个重要的环节。
目的：本课题旨在研究气候模式中的陆表过程参数化方法，探究不同参数化方法对模拟结果的影响，以及对未来气候变化的预测模拟的质量提升的作用。
研究内容：1. 建立陆地水文平衡模型，探究不同参数化方法的适用性；2. 对比分析多种不同的植被参数化方案，研究不同植被类型对模拟结果的影响；3. 研究冰雪参数化方法，对比不同参数设置对模拟结果的影响，重点关注北极地区的气候变化和冰雪融化的预测；4. 对比不同大气-陆表耦合方式，研究不同方法对模拟结果的影响；5. 应用参数化方法，研究未来气候变化的模拟预测，分析参数设置对未来预测的影响及可信度。
预期成果：通过本研究，可以获得以下成果：1. 建立完善的陆表过程参数化方案，对气候模式的模拟及气候预测提供支持；2. 为全球变化研究提供重要的模型工具，推动学科发展；3. 为气候政策制定和应对气候变化提供可靠的科学依据。
论文结构：第一章：绪论1.1研究背景1.2研究目的和意义1.3国内外研究现状和发展趋势1.4论文组织结构第二章：气候模式中的陆表过程参数化方法2.1 模式基础原理2.2 模拟陆表过程的参数化方法2.3 相关研究进展第三章：陆地水文平衡模型研究3.1 水文平衡模型原理3.2 水文平衡模型结构3.3 不同参数化方法的对比分析第四章：植被参数化方案的研究4.1 植被参数化方法原理4.2 植被参数化方法分析4.3 模拟结果对比分析第五章：冰雪参数化方法的研究5.1 冰雪参数化方法原理5.2 冰雪参数化方法分析5.3 模拟结果对比分析第六章：大气-陆表耦合方式的研究6.1大气-陆表耦合方式原理6.2 大气-陆表耦合方式分析6.3 模拟结果对比分析第七章：气候模式模拟未来气候变化的预测7.1未来气候变化的数据源和特征7.2预测模拟的方法和过程7.3参数设置对未来预测的影响第八章：结论与展望8.1研究成果总结8.2存在问题与不足8.3未来研究方向和展望参考文献注：此开题报告主要为示范用，具体题目及内容请根据实际情况进行调整和制定。
陆面过程中积雪表面反照率参数化方案的改进与应用
陆面过程中积雪表面反照率参数化方案的改进与应用今天，陆面过程中积雪表面反照率参数化方案的改进与应用成为一个热门的话题。
积雪表面反照率是指在积雪表面上被反射的信号强度，是研究陆面过程能量平衡的重要指标。
它对于极地研究，天气预报和气候变化等有着重要意义。
目前，为了研究积雪表面反照率，人们提出了一种叫做陆面反照率参数化方案的参数化方案。
它可以更好地反映陆面的能量平衡，并且可以更加准确地预测未来的发展趋势。
然而，由于陆面反照率参数化方案的存在，存在一些缺陷，比如在某些特定环境下可能不够准确，这会对陆面过程的研究产生负面影响。
因此，有学者提出了陆面反照率参数化方案的改进方案。
改进方案是在原有参数化方案基础上，重新设计和调整参数，使之更适应现实环境。
首先，针对原有参数化方案中积雪表面参数的简化，改进方案通过引入新的参数和模型，更全面地描述了积雪表面反照率的不同因素，如积雪形状及其影响因子。
此外，改进方案还引入了多种积雪表面反照率模型，如拉曼反照率模型和更新反照率模型，使得参数更加丰富，更符合实际。
此外，改进方案也考虑了各种陆面条件（如大气湿度、雨雪情况等）对积雪表面反照率的影响，并且采用多种方法来模拟和估计这些因素对陆面反照率的影响，这有助于更准确地预测积雪表面反照率。
另外，改进方案还考虑了大气内部因素，如内部湿度和吸收特性的影响，以及外部因素，如植被覆盖度等，以更精确地反映陆面环境的变化。
其次，改进方案也实现了更高的运行效率，这就意味着对于陆面研究，它可以更快地获得合理的结果。
为了实现更高的效率，改进方案采用了分层参数模型和机器学习技术，大大提高了运行效率。
最后，改进方案也可以进行实际应用。
为此，改进方案已经在极地研究、天气预报和气候变化研究等方面取得了良好的效果。
首先，它可以准确地模拟积雪表面反照率的变化，有助于研究冰川及其气候变化的未来走向。
其次，改进方案也可以用于构建积雪表面反照率数据库，可以更好地支持天气预报和气候变化研究。
大气模型中陆面过程参数化方案的改进与评估研究
大气模型中陆面过程参数化方案的改进与评估研究大气模型是表征地球大气环流和气候变化的重要工具，它通过数值方法对大气中的物理和化学过程进行模拟和预测。
陆面过程是大气模型中的一个重要组成部分，它包括土壤水分、植被生长、蒸发散和地表反射等一系列陆地上发生的物理和生态过程。
这些过程对于模拟大气环流和气候变化具有重要影响。
然而，过去的研究发现，大气模型中对陆面过程的参数化方案存在着一定的不足之处，这些不足导致模型的模拟结果与实际观测存在一定的偏差。
因此，改进和评估大气模型中的陆面过程参数化方案是一个具有重要意义的研究课题。
改进大气模型中的陆面过程参数化方案的方法有很多，其中一种方法是基于观测数据对参数进行校正。
研究人员通过对陆地上的土壤水分、植被生长和蒸发散等进行实地观测，获取到了大量的陆面过程观测数据。
这些观测数据可以用来校正大气模型中的陆面过程参数，从而改进模型的模拟结果。
除了校正参数外，改进大气模型中的陆面过程参数化方案还可以采用新的物理机制和数值方法。
例如，传统的参数化方案忽略了土壤中潜热通量的储存效应，导致模型对陆地上的蒸发散过程模拟不准确。
为了改进这一问题，研究人员提出了一种新的参数化方案，考虑了土壤中潜热的储存效应。
通过对比新旧参数化方案的模拟结果，可以评估新方案的改进效果。
评估大气模型中的陆面过程参数化方案同样是至关重要的。
评估可以基于大量的观测数据，比如土壤水分观测数据、植被指数观测数据和地表辐射观测数据等。
研究人员可以将模型模拟结果与观测数据进行对比，通过一系列的统计方法来评估参数化方案的准确性和可靠性。
此外，还可以采用模拟实验的方式来评估大气模型中的陆面过程参数化方案。
研究人员可以设计不同的实验方案，对比不同参数化方案对模拟结果的影响。
通过对比不同实验结果，可以评估参数化方案的改进效果以及不确定性。
在改进和评估大气模型中的陆面过程参数化方案的研究中，也面临着一系列的挑战。
首先，陆地上的物理和生态过程是非常复杂的，参数化方案存在一定的简化和理想化。
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Dai Y, Shangguan W, Liu B, and Coauthors, 2011: A China dataset of soil properties for land surface modeling. (to be submitted to Global Biogeochemical Cycles)
大气模型的尺度
水平网格 • 气候模型 • 全球天气预报模型 • 有限区域天气预报模型 • 云分辨率模型 • 大涡模型 500 km 50 km 10 km 500 m 50 m 垂直网格 1000 m 500 m 500 m 500 m 50 m 时间跨度 100 yrs 10 days 2 days 1 day 5 hours
二、陆面过程的参数化
服务天气预报模型的陆面模型
• 陆-气交换通量： –热 –水 – 辐射
– 动量
• 生物物理的连贯性
• 网格物理量的可量测
• 计算的有效性
服务气候模型的陆面模型
• 除包含天气模型的需求外，还需要：
• 生物地球化学，尤其是，影响大气CO2 的过程
• 土地利用及其变化，即农业
• 植被分布的变化
sand fraction of the topsoil (0-30cm)
clay fraction of the topsoil (0-30cm)
sand fraction of the subsoil (30-100cm).
clay fraction of the subsoil (30- 100cm).
TMS 土壤数据源
• ~9000 土壤 剖面(数字 化全国第二 次土壤调查) • 1:1 000 000 比例尺的中 国土壤类型 图。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Horizon Thickness (cm) Soil Texture Bulk Density Particle-Size Fraction % (0.05 - 2.0 mm) Particle-Size Fraction % (0.002 - 0.05mm) Particle-Size Fraction % (< 0.002 mm) Organic Matter Fraction (%) Total N (%) Total P (%) Total K (%) Available P (mg/kg) Available K (mg/kg) pH Value (H2O) Exchangeable H+ (me/100g) Exchangeable Al3+ (me/100g) Exchangeable Ca2+ (me/100g) Exchangeable Mg2+ (me/100g) Exchangeable K+ (me/100g) Exchangeable Na+ (me/100g) Cation Exchange Capacity (CEC) (me/100g) Color Structure Consistence
什么是陆面过程模型？
陆面过程模型：
– 大气模型下边界条件
• 大气边界层模拟 • 气候模拟 • 数值天气预报
• 4-D 资料同化
– 水文模型的上边界条件
• 水资源估算 • 作物用水 • 径流模拟
– 大气/水文/生态模型的交界 面
为什么要进行参数化？
• 大尺度模型不能解析小尺度过程，即一些过程的空 间尺度小于大尺度模型的模型网格尺度。 • 次网格过程对大尺度过程的影响只能统计表达。 • 次网格过程的表述 参数化。
目前用于气候模型的中国大陆地区的土壤数据：数小于60个 剖面 1:1,000,000 中国土壤图。
(FAO/IIASA/ISRIC/ISSCAS/JRC, 2009. Harmonized World Soil Database (version 1.1). FAO, Rome, Italy and IIASA, Laxenburg, Austria.)
陆面资料同化系统的建立目的是： 为预报模式提供尽可能的准确的 陆地初始场(土 壤湿度、地表温度等)、模式参数、气象驱动场 (u、T、q、Pr、SW、LW、Ps )的质量。
时间
观测资料
观测资料
观测资料
同化或分析
同化或分析
同化或分析 模式预 报 中期预报(10天) 模式预 报
模式预 报
土壤水分对天气预报的影响 (1)
w t x y x Q (u ' ' ) (v' ' ) ( w' ' ) x x y y z z v
Q : 源项(即，吸收/发射辐射或潜热)
w' ' : 次网格 (雷诺应力) 输送项(即，湍流、对流)
E
Y
27
40
65
134
Wm-2
1.4
2.2
0.9
mmd-1
• 陆面-大气相互作用
大陆尺度蒸发-降水反馈
初始土壤湿度“湿”和“干”导致30天后的大气降水的差别
返照率对低层大气温度的影响
• A smaller albedo of snow in the boreal forests reduces dramatically the spring (March-April) error in day 5 temperature at 850 hPa
12小时模式 预报
用LIS同化的土壤水分作初 值 能较大程度改进预报结 果
Peters-Lidard, et al, 2006
初值没有用同化的土壤水分
• 陆面资料同化系统，可改善天气模式陆面
状态的初始化精度，可提高天气模式中/ 短期天气预报质量。
研究内容:
1. 全球土壤/土地覆盖/植被叶面积指数资料集; 2. 融合观测信息的陆面气象驱动场; 3. 卫星和地面观测资料同化方法; 4. 天气模式陆面数据同化系统。
不同模型所需参数化方案的复杂程度不同
雷诺平均方程
位温方程: 2 2 2 u v w Q ( 2 2 2 ) t x y x x y z 平流 雷诺分解: 网格平均
u
源
分子扩散
U u u ' , V v v' , W w w' , '.
d, i, l, v ( for dry soil, ice, liquid and vapor)
Sources or
模型验证
Complexity/Cost
单点 (Offline)
流域 (Offline)
全球 (Offline)
耦合大气模型 Generality
耦合大气模型 + 资料同化
三、陆面资料同化系统
Rate of change Convection Conduction Radiation in stored heat where k Intrinsic density of constituent, k Partial volume of constituent, hk Specific enthalpy for three water phases and dry soil, Uk Mass flux, Thermal conductivity, R Radiation, d, i, l, v ( for dry soil, ice, liquid and vapor)
Soil Hydraulic Parameters:
Richards equation Functions by Clapp and Hornberger (1978) Ks = saturated hydraulic conductivity (cm/d) s = saturated water content (cm3/cm3) s = saturated capillary potential (cm) = pore-size distribution index 33 = Field capacity (cm3/cm3) 1500 = Permanent wilting point (cm3/cm3)
Common Land Model (CoLM)
预报变量与预报方程
Tc 冠层叶面平均温度 (K)
wdew
Tj
冠层积水 (mm)
土壤和雪层温度 (K)
wliq,j
wice,j zj
土壤和雪层液态水含量 (kg m-2)
土壤和雪层固态水含量 (kg m-2) 雪层厚度 (j = snl+1, ...,-1, 0)
Prognostic state variables and the equations
Energy Balance
k k h k dV U k h k dS T dS R dV t k i ,l ,v ,d V k i ,l , v S S V
– 陆面状态（即，土壤湿度、土壤 温度、冠层温度、雪水当量）；
– 陆面特征（粗糙度、反照率、比 辐射率、土壤质地、土壤养分、 植被类型、覆盖比例、等)
• 天气、气候、水文和环境 预报关键因素。
• 大气下边界。 大气运动基本方程的下边界条件。
能量收支 水分收支 碳收支 (自然)
P LE HRTRSFra bibliotekNEE
同化算法
观测算子 • 初始值（土壤湿 度、表面温度、 雪） • 陆面参数（植被/ 土壤/返照率/比 辐射率/地形） • 气象驱动 • 陆面模式
扰动气象驱动
陆面模式
集 合
扰动初始状态
扰动模式参数