陆面模拟中植被辐射传输参数化方案研究

摘 要 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
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1 引 言
近 20 年来陆面过程模式的发展主要研究生物化 学过程、 水文过程 ,雪盖、 冻土、 干旱区的水热输运过 程机制 ,下垫面不均匀性等问题也得到了极大的重 视。但对于植被中的辐射过程 — — — 陆气相互作用中 最重要的物理机制研究却不足 ,一般是简单地给定地 表反照率或采用二流近似的方法计算 ,无法合理地考 虑叶倾角等特性对植被中辐射传输的影响 ( 刘树华 等 , 2005 ; 茅宇豪等 , 2006 ; 黄洪峰 , 1997) 。 Myneni ( 1989) 、 Ross ( 1988 ) 等系统总结了冠层 辐射传输的一些理论和方法 。在以前冠层辐射研究 中 ,许多学者研究运用各种方法计算或者测定叶子 的各种几何参数 ,叶面积体密度分布函数 ,叶子在空 间的取向分布 ,测量植被叶面指数 ,研究如何得到叶 面积密度函数等 , 这些参数能够反映植被几何结构 和光学特性 。这些工作是以后建立冠层辐射传输模 式的基础 。 因为植被和大气相互作用的过程非常复杂 , 因 此需要计算效率较高 , 又适合描述冠层中辐射传输 的有效模式 。Dickinson ( 1983) 发展的冠层二流辐射 传输模式正好适应这种需要 , Sellers ( 1985 ) 利用二 流模式计算可见光和近红外波段的植被半球反射 率 ,在一定假设条件下可以求得解析解 ,而同样是在 20 世纪 80 年代发展的冠层分层模式由于没有详细 的观测资料和计算机限制一致没有得到很好的应 用 。戴秋丹等 ( 2004 , 2006 ) 在 Norman ( 1975 ) 、 Ross ( 1981) 等分层模式基础上发展了自己的完全模式 , 并尝试在气候模式中应用 。20 世纪 90 年代 , 随着 计算性能提高 ,陆面模式考虑物理过程越来越详尽 , 对冠层辐射传输描述也越来越细致 ( 徐希孺 ,2005) , 而目前国内外知名陆面模式中短波辐射的参数化方 案基本都采用二流模式 ,二流模式精度不高 ,对辐射 传输过程的描述也过于简单 , 因此迫切需要在二流 模式的基础上发展精度更高的四流模式 , 同时改进 二流模式对植被辐射传输描述不合理的地方 。 最近通过中国气象局和美国 UCLA 大气科学 系的合作 , 已把 Fu2Liou 四流辐射参数化方案 ( Li2 ou , 1988 , 2004) 引入到国家气候中心发展的大气环 流模式 ( T63L16 ) 中 。我们研究采用相同的四流近
057726619/ 2008/ 66 ( 3) 20359270 A cta Meteorologica S i nica 气象学报
陆面模拟中植被辐射传输参数化方案研究
周文艳1 郭品文1 罗 勇2 Kuo2Nan Liou3 Gu Yu3 Xue Yongkang3
Ξ 资助课题 : 国家自然科学基金项目 (40375026) ,江苏省高校研究生创新计划项目 ,国家自然科学基金重点项目 (40233034) 和国家气候中
心陆面模式项目 。 作者简介 : 周文艳 ,从事陆面过程模拟研究 。E2mail : zhouwy73 @cma. gov. cn
A cta Meteorologica S i nica 气象学报 2008 ,66 ( 3) 360 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 。 关键词 冠层辐射传输方程 , 四流近似 , 四流辐射模式 中图法分类号 P422 P463. 22
ZHOU Wenyan1 GUO Pinwen1 LUO Yong2 L IOU Kuo2Nan3 GU Yu3 XU E Yongkang3
1. 南京信息工程大学 ,南京 ,210044 2. 中国气象局国家气候中心气候研究开放实验室 ,北京 ,100081 3. University of California , Los Angeles ,U S 1 . N anji ng U niversity of Inf orm ation of Science & Technology , N anji ng 210044 , Chi na
似方法发展植被中的辐射参数化方案 , 并与中国国 家气候中心发展的陆面过程模式和大气模式耦合 , 从而实现大气2植被辐射传输的统一参数化方案 。 在气候系统模式中 , 如果大气模式和陆面过程模式 中的辐射参数化方案不一致 , 可能会对陆气相互作 用的准确计算产生影响 。因此在陆面模式中发展冠 层辐射四流模式 , 使大气和植被辐射参数化方法一 致 。另外由于大气过程与地面过程之间紧密相连 , 且有很强的相互作用 ,地面辐射过程中的误差 ,不但 影响地表本身的能量平衡过程 、 地表温度以及植被 的光合作用 ,而且必然反馈到大气过程中 ,对大气运 动及整个地气系统的能量平衡产生作用 , 从而影响 模式对气候模拟的准确度 。本文建立四流辐射传输 模式 ,它主要目的是得到更精确的植被反照率 ,减少 地面辐射的计算误差 。 四流辐射传输模式是在大气辐射传输理论的基 础上得到一个描述光与植被相互作用的冠层辐射传 输基本方程 ( 黄洪峰 , 1997 ; 徐希孺 , 2005) ,方程中 各项参量带有叶子或冠层特殊的几何和光学特征 。 冠层辐射传输方程实际上就是一个微积分方程 , 引 进大气辐射中四流近似方法 (Liou , 1988 , 2004) ,可 以得到冠层向上向下辐射强度的解析解 , 从而计算 冠层反照率 。由于在叶子水平分布时 , 各种模式都 应该满足 Goudriaan ( 1977) 的理论规律 ,并且由于对 叶子散射相函数等观测资料缺乏 ,所以我们用 Dick2 inson 二流模式来验证发展四流模式的正确与否 。 由于冠层辐射传输是一个非常复杂的过程 , 对 冠层辐射传输也缺乏精确的观测资料 , 根据模式研 制目的在模式中存在一些假设 , 所以目前对模式的 检验都在模式比较中进行 。李崇银 ( 2000) 在论著中 指出 “ : 根据计算 ,在其他条件不变的情况下 ,地表反 照率变化 0. 01 所造成的系统能量输入的改变几乎 等效于太阳常数变化 1 % 。 ” 因此需要了解四流模式 和二流模式结果差别 。比较两种模式在叶倾角有一 定角度时的模拟结果证明当叶倾角分布不再是水平 分布时 ,两个模式模拟结果差别明显 ,四流模式能够 得到更高的精度 。
Ξ
2 . L aboratory f or Cli m ate S t udies , N ational Cli m ate Center , Chi na Meteorological A d m i nist ration , Beiji ng 100081 , Chi na 3 . U niversity of Calif ornia , L os A ngeles , U S 2007209222 收稿 ,2008203211 改回 . Zhou Wenyan , Guo Pin wen , Luo Yong , Liou Kuo2 Nan , Gu Yu , Xue Yongkang. 2008. A study on the radiative transfer parameteri2 zation scheme within canopy in land surface process model. Acta Meteorologica Sinica , 66 ( 3) : 359 - 370 Abstract A four2stream solar radiative transfer model wit hin canopy in land surface process model was developed. The four2stream approximation met hod of atmospheric radiation equation is used to gain t he analytic solutions of t he basic equation of radiative transfer wit hin canopy. The four2stream solar radiative transfer model wit hin canopy is based on t he two2stream short wave radiative transfer model. The radiative transfer t heory wit hin canopy is based on t he radiative transfer t heory in atmosphere. Each parameter of t he ba2 sic equation of canopy has t he special geometry and optical character of leaf or canopy. The upward or downward radiative fluxes are related to t he diffuse phase function , G 2function , leaf reflectivity and transmission , leaf area index , and solar altitude angle of incident beam. The computed results of t he albedo of canopy on t he condition of horizontal leaf from new developed four2stream radiative mod2 el wit hin canopy and t he original two2stream model are compared , and t he four2stream model is proved to be successful by t he same modelling results of t he canopy albedo of t he any solar incident angle. The paper carries out one experiment to evaluate t he simulations of t he land surface model simultaneously coupled wit h t he bot h radiative transfer models. The test indicates t hat t he simulation of land surface process model coupled wit h four2stream model is better t han two2stream radiative transfer model , since t he computed solar ra2 diation absorption of land surface is closer to t he observation. Key words Radiative transfer equation , Four2stream approximation , Four2stream radiative transfer model , Vegetation canopy , Land surface process