区域水分散失耦合模式的研究进展-北京大学教务部.docVIP

区域水分散失耦合模式的研究进展 物理学院大气科学系2000级 潘英 韩笑 蔺洪涛 摘要 在概述了自20世纪50年代以来，区域水分散失耦合模式研究的基础上，评述了区域水分散失耦合模式发展的3个阶段，即“Bucket”（水桶模式）发展阶段、考虑植被生物物理过程的模式阶段和考虑植被生物化学过程模式阶段；以及水分输送过程的3个环节，即土壤-植被-大气界面水分输送过程、土壤内部水分输送过程和大气内部水分输送过程的模拟进展。最后提出了一些模式中尚待完善解决的问题和难点及模式发展方向。 关键词： 陆面过程 区域水分散失耦合 土壤-植被-大气 水分输送 1 引言 区域水分散失耦合模式考虑的是在一定区域内，含水量变化率与其水分收支状况的平衡问题。对大气过程、区域及全球气候生态变化的研究具有重要的理论和实际意义。在不考虑人为影响的条件下，含水量的变化包括土壤、植被、大气含水量的变化；水分的收入包括云雾降水、地表与地下径流带来的水分、大气运动输送的水分等；水分的支出包括地表蒸发与植被蒸腾、地表与地下径流、大气运动输送的水分等。此外，在这种过程中，还存在土壤-植被-大气系统的内部作用，如植物根系的抽吸作用等。水循环是IGBP计划发展中提出的地球系统中3个最关键的问题之一。区域环境的水分交换与能量平衡密切相关，是代表大气物理气候系统的主要下边界条件的物理量之一。全球大气环流模式（GCM）和区域气候模式（RCM）都要以陆-气的能量交换作为近边界层条件，而这一条件可以用陆面过程模拟（LSM）来实现，而在LSM中，水分散失过程的模拟是重要的一环。大气中的热能及水汽主要是通过边界层的湍流运动从地表输送和水平输送获得。所以，区域水分散失过程的模拟对湍流与扩散的强度与稳定度、大气水平运动（风）、温度和湿度的变化等有重要影响。同时，在区域水分散失过程中，地面蒸发、潜热交换、水气水平汇集、对流降雨等的估计对植物生长、自然环境、区域气候等有有着直接的关系。 二十世纪50年代以来，国内外进行了许多关于区域水分散失耦合模式的研究，在物理过程考虑的全面性与复杂性、对生物与化学模式模拟的精确性等方面有了长足的进步，并且对不同的陆面条件、气候状况下的水分散失过程进行了深入研究。在国际上，以Budyko（1956）提出的孤立的物理过程模式“水桶模式”为基础[1]。此后，Manabe（1969）首先在GCM中加入了陆面的水动力过程[2]。Deardorff(1978)提出了地-气相互作用的参数化，开创了LSM的研究工作的先河[3]。80年代之后，Dickinson（1984）提出了考虑植被影响的陆面过程模式[4]。在此基础上，Dickinson于1986年发展了一个生物圈-大气圈传输模式（Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme (BATS)）[5]，Sellers也与此同时发展了一个简单生物圈模式（Simple Biosphere model [SiB]）[6]，成为简单的耦合生物过程模式的典型代表。此外，Mccumber和Pielke（1981）的多层土壤模式也在大气环流及中小尺度气候模式中广泛用[7]。80年代末90年代初，陆面模式迅速发展，如以Sellers等的SiB2为代表的植物生理-生物化学耦合机理模式，以及其他复杂的生物地球化学循环耦合模式和动态的生物地球耦合模式[8]。国内研究方面，具有代表性的是90年代初，中日合作项目的黑河实验（HEIFE），为其资料的综合分析和国内外研究者的使用提供了必要条件。胡隐樵等于1994年总结了该实验的一些研究成果[9]。90年代以来，应用考虑植被的地-气相互作用参数化模式，研究了不同类型下垫面的水分交换，并对此类模型作了进一步发展。刘树华等于1994年进行了土壤-大气界面热通量和水汽通量的数值模拟[10]，之后在考虑了植被对地表面与大气之间水热交换影响的基础上[11]，于1996年进行了土壤-植被-大气连续体中蒸散过程的数值模拟[12]，同年研究了不同下垫面湍流输送计算方法[13]和半干旱地区植被覆盖度对边界层气候的热力影响[14]。1998年，刘树华等在SiB的基础上，发展了一个改进的SiB模式[15]，而后又同刘和平等发展了不同下垫面水分与能量传输模式[16]。2001年，刘树华等概述了国内外陆面过程参数化模式（LPM）的研究，并发展了一个改进的LPM[17]。此外，赵明等于1995年将近地层引入土壤-植被-大气相互作用模式[18]，莫兴国于1998年模拟了饱和-非饱和土壤的水热传输[19]。 本文将从区域水分散失耦合模式的研究进展，以及其水分交换过程各环节，如土壤-植被-大气界面水分输送过程、土壤内部水分输送过程、大