A land surface model for the forest on complex topography

摘要

作为气象模型的下边界层条件的陆面模式，重在研究陆面的动量，热量及物质交换，在近数十年内取得了很大的进步。从今后的发展趋势上来讲，针对有复杂地表的山岳地形建立陆面模式是具有很大的应用价值的。本研究就是针对有森林覆盖的复杂地形，通过阅读大量的与陆面模式相关的文献，在对陆面模式的发展历史做了一个详尽的回顾之后，将其中的方程式提取出来，经过筛选，得出一系列最符合复杂地形实际情况的方程式来表示各个陆面过程。
　　陆面模式的发展历史，大致可以分为三个阶段。第一个阶段的陆面模式，是以1969年Manabe创建的水桶模型(Bucketmodel)为代表的，在这个陆面模式中，土壤被设定为具有固定的土壤水容量。模型中的“水桶”被降水填满，但又通过蒸发来消耗所得水分，超过土壤含水量的部分全部被视为径流。
　　但相对于实际情况来讲，第一代陆面模式过于粗糙，没有涉及到对于植被和地下水的处理。尽管如此，第一代陆面模式在陆面模式的发展历程中依然有举足轻重的作用。
　　第二个阶段的陆面模式是在1978年，Deardorff提出了土壤-植被-大气传输模式(SVAT)的基础上发展起来的。在第二代陆面模式中，植被被作为一个很重要的组成部分考虑了进去。与第一代陆面模式相比，第二代陆面模式考虑到了热量，水，动量交换以及植被的作用，同时还考虑到了雪盖模式下的陆面与普通气候条件下的陆面的不同。当然它也还是存在一些问题。在Dickinson于二十世纪八十年代创立的生物圈大气传输模式(BATS)中，土壤被进行了更加详细的划分，叶面积指数(LAI)也被作为一个重要的物理参数引入进来计算透过植被冠层的入射光的衰减量。需要指出的是，在这个模式中，依旧没有考虑到地下水，但是它将植被考虑进去已经是一个重大的进步。
　　另一个二代模式的代表就是由Sellers创立的简单生物圈模式(SiB)。简单生物圈模式的创建理念就在于它从植被自身的生物物理过程出发来模拟植被，因为植被模拟在对入射光吸收的参数化过程中起到了非常积极的作用。简单生物圈模型同生物圈大气传输模式一样也是对土壤进行了详细的分层并分别计算各个过程。简单生物圈模式的缺点在于，对雪层厚度的预测是非常粗糙的，并且没有考虑到降雪温度处理。
　　经过前两代模式的发展，针对近地面层的大气，植被和土壤的物理及生物物理过程以及基本完善，因此，将近地面层的碳循环作为一个新的研究重点的第三代陆面模式诞生了。第三代陆面模式不仅考虑到了植被的光合作用，而且模拟了陆面碳循环过程。在这一代模式中同时涉及到了太阳入射同光合作用之间的关系，而光合作用的强弱会对碳循环造成一定的影响。在第三代陆面模式中涉及到了多学科的综合，尤其是植被的生物化学过程，因此，第三代陆面模式具有最广泛的应用范围。第三代陆面模式的代表类型分别由陆面模式(LSM)，第二代简单生物圈模型(SiB2)以及大气植被相互作用模式(AVIM)。
　　对已有的陆面模式进行系统的、详尽的归类和整理有助于更好地理解陆面模式的发展历程及未来的前进空间。通过大量文献的阅读，在这篇论文中，不仅回顾了各代模型的优缺点，更是从结构的角度出发解析了三代模型的相同与不同点。在将来的陆面模式的发展过程中，我们还需要注意以下几个方面的问题。最初的三种简单的陆面模式（Bucket，BATS和SiB）都是一维模式（在竖直方向上）。在将来的陆面模式的建立过程中，我们可以在小尺度的陆面模式的研究中考虑到水平方向上的各种物质及能量交换。而且在以往的陆面模式的研究过程中，基本上对地形的设计都是在相对平坦的地形条件下进行的，因此在将来的陆面模式发展过程中，我们更需要侧重研究针对各种复杂地形的热量及能量交换。在复杂地表条件下，由于山地结构造成的遮蔽，阴影等会对入射光的吸收产生不同的影响，故而也可以从入射光的分布的不同这一点着手进行陆面模式的研究。第三代陆面模式中已经涉及到了碳循环的研究，在未来的陆面模式的发展过程中，我们可以更加深入地考虑诸如氮循环及其他营养物质循环等一系列有关生物化学及生物物理方面的因素对陆面模式的影响。陆面模式的发展对未来气象研究及气候预测有着极其重要的研究，因此需要持续发展更加完善更加贴合实际的陆面模式。
　　本次陆面模式运行过程中所应用到的数据皆来自日本岐阜县高山市岐阜大学流域圈科学研究中心试验地。它坐落于日本的神通川水系大八贺川流域，为了能用人工卫星评价整个流域的机能，针对该流域的整个生态系统的详细观测被全面展开。作为整个流域的集中观测点之一，在高山市东部的人造杉树林设立了高山常绿针叶树林观测点（在后面的整篇文中统称为TKC观测点）。在该观测点处，有一个用来进行森林观察的观测塔。在本次研究中所用的数据皆来自这个观测塔。
　　TKC观测点位于北纬36度08分23秒，东经137度22分15秒，从高山市中心出发向东约14km处的位置，标高约为800m。观测场所的平均斜度约为21度，坡度面向西北方向。在该TKC观测点处的常绿针叶树林是平均树高约为20m的杉树林。在距离该观测点的北侧斜面约200m处有民居点。气温和湿度测量的主要仪器是通风遮蔽温湿度计，风速测量的主要仪器是三杯风速计和二次元超音波风向风速计，水蒸气和二氧化碳量测量的主要仪器是红外线CO2H2O浓度计，降水量测量的仪器是由池田计量器制造所生产的雨雪量计。用由这些仪器测得的数据设定初始值并进行陆面模式的模拟跟比较，由此得出更适合实际情况的新的陆面模式，以此来对有森林覆盖的复杂地形进行更好的管理和预测。
　　在这个陆面模式中，土壤被分作四层，上面的两层可以与温度的日变化及季节变化联系起来，植被的根系也主要分布在这两层之中。温度和湿度的值在最深层土壤中可以近似认为是它们的气候平均值，这一假设会取得更好的模拟效果当模式的气候尺度取值范围不是很大时。因此，根据不同的现实情况，我们选择不同的方程来计算四层土壤的温度和湿度分布。
　　在文中包含了这一新的针对有森林覆盖的复杂地表的结构图。在现实情况中，地面结构是相当复杂的，它不可能是分布在一个平坦地形上，但由于在计算时，我们用网格来进行计算，所以当网格尺度取很小值时，我们可以近似认为它是位于平坦地形结构上。当我们在计算各个物理量时，我们应该考虑到，在实际情况下，几乎所有物理量都会在沿着斜面方向有一个不得不考虑的分量。
　　通过这个模式的结构分析，对大气和陆面之间的相互作用的复杂性可以有一个宏观的了解。因此，在模式的建立过程中，有许多的因素应当被考虑进去，例如太阳辐射，风速，温度，热通量，水分交换，乱流以及碳循环等等。在模式的建立过程中，所有这些相互过程都应当通过具体的方程式表达出来。
　　针对降水部分，假设一部分降水被植被冠层截留，我们成为截留降水，另一部分直接到达地面。截留降水的一部分被用来进行植被的蒸发，另一部分透过冠层滴落到地面，渗入土壤汇同直接降落到地面的降水一起形成地下径流。在蒸散过程中，除了湿润土壤和湿润叶子表面会直接向大气蒸发水分外，植物根系也会从土壤中抽吸水分再由干叶面向大气蒸腾水汽。对于太阳辐射，当它到达植被冠层和土壤表层之后，一部分被吸收，另一部分被反射。绝大多数的太阳辐射能量被植被和地表吸收并以显热、潜热和长波辐射的形式被输送回大气，另一部分被土壤和冠层用来提升自身温度。
　　一个完整的陆面过程模式应当包括以下五个方面:(1)土壤层的物理过程参数化，它涉及到土壤温度方程以及水汽运动方程;(2)植被层的物理过程参数化，它涉及到植被叶面的热量平衡方程水汽平衡方程;(3)陆面模式下的湍流参数化过程，它涉及到土壤表面的湍流参数化和植被叶面的湍流参数化;(4)植被层的陆面模式和参数化，它涉及到大气辐射过程和地表以及植被冠层的蒸发过程;(5)从第三代陆面模式开始被作为重要部分考进去的碳循环过程，这一过程涉及到植被冠层和土壤表层的碳平衡。
　　裸土蒸发，植被蒸腾，土壤水分传输，排水及径流决定了陆地表面过程的水分平衡，因此，水分平衡是地表的一个非常重要的水文过程。一个完整的陆面模式涉及到有关土壤，植被以及大气之间的六种相互作用，它们之间的具体作用过程及表达方程式将在正文中给与详细的描述。不同的陆面模式之间针对这些过程的参数化有很大的不同。
　　土壤分层的不同会对土壤水分及径流的计算产生很大的影响。到底怎样对土壤进行分层是最好的在陆面模式的发展过程中一直未得到定论。但是有一点是被公认的，那就是越是接近表层的土壤越是应该被细分，因为表层土壤收到气候因素的影响是很明显的。这些气候因素的影响在小尺度范围的气候模式中更是得到了鲜明的体现，就像生物圈大气传输模式(BATS)和简单生物圈模型(SiB)。当代陆面模式的不同主要体现在对植被冠层以及土壤层的划分之上，在模拟这一系列过程的时候，许多物理定律被引用了进来，这在正文中都被明确提到。在本文中所用到的计算方程，就是通过对比各个阶段的陆面模式，选取出来了最符合实际情况的方程，因此这是一个比较贴合实际的陆面模式。
　　全球碳循环和气候变化同大气中温室气体的含量被认为是紧密相关的。作为地球系统的一个重要的组成部分，陆地生物圈和全球气候之间有方方面面的联系。通过光合作用，营养类型以及呼吸类型的不同，植被以及土壤被认为在全球二氧化碳循环及平衡过程中起着至关重要的作用。冠层高度，叶面积指数以及植被根系分布会改变地面粗度长，冠层传导率和土壤-根系传导阻力，最终会改变地表能量和水分平衡，导致天气和气候的变化。对于碳循环的模拟的发展在整个陆面模式的研究过程中正处于一个不间断发展进行的过程中。在这一新的陆面模式中所采用的碳循环过程的模拟在对多年生植物生长过程中的碳循环的模拟上有了很好的改善。
　　这一新的陆面模式旨在改进陆面模式的结构设计和计算方法，因此同过去的陆面模式相比较，有以下几个创新点。首先，它将植被层通过植被高度的不同进行了更加详细的划分，这一点将会改善模型模拟的准确性。第二，模型被设定在一个斜面上，这具有很深远的实际意义，土壤的分层相较于过去的模型也是更加详细，物理方程和经验分析被结合起来去解决每一层的土壤温度和土壤湿度的变化，这不但确保了计算的准确性，更会节省每一层的计算时间。第三，在这一陆面模式中，引用到了来自同一研究室的水野诚前辈的研究成果，他曾在针对“复杂地形的日射量分布”上取得了很大的进步，在这一点上与以往的陆面模式相比，将使得这一新的陆面模式更加完整，因为在现实情况中，由于地形复杂造成的遮蔽作用等原因，不同地形对日射量的吸收会有所不同，而日射量与碳循环也有相互作用。第四点，降水分布在这一新的陆面模式中也被进行了更加详细的划分，并分别按照不同的部分来将它们进行计算，这无疑会增加模式的现实可用性。第五，在针对由于有风天气情况下所带来的不同的湍流分量方面，根据植被密度的不同进行了分别计算。最后一点，在陆地生物圈以及大气模式中的气候之间的相互作用上，植被的作用被进行了强化，这也是同以往的陆面模式相比很大的不同点所在。
　　在这一陆面模式中，不同的物理过程采用不同的计算方程。对于土壤，上两层采用了热传导方程，但是对于第三层，却是用到了强迫-恢复法来计算。对于最深层土壤则直接引用了气候经验值。对于土壤湿度，上两层采用了水汽扩散方程，而最深层则直接采用了经验值，第三层则采用了特殊处理，先设定了总的土壤含水量，然后用总量减去计算出来的第一二层土壤的含水量以及第四层的经验含水量来计算得到第三层的含水量。对于植被的叶面热容量，采用了Sellers的方法。对于冠层内部和叶面的湍流通量，则采用了Deardorff和Dickinson的方法。此外，以以往的陆面模式为基础，碳循环过程也进行了更加详细的模拟。总而言之，这将是一个更符合实际情况的陆面模式。
　　尽管这一陆面模式在解决土壤温度和湿度，植被的水汽以及能量平衡和碳循环方面已经取得了一些改进，但它在水文过程和模式结构上仍然存在一些尚待确定的问题。陆面模式内部本就相当复杂，又由于数据采集的条件所限，以至于有关整个陆面模式以及大气边界层的客观规律并没有得到充分掌握，因此，更有难度的更符合实际情况的陆面模式的研究应当被更广泛地推进。未来的陆面模式及陆面过程的研究应当集中在以下几个方面:第一，采用逐渐发展不断完善的数据来进行分析和研究，加深对陆面模式的理解;第二，更加深入地对比各种不同类型的陆面模式，保留其中较好的计算方法，逐渐改进不太完善的板块。
　　成熟的陆面模式是人们能够更好地管理与生活息息相关的整个生物圈乃至地球系统的最有效的方法，因此在未来的研究过程中，逐渐提高并确定所有的参数的准确性是发展陆面模式的一个重要研究方向。

目录

声明

摘要

Abstract

Chapter 1．Prologue

Chapter 2 Development of land surface model

2．1 First generation land surface model

2．2 Second generation land surface model

2．3 Third generation land surface model

2．4 Major issues in land surface modeling

Chapter 3 Composition of land surface model

Chapter 4 Target area introduction

4．1 Observation place

4．2 Data for analysis

Chapter 5．Structure of this new land surface model

Chapter 6．Equations of each physical process

6．1 Physical process parameterization of soil layer

6．1．1 Equations of soil temperature

6．1．2 Equations of soil moisture movement

6．2 Physical processes’ parameterization of vegetation layer

6．2．1 Heat balance equations of vegetation foliage

6．2．2 Water balance equation of vegetation foliage

6．3 Turbulent flux’s parameterization of land surface model

6．3．1 Turbulent flux’s parameterization of soil surface

6．3．2 Turbulence flux parameterization of vegetation foliage

6．4 Land surface process and parameterization of vegetation layer

6．5 Carbon cycle process

Chapter 7．Discussion

Chapter 8．Conclusion

致谢

References