區(qū)域水分散失耦合模式的研究進(jìn)展

1、北京大學(xué)校長(zhǎng)基金論文集（2003年）區(qū)域水分散失耦合模式的研究進(jìn)展1區(qū)域水分散失耦合模式的研究進(jìn)展區(qū)域水分散失耦合模式的研究進(jìn)展物理學(xué)院大氣科學(xué)系2000級(jí)潘英韓笑藺洪濤摘要摘要在概述了自20世紀(jì)50年代以來，區(qū)域水分散失耦合模式研究的基礎(chǔ)上，評(píng)述了區(qū)域水分散失耦合模式發(fā)展的3個(gè)階段，即“Bucket”（水桶模式）發(fā)展階段、考慮植被生物物理過程的模式階段和考慮植被生物化學(xué)過程模式階段；以及水分輸送過程的3個(gè)環(huán)節(jié)，即土壤植被大氣界面水分輸

2、送過程、土壤內(nèi)部水分輸送過程和大氣內(nèi)部水分輸送過程的模擬進(jìn)展。最后提出了一些模式中尚待完善解決的問題和難點(diǎn)及模式發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：陸面過程區(qū)域水分散失耦合土壤植被大氣水分輸送1引言引言區(qū)域水分散失耦合模式考慮的是在一定區(qū)域內(nèi)，含水量變化率與其水分收支狀況的平衡問題。對(duì)大氣過程、區(qū)域及全球氣候生態(tài)變化的研究具有重要的理論和實(shí)際意義。在不考慮人為影響的條件下，含水量的變化包括土壤、植被、大氣含水量的變化；水分的收入包括云霧降水、地表與地下徑

3、流帶來的水分、大氣運(yùn)動(dòng)輸送的水分等；水分的支出包括地表蒸發(fā)與植被蒸騰、地表與地下徑流、大氣運(yùn)動(dòng)輸送的水分等。此外，在這種過程中，還存在土壤植被大氣系統(tǒng)的內(nèi)部作用，如植物根系的抽吸作用等。水循環(huán)是IGBP計(jì)劃發(fā)展中提出的地球系統(tǒng)中3個(gè)最關(guān)鍵的問題之一。區(qū)域環(huán)境的水分交換與能量平衡密切相關(guān)，是代表大氣物理氣候系統(tǒng)的主要下邊界條件的物理量之一。全球大氣環(huán)流模式（GCM）和區(qū)域氣候模式（RCM）都要以陸氣的能量交換作為近邊界層條件，而這一條件可

4、以用陸面過程模擬（LSM）來實(shí)現(xiàn)，而在LSM中，水分散失過程的模擬是重要的一環(huán)。大氣中的熱能及水汽主要是通過邊界層的湍流運(yùn)動(dòng)從地表輸送和水平輸送獲得。所以，區(qū)域水分散失過程的模擬對(duì)湍流與擴(kuò)散的強(qiáng)度與穩(wěn)定度、大氣水平運(yùn)動(dòng)（風(fēng)）、溫度和濕度的變化等有重要影響。同時(shí)，在區(qū)域水分散失過程中，地面蒸發(fā)、潛熱交換、水氣水平匯集、對(duì)流降雨等的估計(jì)對(duì)植物生長(zhǎng)、自然環(huán)境、區(qū)域氣候等有有著直接的關(guān)系。二十世紀(jì)50年代以來，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了許多關(guān)于區(qū)域水分散失耦

5、合模式的研北京大學(xué)校長(zhǎng)基金論文集（2003年）區(qū)域水分散失耦合模式的研究進(jìn)展3立的。其原理是將陸面看作一定厚度的土壤（一層土壤），即“水桶”。上層土壤含水量是3個(gè)通量的函數(shù)，即降水、蒸發(fā)、地表徑流。假定陸地水桶具有一定的田間持水量，降水使其中水增加，地面蒸發(fā)使水減少，當(dāng)累積水量超過水桶的容量，多余的水將作為地表徑流流走。Manabe（1969）首次將其引入GCM，至80年代以前，GCM中的水分輸送過程沒有或簡(jiǎn)單考慮植被的作用，使用簡(jiǎn)單指

6、定的參數(shù)，未能考慮不同地區(qū)土壤地質(zhì)和植被種類差異的影響，對(duì)蒸散過程的描述真實(shí)性較差，土壤未作分層處理，沒有考慮土壤內(nèi)部的水分傳輸。但由于其簡(jiǎn)單性和有效模擬性，至今仍被一些GCMs沿用。2.2考慮植被影響的水分過程模擬考慮植被影響的水分過程模擬80年代以來，水分散失過程的模擬方面在土壤和大氣之間增加了植被層。Dickinson（1984）首先提出了考慮植被影響的陸面過程模式，之后，關(guān)于植物的生物物理過程對(duì)顯熱與潛熱交換及蒸發(fā)與蒸騰等的作用

7、的研究得到迅速發(fā)展。這類模式中有關(guān)植被的水熱平衡包括：降水截流、再蒸發(fā)、下滴，氣孔阻力和蒸騰，植物根系對(duì)土壤水的抽吸作用，表層和深層土壤中的濕度分布等。土壤被分為多層，典型的被分為3層：表層、根系層和深層土壤，并考慮不同層土壤之間的水分傳輸過程。BATS模式中，地面土壤層和根系層的水分預(yù)報(bào)方程描述了根部降水、融雪、蒸發(fā)、地表徑流、滲透、土壤層之間的水分交換等。降水被植被冠層截留，或者再蒸發(fā)，或者下落到土壤中。地表徑流在模式中作了簡(jiǎn)化處理

8、。土壤水分小于田間持水量時(shí)，土壤表面不出現(xiàn)地表徑流；土壤水分達(dá)到飽和時(shí)，地表水全部形成地表徑流。SiB模式考慮的基本過程與BATS類似，模式中包括2層植被（冠層、地被）和3層土壤（表層、根系層、深土層），分別建立了植被層的截獲水分控制方程組和土壤水分控制方程組，并建立了一個(gè)大氣、陸表水分循環(huán)圈。此類模式通過引入植被層使水分過程的模擬比“Bucket”更為合理，能較好的模擬陸面的感熱、潛熱等情形，但未能考慮土壤植被大氣相互作用中明顯存在的

9、生物化學(xué)過程，有待進(jìn)一步改進(jìn)。2.3考慮植被生物化學(xué)過程的水分過程模擬考慮植被生物化學(xué)過程的水分過程模擬此類模式在第二階段模式的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的模擬了植物界面的光合生理生化過程，認(rèn)識(shí)到光合作用對(duì)氣孔阻抗大小的控制，從而影響植被能量與水文循環(huán)。Sellers等（1996）發(fā)展的SiB2模式是此類模式的典型代表，利用了Ball（1988）的氣孔導(dǎo)度與光合作用的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了通過群落光合作用的估算來推算冠層的氣孔阻力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了光合作用與水汽傳輸