（气象学专业论文）寒区陆面过程特征的模拟研究.pdf

摘要 陆面过程模式在高纬度地区和青藏高原地区的模拟能力。直接影响着g 删性能。本文 利用观测资料作为强迫场，检验了陆面过程模式在青藏高原地区的模拟性能，并分析了土壤 湿度初始值和土壤成分对寒区陆面过程的影响全部研究工作分为3 个方面： 1 本文首先利用了g 枷e t i b e t 中狮泉河1 9 9 8 年5 月到9 月，g a m p t i b e t 中改则2 0 0 2 年1 0 月到2 0 0 3 年9 月的观测资料，对下垫面的气候要素作了简要地分析利用这些观测资 料，作为大气强迫场，检验了陆面过程模式在青藏高原地区的使用性能。结果表明，c o u l 模式能够较好地模拟高原地区的土壤热量和水分交换过程，在青藏高原地区本模式有较好的 模拟能力。 2 对青藏高原西部陆面特征的模拟研究表明，在高原西部地表能量平衡过程中，千季。 感热通量占主要地位，潜热通量较小；尤其在冻结期，潜热通量几乎接近于0 但在高原西 部的融冻期，潜热通量有显著变化。在干季向湿季转化时段的5 月中下旬，表层土壤由于融 冻而引起的频繁水分相变，使德潜热通量随之变化并开始增加。b o w e n 比也由大变小。地表 有效通量的变化与降水及土壤表层频繁的冻结一消融相联系。 3 对土壤湿度和土壤类型对寒区陆面过程的影响作了简单分析。结果表明，不同土壤湿 度初值对陆面模式的模拟结果有较大影响。土壤湿度的增加使得潜热增加。通过对1 2 种不 同土壤类型对寒区陆面过程的影响分析发现，在相同的大气强迫下，土壤类型对她表的水分 收支影响显著。粘土含量高，土壤质地细的土壤具有较好的持水能力，地表湿度比质地粗的 砂质土壤大得多，在地表通量的分配中，表现为潜热通量大，而感热通量小在寒区由于土 壤的冻融使得不同土壤类型在冻融期间感热通量有很大差异。 关键词陆面过程模式( c o u d 青藏高原冻土土壤类型土壤热性质 a b s t r a c t m s i m u l 砒i o mo fl 雒ds u r f a c em o d c lo 、惯h i 曲l a 虹n l d ea n dq m g h a i - 龇 p l a t e a u 坞汹d i r e c t l yi m p a e t s0 n 也cp e r f o r m a 础o fg - c m i l lt h i st h e s i s , l h e o b s e r v a t i o n a ld a t ai su s e d 勰f o 】哈i n gf i e l dt oi n v c s i j g a t et h ep e r f o r m a n c eo fl 觚d s m 自m o d e lo v e rq m g h a i - x i z a n gp l a t 眦i n f l u 黜o f d i f f e r e n ts o i lm o i s t u r ei i l m a l v a l u e 卸dd i f f e r e n t i lc 锄p o s m o na 托a n a l y z e do n 也ec o l dl a n ds u l f 躺p r o c e s s t h em a i l lr e s u l 协o f t h i ss t u d ys h o w 鹤f o l l o w s ： 1 t h cf e t u r e so f c o l dc l i n 3 1 t 把撕 m a l y z e df i r s l l yb ym m g 也co b s e n ，撕删d a t a o f 1 9 9 8o a m e r r i b c t砒 s h i q u a n h e 2 0 0 扣2 0 0 3g a m p 用b e tm t e m i v e p e r i o d ( c e o p e o p 3 ) a tg a i 盟1 h 姐t h i s 幽t aw a su s e d 鹊f 娜e m gd a t ao fal a n d s u i f em o d e lt o s t u d yt h ei t sp 耐b 加埔n o v c rq m e , j b a i - x i z a n gp l 砒l l t h e s i i n u i a l t e dr e g u ns h 嗍t h a tc o l m 锄r e 删u e e ds 碱a e et h c r m a l 缸dm o i s t u r e f t u s t l l em o d e lh a saw e l lp e r f o r m a n o 、r e r 也eq m g b a i - x i z a n gp l a t e a u 2 皿es 洲a t e dr e 飘d th a v e 删e a l e dt h a to v 盱w e s t e r nq i n e , b a i - x i z a n gp l a ：c e 码 也cs 哪i b l eh e a ln l 豁d o m i m t et h cs u l f 珊h 僦e r g yb a l 粕t h el a t e n th e a t f l u x e sa 糟l e s s ，e s p e e i a l l y ，i n 丘。勰a n d ) ，t h el a t e n th e a tf 1 1 d 【e sa l m o s te q u a lt o o b u td u r i n go fn w i n gs e a n ( w e d ，砒w e s 咖q i n g h a i - x i z a n gp l a t e a u ，也cl a t e n t h e a tf l u x e sc 孤tb ei 掣1 0 r e d w h e nt l l a w i n go c c u r ，i ti sa l s ot r a n s p o r tp e r i o d 胁a r i d 8 e l t s o nt or a i n w e ts e 够o n i sl a n ym a y ) ，t h e 驯r f a c el a y e rs o i lm o i s t u r ep h a s e e h a n g ea r e 蛔u e n t l yh a p p 鹤咒珧o f 恤w i n g , t h 雠p r o c e 踣c o 麒坟砖et o 也e i a ：c e n th e a ln u x e s a ss 锄et i m e t h eb o w e n 枷oi s i e c 托黜e d t h ee h 龇g eo fs 碱a e e h e a tf l u x e s ( s e m i b l ea n dl a t e n th e a t ) i s 觞c i 绷w i mt h ep l 哥。i p i 嫩i o n 孤d 枷 s u i f a c e 丘它q l l e n t 丘i 姗t i l r w 3 w ee x a m i n e d 也ei m p a c to f i 嘶a i i lm o i s t u r e 雒ds o i l 卯e so nm o d e lo u t p l i t b yr u n n i n gt h em o d e l 吡hd i f f e r e n ts e t so f v a l u e sf o rt h eb e g i n n i n gs o f tm o i s t u r ea n d s o i lt y r o sa te a c ho f 也et e nl a y e 塔a e e o r d i n gt os i m i 妇c i o nm s m t s ，也es o i lm o i s t u r e t e s ti n d i e a ：c e dt h a tl l l ei n i 埴a l nm o i s t u r ef l a c t i o ni sv e r yi m p o r t a | 也t h ei n m a l n m o i s t u r ei n c r e a s i n gm a k e st h ei n e r e 勰o fl a t 姐th e a tn i 锚，t h r o u 曲删y i n n u e n c eo f1 2d i f f e r e n t i 1t y p e so nt h ec o l dl 锄ds u r f k ep r o c e s s r c v e 拟t h a tt h e 雒s i 掣e n t so f w a t e ra n de n e r g ya r es e n s i t i ! v et os o i lc 曲妇格t h es o i l sr i c hi nc l a y ， s i 妣c k 叮a n ds i h yc i a y ，h a v ew e l lw a t e r - c o 曲斌曲i l 姆，s i l 】em o i s t u r e b e c a u s et h es o i lf y e e z e - t h a wo v e rt h ec o l dr e g i o n ，d i f f e r e n ts o i lt y p e sd u r i n g f r e e z e - t h a wt i m es e n s i b l eh e a tf l u xa r ev e r yd i f f e r e n t k e yw o r d s ：l a n ds u r f a c em o d e l ( c o l m ) , q i n g h a ix i z a n gp l a t e a u , f r o z e ns o i l 。s o i lt y p e s , s o i lt h e r m a lp r o p e r t i e s i h 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立 进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表 的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用 的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论姘者戳：避监日 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰州 大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保存 或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借 阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发表、使 用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰 州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名：! ! 垄盟导师签名：日飙必 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 陆面过程模式在全球气候模式和数值天气预报中的重要作用已经有了很多 研究“1 “。从气候系统的角度来看，约占地球表面1 3 的陆地，是气候系统重要 而最为复杂的组成部分，它与大气之间的相互作用是通过与大气之间的动量、热 量、水分和c o , 的交换来实现的，这些量交换的大小取决于下垫面土壤的结构、 特征、初始状况等。陆面过程涉及到了生物圈、冰冻圈、水圈、大气圈，是气候 系统各个圈层之闻的纽带。不仅全球气候变化对生态环境和水资源的影响通过陆 面过程来实现，而且人类活动对自然晃的干预也通过陆面过程的传递而变得更加 深刻而广泛。因此对陆面过程及其与大气相互作用的过程研究有着重要的科学和 社会意义。一个包含完备陆面过程的气候模式，可以为我们研究全球变化提供丰 富的手段；同时对陆面过程的正确描述，也是提高模式模拟能力的一个重要方面 “”。d i c k i n s o n 认为改进和完善与大气模式相祸合的陆面过程模式仍是提高大气 模式模拟和预报能力的两个主要方面之一“”。 高纬度地区和山地地区是气候变化的敏感区，而现在的气候模式在这些地区 的模拟能力还不尽如人意，特别是对青藏高原地区的地气相互作用过程知之甚少 f j 4 所以研究寒区陆面过程模式，是改善大气环流模式在高原及周边地区气候和 天气预报效果的关键。寒冷地区的冻土过程对于全球气候变化具有重要的意义， 在寒区的水文特征中起着重要的作用。冻土的表面温度、冻融状态的变化极大的 影响着与大气的交换；冻土还与其上积雪相互作用，从而直接或间接的影响了它 与雪盖或与其上大气的能量交换；冻土特别的水文特征对水分循环、水资源平衡 都有极其重要的作用，不同的冻土状态对土壤入渗减少起到了直接的作用，从而 对雨水和雪融水的入渗产生影响，对地表径流和陆面水文循环起到调节作用o ”。 气候学家和冻土物理学家已经使用长期的观测数据、经验指数和建立在物理基础 上的模式对冻土在全球变暖中的变化进行评估，这些工作都是在考虑冻土对大气 强迫的反应，而冻土对气候变化的影响的研究工作也已经开展起来。c o xe ta l “町 在陆面模式m o s e s 中加入土壤冻融方案后，提高了对当前气候的模拟，他们发现， 土壤水冻结导致北半球高纬度大陆的温度升高。气候模拟由于资料和认识水平所 第一章绪论 限，那些用于大尺度的水文模型和全球陆气相互作用的大尺度模式中，都还没能 完整地考虑冻土重要的物理过程。当陆气耦合模式的分辨率提高到用于研究区域 问题时，这些原先用于研究温带气候的模式的弊端就表现出来了，需要我们在陆 气耦合模式中对冻土的特殊物理过程加以描述“”。近年来，全球变化与冻土圈之 间的相互作用得到了越来越多人的关注，而目前，由于精确的测量冻土中重要的 物理量存在困难；对土壤冻融过程中水势，质量输送、融水的流动与未冻水含量、 含冰量的关系没有清楚的认识；冻土层中孔隙问的热量传导及导水率认识也是完 全不够的；未冻水含量与温度的关系大多是对实验室观测结果进行拟和得到的经 验公式。因此，对于土壤冻融过程需要使用参数化方案来描述。 1 2 陆面过程模式的研究进展和现状 1 2 1 陆面过程的重要性 陆气的相互作用通过陆面过程来实现。陆面过程是指能够影响气候变化的。 发生在陆地表面和表层土壤中，控制地气间动量、热量以及水分交换的物理过程， 包含发生在陆面上所有的物理、化学、生物过程，以及这些过程与大气的关系。 陆面过程包括地气间水文过程( 包括降水、蒸发和蒸腾、径流等) 、热力过程( 包 括辐射及热交换过程) 、动量交换的作用过程( 例如摩擦及植被的阻挡等) 、地表 与大气间物质交换的过程，以及地表以下的热量和水分输送过程。即涉及地表水 文过程、植被动力学过程、生物化学过程、边界层湍流输送过程、地气闯辐射传 输过程和土壤水分与热量传导过程“。陆地表面特征随空间，时间都有很大的 差异，主要表现为植被的变化、土壤结构和性质的差异、地形的不同等，是一个 菲常复杂的系统，除地形起伏外，上面还有诸如林地、草地、积雪、冻土和冰j l l 等多种覆盖物，是气候系统的一个重要下边界。陆面与大气发生复杂的相互作用， 交换水分和能量从而对气候产生重大影响，例如陆面雪盖，其独特的性质( 如高 反照率、低热传导率及水文特点) 可以影响陆面的水分收支和陆气能量收支嘲。 另外，模式的敏感性研究发现陆面特征对气候产生强烈的影响。已有的许多研究 已经表明了气候对与地面反照率、土壤湿度、地面粗糙度、植被阻抗、叶面积指 数、土壤热传导系数、根的分布、c o , 浓度等都有敏感的响应。如c h a n e y 嘶对地 面反照率的研究，y e h 等蚴对土壤水汽的研究，s h u k l a 跚等对地表蒸腾及s u d 等 第一章绪论 对粗糙度的研究。陆面与大气之间基本能量、水分和动量通量的空间差异不仅 可以驱动中小尺度环流，而且也可以影响到大尺度环流。”。通量的交换决定着大 气的状态，是大气动力学控制方程中的源汇项( 如摩擦项、感热项、潜热项) 。因 此，陆面过程研究在气候研究中有它的重要性和必要性。 为了研究陆气之间水分、热量和动量等交换过程的本质，就需要对这些过程 作出准确的数学描述。并将发生在陆气交界面上的各种物理过程、化学和生物过 程参数化用于数值模拟，使得模式更准确、真实的反映陆气相互作用。通过对陆 面过程的数值模拟，不仅可以为大尺度和中尺度模式提供比较合理的陆面过程参 数化方案，而且还可以由它用常规观测资料来反演长期的陆气相互作用特征，提 高气候意义上陆气相互作用认识。 l 。2 2 陆面过程模式的发展 最早的陆面过程研究出现在2 0 世纪5 0 年代，b u d y k o 提出简单的陆面方案 来参数化大气和陆面相互作用。6 0 年代末6 c m 出现以后，陆面过程作为模式中的 一个分量来表达，以保证系统的能量和水分守恒。陆面模式的发展经历了三个阶 段。 从6 0 年代末到7 0 年代，用空气动力学总体输送公式和几个均匀的陆地表面 参数简单地处理土壤蒸发和地表径流，即b u c k e t 嘲模式。b u c k e t 模式是建立在水 量平衡基础上的简单模式，它首次在g c m 中引入陆地水文过程，几乎所有g c m s 都 遵循b u c k e t 模式或类似地参数化陆面水文过程。该模型利用总体空气动力学输 送公式和几个均匀的陆面参数对土壤水的蒸发和地表径流进行简单的参数化，这 个模式尽管简单，却应用了近2 0 年。由于它的物理过程和参数化方案简单。对地 面的感热和潜热分配以及水循环中各分量的分配描述是粗糙近似的。随着认识的 不断深入，越来越不满足当前科学研究的需要汹1 。 8 0 年代以来g c i 中陆面参数化的一大进展是显式地引入了植被作用，利用对 陆面参数的直接观测，根据物理概念和理论建立了关于植被覆盖表面上空的辐 射、水分、热量和动量交换等过程复杂的参数化方案，较为真实地考虑了植被在 陆面过程中的作用，特别细致地考虑了植被对陆面水分和能量收支所起的作用。 本质上它们都属于计算土壤一植被一大气间传输方案( s v a t s ，s o i lv e g e t a t i o n a t m o s 曲e r i et r a n s f e rs c h e m e s ) 。d i c k i n s o n 等啪1 建立了充分考虑生物大气相 第一章绪论 互作用的，计算大气和植物覆盖的陆面间热量、质量和动量输送的模型，简称b a t s 模型( b i o s p h e r ea t m o s p h e r et r a n s f e rs c h e m e s ) 。s e l l e r s m l 建立了简单生物模 型s i b ( s i m p l eb i o s p h e r em o d e l ) 。 从9 0 年代以后，随着植物生理学和生态学研究的发展及卫星遥感技术的应 用。新一代陆面模式中包括了植物光合作用的生物化学模式。考虑了植物的水汽 吸收并将考虑植物吸收c o s 。这一阶段的陆面过程模式对地表碳通量和c o ：浓度的 日循环和季节循环具有较好的模拟能力，可真实地模拟出地表植被对c 也的吸收 率，改进了对地表能量和水循环的模拟。这类模式的代表有l s m 、s i b 2 。 随着人们对陆面过程及其对天气和气候重要作用和陆面物理生态及水文过 程气候效应认识的逐步深入，逐渐发展起来了一批用于气候研究的陆面过程模 式。在过去的1 0 年中陆面参数化方案发展迅速，改进了的和新的模型不断问世。 并且从简单、缺乏真实性的参数化方案逐步发展为真实程度很高的陆气交换模 式 为了促进陆面模式的发展，1 9 9 2 年世界气象组织( 嘲0 ) 大气科学委员会( c a s ) 下的数值试验工作组( w g 陋) 与g e w e x 大陆尺度国际计划( g c i p ) 联合开展了陆面 参数化的相互比较计划( p i p l s ，p r o j e c tf o ri n t e r c o m p a r s i o no fl a n d - s u r f a c e p a r a m e t e r i z a t i o ns c h e m e ) 嘲，早期的p i l p s 的研究结果表明：2 0 多个陆面过 程模式在相同的大气强迫下，对陆面水热通量的模拟存在很大的差异。陆面过程 模式结果之间的不一致性很大，陆面物理参数不统一是引起陆面模式模拟结果不 一致的主要原因。p i l p s 的第一阶段( p i l p s l a ) m 1 考察了2 2 个模式s p i n - u p 的时 间尺度对初始场中土壤湿度的敏感性。在p i l p s 2 d 阶段研究中，研究的重点为在 季节性积雪和冻土条件下，考察陆面过程模式模拟能力。目前，正在进行的 p i l p s 2 e 研究为极地气候系统研究( a r c t i cc l i m a t es y s t e ms t u d y - a c s y s ) 中的 一部分嘲，主要的研究地区是在位于瑞典和芬兰边界的托内河流域( g e 舵x b a l t e x 的研究区域，流域面积为4 0 ，2 0 0 k m 2 ，西部为河谷山带) 、位于加拿大的 马更些河流域( m a g s 的研究区域，世界上最大淡水排放盆地，年平均径流量9 l o o m 3 ) 和位于东西伯利亚的勒拿河流域( 面积为2 4 0 ，0 0 0 0 k m ，世界上最大的永冻土区域 之一) ，在这三个区域有着密集的观测网络。 由于陆面过程涉及到复杂的大气物理过程、生物化学过程，水文过程等多个 交叉领域，使得清楚地认识整个陆面过程有一定的难度。进一步完善和改进陆面 第一章绪论 过程模式仍然是大气科学的研究热点，并发展适合不同大气模式的陆面过程模式 并将它们分别耦合在相应的大气模式中使得大气模式更加完善。 1 2 3 陆面过程模式研究中存在的问题 现有的陆面过程模式种类繁多，近十几年陆气相互作用研究取得了快速发 展，也提出了许多新的挑战性问题，比如如何更好地刻画对陆气相互作用有重要 意义的下垫面中的物理过程、如何解决由于各类非均匀性及由此引起中尺度环流 对垂直通量的参数化问题等等嘞。另外现有的许多不同模式都有不同的侧重面和 针对性，在某个或某些方面的模拟效果较好，想要在模式中很客观的将陆面过程 描述出来还有很大的困难，在陆面过程模式研究中仍存在许多问题傍删。 ( 1 ) 中尺度网格上非均匀性影响作用 现有的模式对网格上的下垫面都采用了单一性、均匀性假设。郎认为在整个 网格上只有一种植被均匀分布，受均匀分布的大气条件驱动。然而事实上，陆面 上的构成非单一，也非均匀，大气条件也同样不可能均匀，其结果陆气作用三通 量及陆面状况在同一网格中并非常量，而且这种非均匀性还会激发大气中尺度环 流。如何求出网格上平均通量，以及如何对中尺度通量参数化，是当前难度较大 的工作嘲。 ( 2 ) 雪盖、冻土和稀疏植被下垫面上的陆面过程 现有的陆面模型主要对植被及较湿润土壤有较好的描述，对有重要反馈作用 的雪盖、冻土和干旱土等作用的描述过于简单，偏离真实。而冻土、雪盖占陆面 面积都远大于1 4 ，沙漠区占1 4 ，草地占1 4 。孙淑芬等研指出大面积的雪盖是 陆气交换相互作用不可忽略的一个部分，现有很多模式只是简单的雪盖和土壤层 合为一层。但在实际情况当中，雪表面与雪底部温度可由l o k 以上的差别，表面 与底部所接触界面一是冻土，另一是空气，是不同的两种介质。再加上雪有压实， 变形，相变等过程，使积雪、融雪过程的研究变得十分复杂，只简单的将雪和土 壤合为一层绝对不能解决问题。目前不少研究都试图改善这种过程描述，如 j o r d a n 口5 j 的复杂雪模式的目的在于研究雪的内部过程，由于计算量太大，所以不 能用于大气模式中。如l o t h 等汹1 和l y n c h - s t i e g l i t z s n 的多层雪模式，可用于气 候模拟，但是他们的缺点是没有很好地与大气模式中所用的植被和土壤相联系。 孙淑芬等啪1 将一个新的三层雪盖模式s a s t 与简化了的简单生物圈模式s s i b 相结 第一章绪论 合，对s s i b 进行了改进，并用俄罗斯以及法国的观测资料对这一新的改进模式进 行了检验，结果表明改进后的s s i b 的模拟结果能较好的重现现实观测数据，说明 这一新的改进形式可以推广用于气候研究。 干旱区在全球范围内广泛分布，它的陆面过程对全球和大气环流的变化也有 较大的影响，其特殊的气候条件和物理特性，在全球能量平衡中具有重要的作用， 而过去的陆面过程试验大都是在湿润地区和半干旱地区进行的，干旱区陆面过程 模式的参数化一直是大气数值模式中的薄弱环节。干旱半干旱地区、草地上经常 出现植被稀疏的情景，其上形成一种与稠密植被上很不相同的地气交换过程，经 常出现所谓的逆梯度输运，这表明在现有模式中模拟水热交换所基于的k 理论在 此会有偏差嘲。在我国西部干旱区及半干旱区的土地面积约占全国土地总面积的 4 7 ，所以研究稀疏植被，干旱及半干旱地区的陆面过程对于我国的意义更为明 显。在1 9 8 8 - 1 9 9 2 年，由中日合作在西北干旱区的甘肃黑河流域，进行了干旱区 陆面过程试验黑河地区地气相互作用野外观测试验( 髓i f e ) ，针对绿洲边界 层效应得到很多有意义的研究成果，另外大型观测计划e f e d a 及h a p e x - s a h e l 都直 接关注干旱、半干旱地区上水、热交换过程的特点。但在陆面参数化方面并没有 取得显著进展并且在以往陆面过程模式中，忽略了干燥地区条件下土壤中水蒸汽 运动对水分循环的贡献比液态水运动更重要这一特点，而把只适用于研究湿润土 壤中水运动的方法用于干燥土壤，必然引起较大的误差，所以正确决定该量是十 分重要的m 。 ( 3 ) 寒区陆面模型的复杂性和重要性 我国青藏高原是一个特殊的下垫面，具有特殊的地理位置、地形高度及生态 植被。它包括了冻土、雪盖、及稀疏植被等在陆面过程中较难解决的几个复杂下 垫面。高原上冻土分布广泛是青藏高原的一大特点，冻融过程对亚洲季风及气候 异常有重要的影响，是影响寒区生态环境的最活跃的因素；青藏高原是我国的积 雪中心之一，雪盖是一个对气候具有重要影响的下垫面，积雪对于大气的热效应 主要是由辐射反射引起的，具有强反照率，融雪后对于潜热的变化的影响以及积 雪内部物理过程复杂性，比如新雪和陈旧雪的区别，积雪厚度和密度的变化等等； 高原山地水文过程的研究也是一个难点；另外，高原植被不同于稠密植被的研究， 很多都稀疏短小。所以迫切需要发展适用于青藏高原特殊下垫面的具有我国的区 域下垫面特色的陆面模型。 6 第一章绪论 1 3 青藏高原地表过程在东亚天气气候中的作用及其陆面过 程的意义 ，青藏高原南邻副热带，北至中纬度，东西跨度超过2 5 个经距，占中国领土 1 4 ， 平均海拔高度达4 0 0 0 m 以上，约达到对流层高度的1 3 。是世界上平均海 拔最高、面积最大、地形最为复杂的高原。作为世界上最高的高原，具有独特的 气候和自然环境，因而高原地区的气候变化是全球气候变化中特殊而又重要的组 成部分。由于其特殊的地理位置及其地貌特征，使它在全球气候系统尤其在亚洲 季风特别是南亚季风的形成、爆发、持续时间及强度等方面扮演着重要角色“。 其高大地形的动力作用，加上高原地面强大热源的热力影响，对亚洲季风的形成 与演化具有十分重要的作用。青藏高原地区的能量和水循环过程也是全球能量和 水循环的主要部分之一。高原大气水文过程对亚洲季风的影响和改进数值预报的 研究已成为2 0 世纪9 0 年代以来国际广泛关注的焦点”删。位于亚洲腹地的青藏 高原是全球气候变化的敏感区，对全球气候变化起着重要的驱动作用，因其是同 纬度带中气温平均变率突出的高值区，更是因为青藏高原脆弱而具有敏感性的生 态系统能对气候变化做出迅速的响应。是全球气候变化的预警区删。然而，在高 原辽阔、复杂的下垫面上，气象水文台站十分稀少，资料年份很短。人们对青藏高 原地气相互作用过程的了解还远远不够，严重影响天气气候研究及我国东部灾 害性天气气候的预报。 青藏高原由于其独特的地形，有大量的冻土面积。永冻土和季节性冻土分别 占高原面积的5 5 和4 4 “”，并且青藏高原是中、低纬度地带多年冻土面积最广、 厚度最大、温度较低的地区嘲。多年冻土具有冻土厚度薄、地温高和日照强烈等 特点，是气候变动的敏感指示器。气候变化对多年冻土热状况的影响，通过大气 与地面间热交换关系的变化来实现。当气候变化时，可能引起植被和地面积雪的 变化，这将改变大气与地面间的热交换关系，并引起冻土热状况的变化陬”。而 季节性冻结和融化层( 活动层) 在温度年变化层的上部，更接近地表，对气候变化 更为敏感，反应更加迅速，其升温更早于和高于全球平均值，冻土受环境温度的 “刺激”活动更加频繁删。青藏高原地表最显著的物理特征之一是土壤的季节冻 结和消融过程，而季节的冻结和消融过程及其空间分布导致地表干湿状况的时空 变化以及地表热量的变化嘲。 第一章绪论 王澄海等的研究表明，与青藏高原地表过程相联系的冻融过程与我国夏季降 水之间存在较好的相关，这种变化深深的影响着其后的季风行为和全球气候过 程”蚓。土壤的冻融过程是青藏高原地区气候系统中的重要因子之一，土壤冻融 过程会改变地表与大气问的感热、潜热、动量通量及长波辐射，也会改变能量平 衡方式，进而对区域气候产生显著影响删。 青藏高原地表不规则的雪盖以及大面积的冻土导致的地表干湿状况的时空 变化以及地表热量平衡的变化深刻地影响季风行为和全球变化过程嘲。高纬度地 区和山地地区是气候变化的敏感区，而现在的气候模式在这些地区的模拟能力还 不尽人意，特别是对青藏高原地区的地气相互作用过程知之甚少“”。因此，研究 高原的陆气物理过程，对青藏高原地气交换进行合理的描述和准确地模拟对提高 g 例对东亚乃至全球气候的模拟能力是十分重要的，也是改善g c m 对亚洲季风 以至全球天气和气候预报效果的关键。 1 4 寒区陆面过程的研究进展 冻土区( 带) 是指地球上凡是岩土温度在0 c 和0 c 以下并含有冰或不含冰的 地区( 带) 。冻土在全球范围分布广泛，现代多年冻土分布的面积占全球陆地面积 的2 5 ，包括季节性冻土在内则要占到5 0 。在北半球，多年冻土和季节冻土占 大陆面积的7 0 ，季节性冻土则遍布纬度高于2 4 。n 地区。我国多年冻土面积达 2 1 5 x 1 0 k i n 2 ，占国土面积的2 2 3 ，仅次于俄罗斯和加拿大，居世界第三位，且 具有主要分布在中、低纬度的青藏高原的特点。 随着陆面过程模式的发展，冻土过程在陆面过程模式和气候模式中的重要性 越来越被人们所知，这主要是因为( 1 ) 冻结土壤中所含的冰是土壤水分的另一种 存在方式，在土壤冻结和融化时会释放或吸收大量的潜热能量，从而影响能量在 土壤层的分配；( 2 ) 土壤层中冰的存在会影响土壤中液态水的迁移，同时也会影 响地表水的分配；( 3 ) 土壤层中冰的存在改变了土壤的物理性质。由于水的热传 导率为0 5 7 朔。1 k - 1 ，冰的热传导率为2 2w 辨。k 一，含冰量高的土壤比含有相 同液态水的土壤有更高的热传导率，丽水的热容量为4 2m j m 4 k 一，冰的热容 量为1 9m j m - 3 k 一。所以含冰量高的土壤热容量低，因此间接的影响土壤向上 的热通量的输送。 8 第一章绪论 关于冻土的水热性质方面，国内作了大量系统性的工作，例如：李述训和程 国栋1 等对冻融土壤中的水热输送问题及有关冻土性质方面进行了研究；徐学祖 等嘲对冻土的基本物理性质及力学特征发表了专著。但是主要关注冻土过程本 身，而与气候研究有关的模型发展的研究工作很少。最早对冻土冻融过程进行模 拟的研究出现在7 0 年代，这些模式对冻土中水分入渗和水分运动的模拟使 用了很大的迭代方法或较高分辨率，时间步长很短。不适合用于气候模式中陆面 过程的研究。需要发展简单而又能表述冻融过程特征的模式。在国外，与气候研 究有关的冻土过程模型发展的研究工作开展一直也是薄弱的环节，只是近十年 来，有关冰冻圈的模型发展的研究才得到较多豹重视。一些重要陆面过程模式( 如 s s i b 模式，b a t s 模式) 引入了一些简单的冻土过程参数化方案，考虑了冻土的某 些方面，但其主要的物理过程未被详细的进行分析考虑。在b a t s 模式中，对 冻土过程的考虑相对复杂一些，假设在一4 - o ，土壤水分是冻结的，土壤的热扩 散率定为1 4 x1 0 1 m s ，土壤的热容量赋予一个小量，并且将土壤的融解潜热加 到上一层土壤。 近几年来出现了一些新的可以用于陆面过程研究的冻土参数化方案，陆面过 程b a s e ( b e s ta p p r o x i m a t i o no fs u r f a c ee x c h a n g e s ) ( s l a t e r 1 9 9 8 ) 伽、n c a r c l m ( c o m m o nl a n dm o d e l ) ( d a i ，2 0 0 1 ) 删、t a k a t aa n dk i m o t o ( 2 0 0 0 ) 删在n u m a g u t i 等发展的c c s r n i e sa g c m 的基础上，对冻融过程进行了简单的考虑，发现加入 冻土过程之后，春季的融雪径流增加，土壤湿度减少，并且对夏季的局地和全球 大气环流显著的效应、v l c ( c h e r k a u e ra n dl e t t e n m a i e r ，1 9 9 9 ) 考虑了土壤水 分冻融时释放出和吸收的热量，采用了j o h a n s e n ( 1 9 7 5 ) 的热传导率参数化方案。 基于上述的这些闯题，仍需要对土壤的冻融变化过程有更好的认识，发展更 有物理过程基础的合理的冻土参数化方案，对于冻土过程在全球大气模式中的效 应，目前所做的工作还不多。研究冻土过程在全球大气模式中的效应，发展适合 于寒区的陆面模式是一项很有意义的工作。 1 5 本文的研究内容 c o l m 模式利用全球不同气候带的不同下垫面类型的野外观测试验结果进行 了大量的验证试验( 如俄罗斯的v a l d a i 草原、巴西的亚马逊雨林等) ，检验了c o u l 9 第一章绪论 对上述典型下垫面陆气相互作用特征的模拟能力，结果表明c o l m 在这些区域具有 良好的模拟能力。但对于具有复杂下垫面的东亚季风区而言，c o l m 却未得到很 好的验证。东亚区域地形复杂，具有多种不同下垫面，地表植被多样，“世界屋 脊”青藏高原位于此区域，陆面状况的这种特殊性和复杂性必然导致陆气相互作 用的特殊性和复杂性，从而对模拟陆气相互作用的陆面过程模式提出较高的要 求。c o u i 模式在寒区的模拟能力还有待于进一步检验，并且由于在高原上连续性 较好、观测密度较高的资料较少，特别是对深层土壤温、湿状况的连续观测还没 有，所以陆面过程模式对高原土壤过程的模拟状况目前还较少。用观测的大气资 料作为驱动，对高原地区进行“独立( o f f - i i n e ) ”试验，评价陆面过程模式在高 原的模拟效果，研究青藏高原地区的陆面特征，提高高原地区的模拟水平做一些 基础工作。 尽管在高原动力和热力作用对大气环流和气候影响等方面已取得了许多有 意义的成果删。但对能量平衡过程缺少观测和研究，对高原热源影响程度、高原 西部大气状态及湍流总体输送系数值的大小等，仍存在着不同的看法【7 2 1 。对于人 烟稀少的高原西部，地面热量平衡及对大气的作用了解得更是不够多。青藏高原 地面辐射平均强度以西部最强，且植被稀疏，广泛孕育着多年冻土，是青藏高 原的积雪中心之一洲。利用模式分析研究资料稀少地区的陆气相互作用，提高高 原西部地区的陆面特征认识，改进气候模式的陆面过程模拟能力进行初步探索。 针对上述提出的问题，本论文进行的研究工作主要集中在高原西部这一植被 稀疏，气候寒冷、干旱，观铡资料较少的地区。主要内容包括以下几个方面： ( 1 )使用了近年来发展起来的c o l m 模式( d a i ) ，以1 9 9 8 年g a m e t i b e t 、 2 0 0 2 年一2 0 0 3 年g a 船t i b e t 加强期的观测资料检验该陆面过程模式 对青藏高原西部地区的模拟效果，并在此基础上讨论青藏高原地区土 壤冻融期间，陆面过程的特征。尤其重点分析冻融期地表能量平衡的 特殊性。 ( 2 )检验了土壤初始场对陆面过程模拟的影响。分析不同的土壤湿度初始 值下地表能量的变化及土壤温湿的变化。 ( 3 )针对高原地区不同地区土壤结构的不同，分析研究1 2 种基本土壤类 型的陆面特征，研究土壤的物理性质对陆面过程模式影响。 第一章绪论 本文结构如下； 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 绪论 陆面模式简介 青藏高原陆面特征的模拟分析 不同土壤类型对寒区陆面过程中的影响 总结与展望 第一章参考文献 参考文献： 1 c h a r n e y ，j 6 d y n a m i c so fd e s e r t sa n dd r o u g h ti nt h es a h e l 衄tj = r o y m e r e o f s o c ，1 9 7 5 ，1 0 1 ：1 9 3 2 0 2 2 w a l k e r ，j a n dp r r o w n t r e e t h ee f f e c to f s o i lm o i s t u r eo nc i r c u l a t i o na n d r a i n f a l li nt r o p i c a lm o d e l 铷a r t j r o y m e t e o t s o c 1 9 7 7 1 0 3 ：2 9 - 4 6 3 s h u k l a , j a n dy 1 i n t z i n f l u e n c eo fl a n d - s u r f a c ee v a p o t r a n s p i r a t i o no nt h e e a r t h sc l i m a t e s c i e n c e , 1 9 8 2 ，2 1 5 ：1 4 9 8 1 5 0 1 4 h e r d e r s o n - s e l l e r s a a n dv g o r n i t z p o s s i b l ec l i m a t i ci m p a c t so fl a n dc o v e r t r a n s f o r m a t i o n sw i t hp a r t i c u l a re m p h a s i s0 1 1t r o p i c a ld e f o r e s t a t i o n c l l m c h a n g e , 1 9 8 4 6 ：2 3 1 - 2 5 8 5 l a v a l ，k a n dl p i c o me f f e c t so fac h a n g eo ft h es u r f a c ea l b e d oo ft h es a h e l o nc l i m a t e a t m o s & z ，1 9 8 6 ，4 3 ：2 4 1 8 - 2 4 2 9 6 s i m m o n d s 。i a n da l y n c h t h ei n f l u e n c eo fp r e e x i s t i n gs o i lm o i s t u r ec o n t e n t o na u s t r a l i a nw i n t e rc l i m a t e i n t 工c i m a t e 0 1 1 9 9 2 。1 2 ：3 3 - 5 4 7 d i c k i n s o nr ea n dp k e n n e d y i m p a c t so nr e g i o n a lc l i m a t eo fa m a z o n d e f o r e s t a t i o n g e p h y s r e s l e t t ，1 9 9 2 ，1 9 ：1 9 4 7 1 9 5 0 8 吕世华，陈玉春绿洲和沙漠下垫面状态对大气边界层特征影响的数值模拟手厚抄 搪，1 9 9 5 ，1 5 ( 2 ) ：1 1 6 - 1 2 3 9 孙淑芬，金继明陆面模式研究中的几个问题，瘟可气象期，1 9 9 7 ，8 ( 增刊) ：5 1 - 5 7 ， 1 0 焦严军一嵌套区域气候模式的建立和中国夏季降水的区域气候模拟垆罾稃学魔兰 强离跟大气物理研究瞬博士学位论文 1 1 吴统文青藏高原积雪对亚洲夏季风和降水影响的事实分析、理论研究、积雪参数化 南蒹镪诗选殁禳韵、毽醢中国科学院寒区旱区环境与i 程研究所博士论文 1 2 d i c k i n s o n ，r e l a n dp r o c e s s e si nc l i m a t em o d e l r e m o t es e n s e n v 。1 9 9 5 ， 5 1 ：2 7 3 8 1 3 d i c k i n s o n ，r e l a n d 。a t m o s p h e r ei n t e r a c t i o m ，髓丘n a t i