北京大学陆气耦合模式的研发及检验

1、北京大学陆气耦合模式的研发及检验陆地表面和大气边界层是地球气候系统中的关键组成部分。 陆面物理、 生化 过程以及大气边界层湍流输送过程对全球能量、 水分循环以及气候变化有着显著 的影响。陆地表面地表类型多样， 物理、 生化过程复杂， 陆地与边界层之间存在非线 性的相互作用。 为了定量地研究陆气相互作用机理， 需要发展复杂的陆面过程 大气边界层耦合模式。本文在“我国西北典型干旱半干旱区能量和水分循环观测试验与分析” 项目 观测资料的支持下， 分三个步骤建立了北京大学陆气耦合模式。 首先，发展了 北京大学陆面过程模式 PKULM(Peking University Land Model)，利用巴丹

2、吉林沙漠以及平凉农田地表观测资料检验了模式，并针对土壤反照率、比辐射率、 地表粗糙度、叶面积指数等关键地表参数及二氧化碳浓度加倍这一气候情景开展 了敏感性实验，验证模式的正确性；然后，建立了北京大学大气边界层模式 PKUBLMPeking University Boundary Layer Model),利用敦煌 GPS探空资料， 检验了模式对大气边界层垂直结构的模拟能力；最后，将PKULM与 PKUBLM耦合起来，建立了北京大学陆气耦合模式， 并对一个理想的沙漠绿洲局地气候系 统进行模拟研究，检验了耦合模式的模拟结果。主要结论如下：(1)建立了北京大学陆面过程模式 PKUL M北京大学陆面过

3、 程模式考虑了辐射传输、近地层湍流输送、光合作用、土壤水热输送、冠层降水 截留这五个物理、生化过程及其相互作用。针对植被光合作用，PKULMK用显式的生化机理模型模拟碳同化过程，采用Ball-Berry 模型模拟气孔阻抗，并改进了计算方法，使用二分查找算法避免了 牛顿迭代方法在环境水汽压较低时气孔阻抗计算不稳定的问题， 使模型能够适用于干旱半干旱地区； 采用二流近似模型分别模拟可见光、 近红外两个波段的直射 与散射辐射在冠层中的透射、 反射以及散射过程； 采用阻抗模型模拟湍流输送过 程，将整个植被冠层视为一片“大叶子” ，根据 Monin-Obukhov 相似性理论，建 立了近地面层中热量、

4、水汽、 二氧化碳通量与气象要素之间的函数关系， 由此计 算不同大气稳定度条件下的湍流通量； 使用多层土壤热传导模型模拟土壤温度变 化情况；采用基于土壤毛细水势的水分扩散方程模拟土壤湿度分布， 该方法将土 壤饱和区与不饱和区的水分运动方程统一起来， 能够直接模拟土壤湿度与地下水 的相互作用。（2） PKULM莫拟了巴丹吉林沙漠以及平凉农田这两个下垫面上地 气间能量、水汽交换通量，并与地表通量观测资料和NOAH陆面过程模式模拟结果进行了比较。结果表明：PKULM能够准确地模拟干旱半干旱区典型下垫面上陆气交换过程。 在此基础上， 分别在沙漠下垫面上进行了改变地表反照率、 比辐射率、 粗糙度的 敏感性

5、实验，在农田下垫面上进行了双倍叶面积指数以及二氧化碳浓度加倍的数 值模拟实验，进一步验证了陆面过程参数化方案的合理性。（3）改进了北京大学边界层模式 PKUBLM北京大学大气边界层模式是一个 流体静力学模式，垂直方向上采用地形跟随坐标，水平方向上采用标准的 Arakawa-C交错格点，时间上采用前向差分格式，湍流闭合方案使用Yamada1.5阶方案；模式是一个三维模式， 能够模拟大气运动以及热量、 湍流动能在水平和 垂直方向的平流输送过程。本文使用PKUBLNg拟了敦煌戈壁上不同时刻的大气边界层位温以及风速廓线，并与GPS探空资料进行了比较。结果表明，PKUBL能够合理地模拟大气边 界层垂直结构特征及其日变化过程(4)建立了北京大学陆气耦合模式。PKUBL与PKULM利用近地面层10m高度风速、温度场以及2m高度温度、特征风速场实现了耦合。在此基础上，本文