1、北京大学校长基金论文集（2003 年） 区域水分散失耦合模式的研究进展1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
2、 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
3、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
4、模式的研北京大学校长基金论文集（2003 年） 区域水分散失耦合模式的研究进展2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，Dickinso
5、n 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
6、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
7、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 LPM17。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、大气内部水分输送过程等方面的研究进展作详细概述。2 区域水分散失耦合模式的
8、研究进展人们很早就注意到地-气之间的水分交换对区域环境和大气过程产生着重要影响。关于区域水分散失的模拟 50 年代就已出现。到现在为止，对水分过程的模拟大致经历了三个阶段。第一阶段（5070 年代）仅考虑土壤-大气的物理过程，其代表为 Budyko（1956）提出的“Bucket” （水桶模式） ；第二阶段（80 年代）引入了植被的生物物理过程，以 BATS 和 SiB 为代表；第三阶段（90 年代之后）引入了植被的生物化学过程，其代表为 SiB2。下面将分别就这 3 个阶段的区域水分散失模拟及其代表性进行较为详细的评述。2.1 “Bucket”（水桶模式）Budyko（1956）提出的“Bu
9、cket” （水桶模式）是以水分质量守恒为基础建北京大学校长基金论文集（2003 年） 区域水分散失耦合模式的研究进展3立的。其原理是将陆面看作一定厚度的土壤（一层土壤） ，即“水桶” 。上层土壤含水量是 3 个通量的函数，即降水、蒸发、地表径流。假定陆地水桶具有一定的田间持水量，降水使其中水增加，地面蒸发使水减少，当累积水量超过水桶的容量，多余的水将作为地表径流流走。Manabe（1969 ）首次将其引入 GCM，至 80 年代以前，GCM 中的水分输送过程没有或简单考虑植被的作用，使用简单指定的参数，未能考虑不同地区土壤地质和植被种类差异的影响，对蒸散过程的描述真实性较差，土壤未作分层处理
10、，没有考虑土壤内部的水分传输。但由于其简单性和有效模拟性，至今仍被一些 GCMs 沿用。2.2 考虑植被影响的水分过程模拟80 年代以来，水分散失过程的模拟方面在土壤和大气之间增加了植被层。Dickinson（1984）首先提出了考虑植被影响的陆面过程模式，之后，关于植物的生物物理过程对显热与潜热交换及蒸发与蒸腾等的作用的研究得到迅速发展。这类模式中有关植被的水热平衡包括：降水截流、再蒸发、下滴，气孔阻力和蒸腾，植物根系对土壤水的抽吸作用，表层和深层土壤中的湿度分布等。土壤被分为多层，典型的被分为 3 层：表层、根系层和深层土壤，并考虑不同层土壤之间的水分传输过程。BATS 模式中，地面土壤层
11、和根系层的水分预报方程描述了根部降水、融雪、蒸发、地表径流、渗透、土壤层之间的水分交换等。降水被植被冠层截留，或者再蒸发，或者下落到土壤中。地表径流在模式中作了简化处理。土壤水分小于田间持水量时，土壤表面不出现地表径流；土壤水分达到饱和时，地表水全部形成地表径流。SiB 模式考虑的基本过程与 BATS 类似，模式中包括 2 层植被（冠层、地被）和 3 层土壤（表层、根系层、深土层） ，分别建立了植被层的截获水分控制方程组和土壤水分控制方程组，并建立了一个大气、陆表水分循环圈。此类模式通过引入植被层使水分过程的模拟比“Bucket”更为合理，能较好的模拟陆面的感热、潜热等情形，但未能考虑土壤-植
12、被-大气相互作用中明显存在的生物化学过程，有待进一步改进。2.3 考虑植被生物化学过程的水分过程模拟此类模式在第二阶段模式的基础上，系统的模拟了植物界面的光合生理生化过程，认识到光合作用对气孔阻抗大小的控制，从而影响植被能量与水文循环。Sellers 等（1996）发展的 SiB2 模式是此类模式的典型代表，利用了Ball（1988）的气孔导度与光合作用的关系，实现了通过群落光合作用的估算来推算冠层的气孔阻力，进而实现了光合作用与水汽传输的耦合 20。同时，该模式还考虑了土壤下层的径流问题。此类模式通过耦合植被界面的气孔导度与光合作用，可以方便计算出水热的收支状况。北京大学校长基金论文集（20
13、03 年） 区域水分散失耦合模式的研究进展43 水分交换过程各环节模拟的研究进展土壤-植被- 大气之间的水分交换过程十分复杂，但大致可分为土壤-植被-大气界面水分输送过程、土壤内部水分输送过程、大气内部水分输送过程 3 部分，并用简单示意图表示：云大气植被云雾降水植被蒸腾地面蒸发上升气流下沉气流根系抽吸 重力渗透（1）（3）扩散湍流扩散图 1 土壤-植被- 大气连续体中水分输送示意图3.1 土壤-植被- 大气界面水分输送过程的模拟研究进展地表与大气之间的水热传输，即土壤-植被-大气传输（Soil-Vegetation-Atmosphere Transfer, SVAT）问题是陆面过程的重点之一
14、。SVAT 的复杂程度，由最初的“Bucket ”中只考虑地面与大气之间的传输问题，发展到目前含有多个植被层的物理-化学- 生物联合模式，并对水平方向的不均匀性作了考虑。SVAT 按其对植被冠层的处理可分为单层模型、双层模型和多层模型。单层模型将整个下垫面看作一个整体，没有考虑土壤-植被系统内部的水热相互作用过程，如 BATS；双层模型分别对冠层和土壤进行考虑，如 SiB；多层模型将冠层按其气候特性的差异又分成许多层，如 SiB2。现行的对土壤-植被- 大气连续体内水分交换的估计，主要基于能量平衡方程，即利用波纹比能量平衡法。能量平衡方程可表示为：GHLERn（1）式中， 为所考虑系统的净辐射
15、，LE 为潜热通量，H 为显热通量，G 为界面n地面风地表与地下径流（2）北京大学校长基金论文集（2003 年） 区域水分散失耦合模式的研究进展5的热传导通量。对应单层模式、双层模式、多层模式，需要对不同分层列出该层对应的能量平衡方程分别计算其中的每一项。而其中关于冠层内潜热通量的计算，需要植被叶面蒸腾量的计算，而蒸腾量的计算对应考虑不同的生物物理化学过程，有其不同的计算方法。国内学者在 SVAT 的研究中也取得了一定进展，并对不同类型的下垫面与大气之间的水热交换进行了研究，如刘树华 1998 年与孙卫国分析了农田植被层上方的湍流输送，并于 1999 年发展了不同下垫面水分与能量传输模式 21
16、，同年与刘和平等对森林冠层边界层湍流传输进行了观测和数值模拟 22，此外 2002年作了荒漠下垫面陆面过程和大气边界层相互作用的敏感性实验 23；另外，张晶等 1998 年发展了一个改进的陆面模式 24。3.2 土壤内部水分输送过程模拟的研究进展最初的“Bucket ”（水桶模式）未对土壤分层，并且只考虑了地表径流。之后，在 BATS 和 SiB 模式中，将土壤作了分层处理，考虑了各层土壤之间的水分交换，以及根系对土壤水分的抽吸作用。在 SiB2 模式中，更加入了对地下径流的考虑。地面的蒸散量包括地表-植被的蒸发和蒸腾。在地下水层较深的情况下，如果将土壤分为表层、根系层和深土层，并将后两层又分
17、别分作若干层，可以较细致的考虑各层间的水分交换作用。土壤表层湿度由其水分收支及其向下的重力渗透、水扩散所决定；表层以下各层的土壤湿度由重力渗透、水扩散及蒸腾抽吸所决定；在土壤底部，仅考虑重力的作用，流出的水成为深层土壤径流，类似 SiB2 对土壤中水分输送过程的考虑。国内典型的有刘和平等 1999 年不同下垫面水分与能量传输模式关于陆面水分模拟的研究，在此研究中，除水流之外，还考虑了土壤中的水汽运动，同时，国内外许多研究表明，当土壤体积含水量低于 0.05 时，水汽的输送比液态水更为重要 25,26。此类模式适用于我国干旱半干旱地区。在地下水层较浅的情况下，不能简单的只考虑深层径流。莫兴国 1
18、998 年建立了一个非等温饱和-非饱和土壤子系统模型，考虑了饱和层的土壤中径流问题，并讨论了地下水浅埋情况下水位所处深度对地表蒸发和植物蒸腾的影响。此类模式适用于我国湿润地区。3.3 大气内部水分输送过程模拟的研究进展大气内部的水分输送主要包括湍流扩散造成的垂直方向的输送和大气水平运动（风）造成的水汽水平方向的输送。这两部分运动联合起来，即形成大气水汽环流。湍流输送可由涡动相关法、波纹比能量平衡法、梯度法等方法求得；水平输送可由物理量的平均输送方程得到。由于潜热通量是主要的湍流输送量，所以在区域下垫面水热性质差异不大的情况下，上方湍流输送的差异很小，所形成的环流湮没于原本存在的大环境大气环流中
19、；当区域下垫面水热性质差异较大时，其上方能形成较大的湍流输送的差异，进而形成水汽输送的次级环流，并于当地原有的大气环流共同影响其下垫面上方的水汽输送。刘树华等 1996 年研究了不同下垫面湍流输送的计算北京大学校长基金论文集（2003 年） 区域水分散失耦合模式的研究进展6方法，同年研究了植被覆盖度对半干旱地区局地环流的作用，之后又分别对农田、森林、荒漠等下垫面的湍流输送特征进行了研究。此外，因为沙漠中的局地环流对其生态环境的改善非常重要，很多学者就该方面作了一些研究 27,28。4 区域水分散失耦合模式研究中的问题与难点到目前为止，区域水分散失耦合模式经历了三个阶段的发展，从最简单的物理模式
20、“Bucket ”，逐步加入生物物理过程与生物化学过程，关于植被对水分输送过程的影响进行了比较完善的考虑。但是，在研究的几个方面还存在着明显不足。4.1 下垫面非均匀性问题陆面的各种要素的非均匀性对其水热交换有重要影响，但由于缺乏全面细致的观测资料，在很大程度上限制了对陆面非均匀性的模拟，使其成为当前的难点问题之一。80 年代后期以来，先后有学者用通量平均法 29,30和概率密度函数方法 31,32简单处理陆面的非均匀性，之后又把两种方法联合起来进行考虑33,34。但是，关于下垫面非均匀性问题的细致模拟仍有待进一步研究。4.2 地表与地下径流的问题PILPS 计划通过对目前 20 余个具有代表
21、性的 LSM 的比较结果显示，在相同的大气强迫下，众多的 LSM 对陆面水循环和地 -气通量的模拟存在显著差异，其重要原因是各 LSM 中对地表与地下径流的考虑不尽相同。同时，这些模式的移植性较差。详尽地模拟地表水循环和地下水，对降水与融雪过程的精确处理，以及优化模式的移植性，仍是今后需要深入研究的问题之一。4.3 对生物化学过程模式的应用问题目前对区域水分散失耦合模式的研究，很多情况下仍只考虑了生物物理过程的模拟，尤其是国内的研究方面。但是，在水分输送过程中的植被部分，生物化学过程对叶面蒸腾起控制作用，是应当被考虑的。但是，生物化学过程的模拟非常复杂，而由于计算时间等限制，模式的简化是一个迫
22、切问题。所以，在今后的研究中，应考虑对生物化学过程模式的应用和简化。5 结语区域水分散失耦合模式的研究自 20 世纪 50 年代以来取得了很大进展，所考虑的过程类型从简单物理过程、生物物理过程到生物化学过程，每个过程的加入，标志着此类模式的不同阶段。在近 50 年的研究中，分别在模式的几个子系统（植被、土壤、大气）有了不同的进展，并对不同下垫面情况的水分输送过程进行了分别研究。但是，在研究中还有一些尚待解决的问题，如下垫面的北京大学校长基金论文集（2003 年） 区域水分散失耦合模式的研究进展7非均匀性、径流问题、对生物化学过程模式的应用等等，今后的研究也要向这些方面发展。致谢本论文是在我们的
23、导师刘树华教授的悉心指导和帮助下完成的。在整个课题研究与论文写作过程中，刘老师始终给予我们严格要求、充分信任和热情鼓励，使我们得以在理论研究和科研能力上取得了不少的收获。尤为重要的是，在我们遭受重大困难和挫折时，刘老师提供了极大的物质和精神上的支持，使我们得以坚持自己的理想，重新找回自信。在此，我向刘老师致以最衷心的谢意！另外，我们还要感谢在四年学习生活中互相鼓励、互相帮助、共同奋斗的同学们，没有这个良好的学习生活氛围，我们是不可能取得现在的成绩的。我们衷心祝愿他们在今后的学习生活中万事如意。参考文献 1 Budyko M I. The heat balance of the Earths s
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45、入北京大学地球物理系大气科学专业，该专业在 2001 年 5 月院系合并时成为物理学院大气科学系，在校期间德、智、体各方面表现优秀，积极参加院系及社团活动，学习成绩名列前茅，并获 2001-2002 学年度北京大学学习单项奖与光华奖学金。韩笑，男， 1982 年 1 月出生于北京，2000 年由汇文中学考入北京大学地球物理系大气科学专业，现就读于北京大学物理学院大气科学系，在校期间德、智、体各方面表现优秀，学习成绩名列前茅，2000-2001 学年度获北京大学谢义炳奖学金、北京大学三好学生，2001-2002 学年度获北京大学三好学生标兵，2002-2003 学年度获北京大学三好学生。蔺洪涛，
46、男，1982 年 10 月出生于山东郓城，2000 年由郓城实验中学考入北京大学地球物理系大气科学专业，现就读于北京大学物理学院大气科学系，北京大学校长基金论文集（2003 年） 区域水分散失耦合模式的研究进展10在校期间德、智、体各方面表现优秀，学习成绩名列前茅。感悟与寄语：在近一年课题的研究中，在刘老师的指导与帮助下，在理论知识和研究方法上，我们得到了很多收获；其间，也曾遇到过重大困难。在克服困难的过程中，获得了极为宝贵的经验。我们很庆幸有这样一个机会在本科生三年级的时候进入课题研究领域，这不但对以后的研究工作是一个很好的基础，而且在研究中，关于此研究内容的历史和近年的研究成果的了解对专业
47、课的学习也有很大的促进作用。这是一个很好的开始，在以后的学习与研究中，我们将运用已经懂得的理论与方法，进行更加深入地研究。指导教师简介：刘树华，男，教授，博士生导师。1952 年 5 月出生于山东省淄博市。现兼任教育部教学指导委员会大气学科委员会副主任、全球变化中国委员会委员、中国气象学会副秘书长、中国科学院兼职研究员等。1977 年毕业于北京大学地球物理系大气物理专业并留校任教；1996 年国家教委派往美国佐治亚大学作访问学者，从事大气边界层物理和大气湍流理论、模式和观测的合作研究；1999年应香港城市大学邀请作访问教授，从事城市大气边界层物理与污染物输送的数值模拟研究。多次应邀参加国际、国内学术研讨会和学术访问。主要从事大气边界层物理、大气湍流、环境生态方面的教学和研究。主持完成国家“七五“、 “八五 “科技攻关项目、国家自然科学基金项目等多项科研课题。在Boundary-Layer Meteorology（SCI）、在中国科学（中英文）(SCI)、Advances in Atmospheric Sciences（SCI）、 大气科学（中英文）、气象学报（中英文）、北京大学学报（自然科学）（中英文）、地理学报、应用气象学报、应用生态学报及国际会议上发表论文 100余篇。获得省部级科技进步奖 5 项。
