Chapter 6

Land Surface Process Modeling陆面模式

中国广西漓江

Outline

• PBL和陆气界面的图景

• 陆面过程参数化LSP

• 从LSP到现代陆面模式LSM

• PBL湍流参数化

PBL的基本图景

PBL (ABL) Free Atmosphere

流体运动形式 湍流 平流（偶尔湍流）

动量耗散 很强的湍流耗散 无

风 非地砖 or 次地转风 地转风

时间尺度 小时（日循环） 天-周（天气循环）

水平 x 垂直尺度 1km x 1km 1000km x 10km

比喻热带雨林，枝枝蔓蔓，

水平穿越十分困难，速度快不了蒙古草原，一马平川，

水平穿越十分容易，速度很高

PBL和陆气界面的图景

行星边界层(PBL/ABL)是对流层大气最下面1/10

的部分，湍流是其最主要特征！

大气模式中PBL湍流方案描述：

Ekman层：也即“风旋转”层，宏观作用力和湍流效应都需考虑，大气三力平衡（PGF，科氏力，湍流摩擦力）

常值通量层（混合层）：宏观作用力（PGF和科氏力）可以忽略，大气湍流非常强盛，导致动量、热量、水汽混合非常均匀，但分子粘性可忽略

大气模式中的LSP或独立的LSM描述：

表面层：植物冠层(包含建筑)严重地限制了这一层的大气运动，大气分子粘性起重要作用，还需要考虑微小尺度湍流，细微结构研究十分困难，个体差异很大，模式中使用Land Surface

Parameterization (LSP)，或耦合一个Land

Surface Model (LSM)Soil

10 m

100-

1000 m

1000 m

Surface Layer

Constant Flux Layer

Mixed Layer

Ekman Layer

Pla

ne

tary

Bo

un

dary

Layer

Free Atmosphere

时空谱：陆面过程 vs 大气过程

教材图14.1

植物生理

蒸腾作用

生态动力学

生物慢过程

物理快过程

物理过程：- 辐射、能量交换- 水汽交换- 动量交换- ……

生物过程：- 物质交换- 生物生长、枯萎- 生物物种叠代- ……

陆面过程三个反馈闭环

最快：“物理-化学”的陆面过程

慢：“植被”的陆面过程

最慢：“生态”的陆面过程

教材图14.2

陆面过程参数化Land Surface Parameterization

电阻模型；地表的多种Fluxes；热传导与计算Qg；地表能量平衡；Bowen Ratio；Roughness Length；用电阻模型计算各通量

电阻模型

r

UI

21 rr

U

r

UI

total

21

21

rr

rr

U

r

UI

total

单电阻

双电阻串联

双电阻并联

地表通量

Surface Layer

Rn Qsh Qlh

Qg

P

𝑹𝒏 = 𝑆𝑊𝐷𝑜𝑤𝑛 1 − 𝛼 + 𝐿𝑊𝐷𝑜𝑤𝑛 − 𝜖𝜎𝑇𝑠4

𝑹𝒏 = 𝑸𝒔𝒉 + 𝑸𝒍𝒉 + 𝑄𝑔 + 𝑃

感热通量 潜热通量

光合作用消耗

地表热通量

𝜕𝑇𝑠𝜕𝑡

= −𝑹𝒏 +𝑸𝒔𝒉 +𝑸𝒍𝒉 + 𝑄𝑔 + 𝑃

辐射通量

地表能量平衡公式

地表温度诊断

1%

10%

大项

𝜏𝑀动量通量

辐射净通量

Qg的计算

表层 T1

中层 T2

深层 T3

恒温层 Tdeep

Qg

deepg

g

gg

TTkTTkt

Tmc

TTkTTkt

Tmc

TTkQt

Tmc

3323

3

32212

2

211

1

1. Qg的观测十分困难，因此一直以来是一个PBL

观测研究中的“迷”，最大误差来源2. 由于长期的积分效果Qg等于零，所以早期的

GCM中常人为硬性地令Qg等于0

3. 现代模式中常增设一个土壤模式来计算热传导，通过设置深层的恒温层，来调制土壤最终对大气的Qg

4. 现代气候模式中的土壤传导少则2层，多则5层

左右。甚至还要考虑水过程，水会影响每一层土壤的比热cg

理解地表能量平衡

地表通量日循环

数据取自位于美国Oklahoma州1997年7月的观测，做月平均后的结果

RNET 净辐射通量QH 感热通量QE 潜热通量QG 地表热通量

RNET等于三个Q之和

早晨7点 晚20点 黑夜白天

理解感热通量、潜热通量与植被的关系

感热和潜热之比称为“波文比”(Bowen Ratio)

波文比表征了一个地区对大气强迫的特征。全球平均的波文比近似为1；干旱地区的波文比在5以上；森林地区的波文比在0.2-0.5；水面的波文比小至0.1

左图中：黑实线 –感热灰虚线 –潜热

LH

SH

Q

Q

沙漠 农田

森林 草原

农田 森林

植被是大气的“加湿器”植被把土壤中的水分蒸腾到大

气中，加大了蒸发面积

粗糙长度 (Roughness Length)

是度量下垫面粗糙程度的参数，物理意义是对数风廓线 (log wind profile) 贴近地面

为零的高度，从几厘米到几米不等，可粗略地认为等于Surface Layer高度(约等于冠层高度或建筑高度)的1/8

粗糙长度的概念

0z

计算动量、感热、潜热通量

LH

LH

SH

p

SH

M

M

r

qLQ

r

TcQ

r

V

动量通量

感热通量

潜热通量Interfacial Sublayer

土壤含水量 Su

rfa

ce

Layer

动量阻、感热阻、潜热阻

lh

eff

m

eff

LH

sh

eff

m

eff

SH

eff

m

eff

M

z

z

kuL

z

z

z

kur

z

z

kuL

z

z

z

kur

L

z

z

z

kur

0

0

*0*

0

0

*0*

0*

ln1

ln1

ln1

ln1

ln1

中性风廓线log分布项

非中性风廓线修正项

Interfacial Sublayer

修正项k=0.41 (von Karman常数)

气孔修正

+

LSP的缺陷

• Albedo（反照率）常常偏低。植被叶面覆盖一层叶蜡，这常导致反照率增加

• Roughness Length（粗糙长度）常常不区分动量过程与热量和水汽过程的差别

• 水桶模型（全球一致150mm, Budyko）对土壤含水量的处理过于简单。实际上变化较大，从沙漠(0mm)到热带(~几米)

从LSP到LSM

• Dickinson (1984)Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme (BATS)

• Sellers (1986)Simple Biosphere Model (SiB)

• 主要引入与植被有关的生物学过程

• 三方面修正：辐射、湍流动量、气孔潜热-感热

植被对陆面过程的影响

冠层截流再蒸发渗漏

过量雨水汇入地表径流

雨水重力向下渗透

过量雨水汇入地下径流

根部吸水反渗透

导管运输水分

叶面气孔蒸腾

太阳短波照射加热叶面反照率（反射SW）叶面向大气LW加热

叶面向土壤LW加热土壤向叶面LW加热

冠层对大气风场的摩擦耗散

蓝色：水过程红色：辐射和热传导绿色：动量过程

土壤上下热传导

教材表14.1

考虑植被的电阻模型

PBL湍流参数化

混合长；TKE方案；

基于混合长理论的参数化方案Hybrid local/non-local closure scheme

z

vlK

2

PBL内部的湍流扩散系数与2个重要因素有关：

1. 风的垂直梯度梯度(风剪切)是湍流的基础，流场速度的垂直梯度直接决定了湍流强度，即K的大小

2. 混合长2

基于混合长理论，流体的混合长代表了湍涡保持自身湍流属性，而不予其它湍涡发生混合的最大长度(气候态=70-200m)，类似于气体分子的自由程。反映了流体的湍流粘性的大小，因而也决定K的大小

Local Closure

只使用上下2层进行计算

（微小的湍涡只产生于周围的风梯度）

Non-local closure

使用上下多层（考虑到湍流的发生频谱很宽，大涡的范围涵盖多层）进行计算

闭合：使用多少宏观格点的变量？

基于湍流动能的参数化方案TKE scheme

湍流动能代表了湍流的总强度 222 '''2

1wvuE

基于湍流动能的参数化方案TKE scheme

dbs PPt

E

z

vPs

z

TPb

l

Ed

6.16

2 23

ElK

汇：分子粘性扩散导致的TKE的耗散

源：由于温度(浮力)

梯度导致的热力湍流

源：由于速度(动量)

梯度导致的机械湍流

当前PBL方案的情况

L

S

M

PBL和陆气界面的参数化

将Soil分若干层，计算土壤热传导和水渗透，显式计算Gg

Surface Layer层中，主要计算：①各种flux (电阻模型)；②能量平衡

混合层和Ekman层中，主要计算湍流扩散系数K

• Local/Non-Local闭合方案• TKE方案

0 m

10 m

1 km

1-10 m

Outline

• PBL和陆气界面的图景

• 陆面过程参数化LSP

• 从LSP到现代陆面模式LSM

• PBL湍流参数化

• 阅读作业Chapter 14Biophysical Models of Land Surface ProcessesPiers J. Sellers