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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 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
2、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
3、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模式的研究，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
4、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，Dickinson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
5、 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，
6、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
7、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
8、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“Bucket”（水桶模式）是以水分质量守恒为基础建立的。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
9、，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，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
10、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，
11、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
12、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。3 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：（2）地表与地下径流风地面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-
13、Vegetation-Atmosphere Transfer, SVAT）问题是陆面过程的重点之一。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
14、纹比能量平衡法。 能量平衡方程可表示为： （1）式中，为所考虑系统的净辐射，LE为潜热通量，H为显热通量，G为界面的热传导通量。 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，同年与刘和平等对森林冠层边界层湍流传输进行
15、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
