陆面模拟中植被辐射传输参数化方案研究
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陆面过程模式的研究进展简介
陆面过程模式的研究进展简介汪薇;张瑛【摘要】陆面过程是影响大气环流和气候变化的基本物理、生化过程之一.根据陆面过程研究的发展进程,介绍了三代陆面过程模式的不同特点和发展历程,指出在未来陆面方案中,引入光合作用和碳循环,可以更加真实地反映土壤、地表、大气、生物圈相互作用.陆面过程模式发展应该着眼于综合并且动态考虑植被类型变化、光合作用、碳循环和水循环的真实水文生化模型建立,将有效增强对气候变化的研究,提高天气预报模式的准确率.【期刊名称】《气象与减灾研究》【年(卷),期】2010(033)003【总页数】6页(P1-6)【关键词】陆面过程模式;参数化;大气环流模式;数值预报【作者】汪薇;张瑛【作者单位】江西省气象局,江西南昌330046;江西省气象台,江西南昌330046;中国气象局武汉暴雨研究所,湖北武汉430074【正文语种】中文【中图分类】P461陆面过程（Land Surface Processes，LSPs）是影响大气环流和气候变化的基本物理、生化过程之一，在大气—陆面下垫面的研究中扮演着重要的角色，其主要研究陆地下垫面一侧与大气圈运动密切相关的所有过程。
虽然陆面过程很早就被气象学家所认知，但是直到1978年Deardorff［1］在他的模式中才提及陆面过程的特性，因此陆面过程对天气和气候变化影响的重要性还是在近几十年被进一步认识［2-4］。
特别是近几十年来随着对全球气候变化和气候异常的重视程度的增加，陆面过程研究已经成为当代气候系统和天气研究的热点之一。
另外，一些国际间的外场观测及实验（如HAPEX、FIFE以及在中国黑河流域进行的HEIFE实验）的顺利进行，也推动了陆面物理过程机理及模式发展研究。
通过多年的研究，科学家们针对不均匀的陆地下垫面如何影响气候系统［5］，土壤湿度对气候系统的响应［6-7］，不均匀及不断变化的地表对气候系统的响应［8-9］，植被的生物物理过程对气候系统的响应［10-11］等问题，开展了大量的研究，并在相关的研究领域取得一定的进展［12-17］。
国家高技术研究发展计划(863计划)地球观测与导航技术领
国家高技术研究发展计划(863计划)地球观测与导航技术领域“全球陆表特征参量产品生成与应用研究”重点项目申请指南一、指南说明在目前的全球变化研究与地球系统模型研发中，卫星观测没有发挥其全部潜力，迄今为止，针对全球陆面变化研究与陆面模型研发，国际陆地遥感领域仍缺乏长时间序列、高时空分辨率和高质量的全球陆表特征参量产品。
我国的地球系统模型研发与全球变化研究已面临着重要的发展机遇期，非常有必要集中力量，建立全球陆表特征参量产品生产系统，支持全球变化研究与新一代地球系统模型的研发。
本重点项目将面向全球陆面变化与陆面模型研发，综合利用国内外卫星遥感数据源，发展全球陆表特征参量产品生成的新技术和新方法，生产长时间序列、高时空分辨率和高质量的全球陆表特征参量产品集，进而改进关键陆面过程的参数化方案及数据同化技术，提高陆面模型的模拟能力，开展全球陆表变化示范研究。
本项目注重产学研相结合，鼓励国内优势单位联合承担，鼓励承担单位配套支持。
本指南公开发布，将通过择优方式选择其中一家单位作为项目的牵头单位。
二、指南内容1、项目名称全球陆表特征参量产品生成与应用研究2、项目总体目标综合利用国内外卫星遥感数据源，发展全球长时间序列陆表特征参数产品生成的关键技术，研发全球陆表特征参量产品生成系统；生成全球长时间序列的高精度叶面积指数、地表反照率、发射率、下行短波辐射、下行有效光合辐射等陆表特征参量遥感产品；进而改进关键陆面过程的参数化方案及同化技术，提高其模拟能力，开展全球陆表变化应用示范研究，为我国应对全球变化决策提供数据基础与技术支撑。
3、项目主要研究内容（1）全球陆表特征参量数据库建设：面向全球变化与陆面模型的需求，研究全球陆表特征参量遥感产品生产体系；研究全球多源对地观测数据预处理与关联整合技术，全球陆表特征参量产品集入库、共享与发布技术；综合集成国内外多源卫星遥感数据及陆表特征参量产品，建立全球陆表遥感数据与陆表特征参量产品数据库。
干旱半干旱区两种典型下垫面的陆面过程模拟研究
干旱半干旱区两种典型下垫面的陆面过程模拟研究干旱半干旱区占全球陆地面积近40%,其地表类型复杂多样,涵盖了草地,农田,沙漠,戈壁以及冻土等多种类型。
这些复杂下垫面的陆面过程特征随地域和季节的变化较大,并且明显受到自然变迁及人类生活生产活动所引起的土地利用和地表覆盖方式改变的影响,因而其陆面过程在全球气候系统中占有十分重要的地位。
现有的大部分陆面过程模式对干旱半干旱区典型下垫面的陆面过程模拟仍然存在较大偏差,并且陆面过程观测实验中存在的能量不闭合等问题更是增加了陆面过程模拟研究的复杂性。
因此如何改进陆面过程参数化方案,发展更适用于干旱半干旱区的陆面过程模式是陆面过程研究中的重要任务。
为了提高陆面模式对干旱半干旱区典型下垫面的模拟性能,本文从以下三个方面进行了研究。
首先发展了一个陆面过程模式TBLSHAW,并利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)观测资料进行验证；其次针对陆面观测实验中普遍存在的近地层能量不闭合问题,利用陆面过程模式TBLSHAW和SACOL站近地层观测资料,研究了半干旱区近地层能量闭合度对陆面过程模式的影响；最后,鉴于干旱区地表大量覆盖地膜抑制蒸发的事实,利用西北干旱区开展的“古浪非均匀下垫面近地层观测实验(GHUSLE)"中地膜覆盖农田下垫面的观测资料,建立了相应的参数化方案,发展了TBLSHAW_MULCH模式,并对干旱地区地膜覆盖农田下垫面的陆面过程特征进行了模拟研究。
主要结论如下：(1)基于陆气间物质和能量平衡原理,在SHAW模式和CoLM 模式的基础上发展了TBLSHAW模式。
该模式吸收了CoLM模式中的双大叶模型用于计算植被与大气间的物质和能量平衡,详细考虑了植被层辐射传输,降水截留,蒸发蒸腾以及光合作用等物理过程；利用通用的土壤水热耦合传输模型计算土壤温度和湿度,并包含了土壤冻融,蒸发及降水渗透等过程；结合由SACOL站长期观测的土壤温湿及近地层资料发展而来的适用于半干旱区的部分陆面参数化方案,最后采用SHAW模式的动力框架,形成了一个土壤-植被-大气相互作用的陆面过程模式。
大气辐射传输模型及参数化方案研究
大气辐射传输模型及参数化方案研究引言：大气辐射传输模型及参数化方案的研究是气象学和环境科学领域的重要课题。
这一研究旨在深入了解大气中辐射的传输机制，并通过参数化方案对辐射传输过程进行模拟和预测，以揭示大气辐射对气候变化和环境影响的作用。
一、大气辐射的基本原理与特征大气辐射是指太阳能辐射从太阳到达地球并在大气层的不同部分进行传输的过程。
这个过程受到大气中各种物质和组分的影响，其中包括水蒸气、气溶胶、云的存在以及其他气体。
这些物质和组分吸收、散射和发射辐射，从而影响了辐射的传输。
二、辐射传输模型的研究现状辐射传输模型是研究大气辐射传输过程的重要工具。
在过去的几十年里，许多辐射传输模型被开发和验证，并被广泛应用于气候模式和环境模拟中。
这些模型不仅可以模拟太阳辐射在大气中的传输，还可以模拟该辐射与地表之间的相互作用。
然而，目前的辐射传输模型还存在一些问题。
首先，在模拟大气辐射传输的过程中，模型通常需要考虑大量的物理参数和物质的光学性质，这给模型的构建和计算带来了很大的挑战。
其次，辐射传输模型对大气中各种组分的分布和变化非常敏感，这要求模型的参数化方案能够准确地描述大气中的复杂变化。
三、参数化方案的研究进展为了解决辐射传输模型中的问题，许多研究者致力于开发更准确和高效的参数化方案。
这些参数化方案旨在通过简化和近似来描述大气中辐射的传输。
在这一过程中，研究者需要考虑如何选择和确定合适的参数化方案，并对其进行验证和改进。
一种常用的参数化方案是使用一些统计指标和近似方法来描述大气辐射的传输特性。
例如，可以使用云覆盖度和云高来评估云的辐射效应，并将其考虑到辐射传输模型中。
此外，还可以将大气中各种组分的光学性质进行简化和近似，以减少模型的计算复杂度。
同时，基于数据驱动的参数化方法也正在得到越来越多的关注。
通过利用观测数据和机器学习技术，研究者可以建立起更准确和精细的参数化方案，从而提高辐射传输模型的模拟和预测能力。
大气辐射传输模型研究及应用前景
大气辐射传输模型研究及应用前景一、引言大气辐射传输模型（Atmospheric Radiation Transfer Model，ARTM）是一种用于研究大气辐射传输过程的计算模型，其主要应用于气候变化、天气预报、卫星遥感以及环境保护等领域。
通过模拟、计算和预测大气辐射的变化情况，我们可以更好地理解和应对地球环境变化带来的挑战。
本文将探讨大气辐射传输模型的研究现状以及其应用前景。
二、大气辐射传输模型的研究现状目前，大气辐射传输模型的研究可以分为三个方向：理论模型研究、实验测量方法以及数值计算方法。
1. 理论模型研究理论模型研究是大气辐射传输模型研究的基础，通过建立物理方程和数学模型，可以对大气辐射传输进行定量描述和分析。
在过去的几十年里，许多学者通过理论模型研究，提出了一系列的辐射传输方程和参数化方案，为后续研究提供了基础。
2. 实验测量方法实验测量方法是验证和优化理论模型的重要手段。
通过在不同地点和时间进行实地实验观测，可以获取真实的大气辐射数据，并与模型计算结果进行比对。
目前，实验测量方法主要利用卫星遥感和地面观测，可以对大气层的辐射传输特征进行详细研究。
3. 数值计算方法数值计算方法是大气辐射传输模型的应用手段，其通过计算机模拟和数值计算的方式，对大气辐射传输过程进行数值模拟和预测。
数值计算方法具有高时空分辨率、较高的精确度和较低的人力成本等优势，因此在气候变化、天气预报和环境保护等领域得到了广泛应用。
三、大气辐射传输模型的应用前景随着气候变化和环境污染问题的日益严重，大气辐射传输模型的应用前景愈发广阔。
以下是几个可能的应用方向：1. 气候变化模拟和气候预测大气辐射传输模型可以通过模拟和计算大气辐射的变化，为气候变化模拟和气候预测提供数据和方法支持。
通过模型模拟，可以更好地了解大气辐射与气候变化之间的相互影响关系，为气候变化监测和应对提供科学依据。
2. 空间遥感应用大气辐射传输模型的研究和应用对于卫星遥感数据的解译和分析具有重要意义。
中尺度数值预报实习报告
中尺度数值预报实习报告一、实习背景及目的随着我国气象事业的不断发展，数值预报在中尺度天气现象的研究和预测中发挥着越来越重要的作用。
为了提高自己在中尺度数值预报方面的理论知识和实践能力，我参加了本次中尺度数值预报实习项目。
实习的主要目的是学习并掌握中尺度数值预报的基本原理、模式运行和参数化方案等，为今后的气象研究工作打下基础。
二、实习内容与过程1. 中尺度数值预报基本原理学习在实习的第一阶段，我系统学习了中尺度数值预报的基本原理。
通过阅读相关文献和教材，我对中尺度天气现象、大气物理和动力过程的数学方程有了更深入的了解。
同时，我还学习了高性能计算技术和海量数据存储管理技术在中尺度数值预报中的应用。
2. 模式运行与参数化方案研究在实习的第二阶段，我参与了中尺度数值预报模式的运行和参数化方案研究。
首先，我学会了如何在新曙光高性能计算机上安装和调试中尺度天气数值预报系统。
在此基础上，我对模式中的积云对流参数化方案、云微物理参数化方案、边界层参数化方案、陆面过程参数化方案和辐射传输过程参数化方案进行了研究。
通过对比分析各类参数化方案的理论基础和应用场景，我对参数化方案的发展趋势有了更深刻的认识。
3. 实际应用与案例分析在实习的第三阶段，我结合实际情况，开展了中尺度数值预报在气象活动、气候变化和空气污染模拟预报中的应用。
以“十四冬”气象服务保障需求为例，我参与了内蒙古自治区赛区区域的1公里1小时中尺度天气数值预报系统的实时运行。
通过与内蒙古自治区气象台预报员的多次交流，我确定了30个保障站点，并提供了包括平均风速、平均风向、气温、湿度、能见度、降雪量等预报要素。
此外，我还完成了基于三种模式的订正集成预报产品研制，并实时显示在数值预报应用平台专项保障栏目上。
三、实习收获与反思通过本次实习，我对中尺度数值预报方面的理论知识、实践技能和实际应用有了更加全面的了解。
首先，我掌握了中尺度数值预报的基本原理，为今后的研究奠定了基础；其次，我学会了模式运行和参数化方案研究，提高了自己的实际操作能力；最后，我参与了实际应用和案例分析，积累了宝贵的实践经验。
遥感物理-辐射传输模型
首先引入叶片散射相函数γL(ΩL, Ω’Ω)，表示当 方向为Ω’的辐射入射到法向取向为ΩL的叶片时， 被散射到Ω方向的比例。
若叶片的散射特征可以看成是两个半径不同的反射 和透射半球，即：
叶片的物理特性包括叶片尺度、叶片取向、叶表 面粗糙度以及叶片光学性质（如反射率、透过率 和吸收率）等。
考虑由叶片所组成的整体性质，需要定义一些植 被群体特性参数，它们是对植被冠层结构和光学 特征的一种提炼化描述，是对全体叶片分布统计 平均的结果。这些统计量包括叶面积密度分布、 G函数和函数。
叶面积密度分布
当然，由于相互融合，两类模型现在已经区分不明显了， 即以几何光学为基础的模型加入了对多次散射的考虑，而 以辐射传输为基础的模型加入了对热点现象的考虑。
热点(hot spot)现象
所谓热点(hot spot)现象，即当传感器与太阳位于同 一方向时，传感器所接收的地面辐射最强（地面反 射率最大、地面光强最强、最热）。 几何光学模型可以较好地解释热点现象。 光照背景的比例
植被辐射传输过程的特殊性
• 大气中散射和吸收粒子的分布可以看成是平面平行 分布，即粒子特性仅随高度发生变化，同一高度上的 分布可以看成均一分布；而植被则在三维空间上均有 变化，植被个体间往往存在一不定期的间隙，造成其 在水平面上的不连续性，因而使问题复杂化。
植被辐射传输过程的特殊性
• 大气中散射体为粒状分布，而植被中散射体—叶片 则有一定的取向和大小。前者造成植被中的辐射不仅 与传输路径长度和路径上叶片密度有关，而且与路径 上叶片的取向有关；后者则造成明显的“热点”现象， 即当观测方向与辐射方向正好相反时，出现较强的反 射亮度。
2）植被累积面积增大
“丘形”分布
在背景土壤反射率较高（如红 光波段）而且植被较为稀疏的 情况下，反射率会出现“丘形” 分布。 原因：1）星下点背景反射率 影响较大
若叶片的散射特征可以看成是两个半径不同的反射 和透射半球，即：
叶片的物理特性包括叶片尺度、叶片取向、叶表 面粗糙度以及叶片光学性质（如反射率、透过率 和吸收率）等。
考虑由叶片所组成的整体性质，需要定义一些植 被群体特性参数，它们是对植被冠层结构和光学 特征的一种提炼化描述，是对全体叶片分布统计 平均的结果。这些统计量包括叶面积密度分布、 G函数和函数。
叶面积密度分布
当然，由于相互融合，两类模型现在已经区分不明显了， 即以几何光学为基础的模型加入了对多次散射的考虑，而 以辐射传输为基础的模型加入了对热点现象的考虑。
热点(hot spot)现象
所谓热点(hot spot)现象，即当传感器与太阳位于同 一方向时，传感器所接收的地面辐射最强（地面反 射率最大、地面光强最强、最热）。 几何光学模型可以较好地解释热点现象。 光照背景的比例
植被辐射传输过程的特殊性
• 大气中散射和吸收粒子的分布可以看成是平面平行 分布，即粒子特性仅随高度发生变化，同一高度上的 分布可以看成均一分布；而植被则在三维空间上均有 变化，植被个体间往往存在一不定期的间隙，造成其 在水平面上的不连续性，因而使问题复杂化。
植被辐射传输过程的特殊性
• 大气中散射体为粒状分布，而植被中散射体—叶片 则有一定的取向和大小。前者造成植被中的辐射不仅 与传输路径长度和路径上叶片密度有关，而且与路径 上叶片的取向有关；后者则造成明显的“热点”现象， 即当观测方向与辐射方向正好相反时，出现较强的反 射亮度。
2）植被累积面积增大
“丘形”分布
在背景土壤反射率较高（如红 光波段）而且植被较为稀疏的 情况下，反射率会出现“丘形” 分布。 原因：1）星下点背景反射率 影响较大
土壤-植被-大气传输模型的组成及其耦合方法研究
土壤-植被-大气传输模型的组成及其耦合方法研究杜妮妮;韩磊【摘要】Based on the physical and bio-physical processes of water and energy exchange for soil-vegetation-atmosphere system,the canopy radiative transfer,runoff exchange and water and energy migration process in soil vertical direction were descripted by the soil-vegetation-atmosphere transfer model（SVAT）,and land surface and atmosphere exchange of matter and energy,as well as the mechanisms of the system interaction between elements were revealed.The composition,parameterization schemes for main water and heat process,those coupledmodel,improvement and application of SVAT models were summarized,some problems to improve and perfect existing SVAT models were put forward.%基于土壤-植被-大气系统水分和能量交换物理过程和生物物理过程的土壤-植被-大气传输模型（SVAT）,描述了冠层辐射传输、径流交换和土壤垂直方向的水分和能量迁移过程,揭示陆面/大气物质和能量交换、土壤水热迁移的动态特征,以及该系统各组成要素间的相互作用机制。
不同陆面模式对我国地表温度模拟的适用性评估
不同陆面模式对我国地表温度模拟的适用性评估孙帅;师春香;梁晓;韩帅;姜志伟;张涛【摘要】基于CLDAS大气驱动数据驱动CLM3.5陆面模式和3种不同参数化方案下的Noah-MP陆面模式模拟得到的地表温度,利用中国气象局2009 2013年2000多个国家级地面观测站地表温度进行质量评估.结果表明:从时间分布看,模拟地表温度与观测的偏差及均方根误差均呈季节性波动;从空间分布看,模拟地表温度与观测的偏差及均方根误差在中国东部地区相对于中国西部地区更小.选择Noah-MP陆面模式3种不同参数化方案模拟结果进行对比,结果表明:Noah-MP模式的非动态植被方案不变时,考虑植被覆盖度的二流近似辐射传输方案的Noah-MP陆面模式模拟的地表温度优于考虑太阳高度角和植被三维结构的二流近似辐射传输方案Noah-MP陆面模式模拟的地表温度;选择动态植被方案的Noah-MP陆面模式模拟的地表温度优于选择非动态植被方案的Noah-MP陆面模式;总体而言,考虑动态植被方案的Noah-MP陆面模式模拟的地表温度优于其他两种参数化方案的Noah-MP陆面模式以及CLM3.5陆面模式模拟的地表温度.%As an important physical quantity in the land surface process,the ground temperature plays an important role in climate change research,agricultural production and ecological environment.A set of simulation experiments are carried out,in which ground temperature are simulated by Community Land Model 3.5 (CLM3.5) land surface model and Noah-Multi Parameterization Land Surface Model (Noah-MP) of three different parameterization schemes,forced by China Meteorological Administration Land Data Assimilation System (CLDAS) atmosphere forcing data containing high-quality temperature,pressure,humidity,wind speed,precipitation and solarshortwave radiation.The different model-simulated ground temperature is verified by 2000 national ground temperature observation stations of China Meteorological Administration from 2009 to 2013.Results show that errors of different model-simulated ground temperature compared with observations behave seasonal fluctuations from the error analysis of time series.And the ground temperature simulated by CLM3.5 land surface model and Noah-MP land surface model can better represent the spatial distribution of ground temperature of China in seasonal climate state.The ground temperature is underestimated in general,and the underestimation in spring and autumn is smaller than that in summer and winter.On the spatial distribution,the error of the model-simulated ground temperature in the eastern China is smaller than that in the western China,and in the northeastern China and northern Xinjiang the error is even greater.Three different parameterization schemes of Noah-MP land surface model are selected to compare the simulation result.Results show that when the non-dynamic vegetation scheme remain unchanged,considering different radiation transferring schemes,the two-stream approximation radiative transferring scheme considering vegetation coverage of Noah-MP land surface model performs better than the radiative transferring scheme considering the solar altitude angle and vegetation 3D structures of Noah-MP surface land model.When the default two-stream approximation radiative transferring scheme in Noah-MP land model doesn't change,considering the dynamic vegetation scheme of Noah-MP land surface model,the result shows that the ground temperature choosing thedynamic vegetation scheme of Noah-MP land surface model is better than the non-dynamic vegetation scheme named of NoahMP land model.Above all,the ground temperature simulated by the dynamic vegetation scheme of NoahMP land surface model is better than the other two parameterization schemes of Noah-MP land model and the CLM3.5 land surface model.【期刊名称】《应用气象学报》【年(卷),期】2017(028)006【总页数】13页(P737-749)【关键词】CLDAS;CLM3.5;Noah-MP;地表温度;站点观测【作者】孙帅;师春香;梁晓;韩帅;姜志伟;张涛【作者单位】南京信息工程大学地理与遥感学院,南京210044;国家气象信息中心,北京100081;国家气象信息中心,北京100081;国家气象信息中心,北京100081;国家气象信息中心,北京100081;国家气象信息中心,北京100081【正文语种】中文基于CLDAS大气驱动数据驱动CLM3.5陆面模式和3种不同参数化方案下的Noah-MP陆面模式模拟得到的地表温度，利用中国气象局2009—2013年2000多个国家级地面观测站地表温度进行质量评估。
遥感物理-辐射传输模型
叶片的物理特性包括叶片尺度、叶片取向、叶表 面粗糙度以及叶片光学性质（如反射率、透过率 和吸收率）等。
考虑由叶片所组成的整体性质，需要定义一些植 被群体特性参数，它们是对植被冠层结构和光学 特征的一种提炼化描述，是对全体叶片分布统计 平均的结果。这些统计量包括叶面积密度分布、 G函数和函数。
叶面积密度分布
2）植被累积面积增大
“丘形”分布
在背景土壤反射率较高（如红 光波段）而且植被较为稀疏的 情况下，反射率会出现“丘形” 分布。 原因：1）星下点背景反射率 影响较大
叶面积指数
单位面积内所有叶子单面面积之总和。也可表示为叶 面面积之总和与所占面积之比。 无单位量纲，是农学、植被生态学中最重要、最常用 的参数。
植被辐射传输过程的特殊性
• 大气中散射和吸收粒子的分布可以看成是平面平行 分布，即粒子特性仅随高度发生变化，同一高度上的 分布可以看成均一分布；而植被则在三维空间上Байду номын сангаас有 变化，植被个体间往往存在一不定期的间隙，造成其 在水平面上的不连续性，因而使问题复杂化。
植被辐射传输过程的特殊性
• 大气中散射体为粒状分布，而植被中散射体—叶片 则有一定的取向和大小。前者造成植被中的辐射不仅 与传输路径长度和路径上叶片密度有关，而且与路径 上叶片的取向有关；后者则造成明显的“热点”现象， 即当观测方向与辐射方向正好相反时，出现较强的反 射亮度。
植被辐射传输模型的假设
• 在本节中，我们考虑连续植被分布，或者植被 个体间虽有间断，但却均匀分布（其体现的效 果相当于个体密度之和在整个平面上的平均）， 这时植被叶片密度呈平面平行分布。这种假设 符合农作物、自然草场以及一些较密的森林的 状况。
植被辐射传输模型中的三个参数
考虑由叶片所组成的整体性质，需要定义一些植 被群体特性参数，它们是对植被冠层结构和光学 特征的一种提炼化描述，是对全体叶片分布统计 平均的结果。这些统计量包括叶面积密度分布、 G函数和函数。
叶面积密度分布
2）植被累积面积增大
“丘形”分布
在背景土壤反射率较高（如红 光波段）而且植被较为稀疏的 情况下，反射率会出现“丘形” 分布。 原因：1）星下点背景反射率 影响较大
叶面积指数
单位面积内所有叶子单面面积之总和。也可表示为叶 面面积之总和与所占面积之比。 无单位量纲，是农学、植被生态学中最重要、最常用 的参数。
植被辐射传输过程的特殊性
• 大气中散射和吸收粒子的分布可以看成是平面平行 分布，即粒子特性仅随高度发生变化，同一高度上的 分布可以看成均一分布；而植被则在三维空间上Байду номын сангаас有 变化，植被个体间往往存在一不定期的间隙，造成其 在水平面上的不连续性，因而使问题复杂化。
植被辐射传输过程的特殊性
• 大气中散射体为粒状分布，而植被中散射体—叶片 则有一定的取向和大小。前者造成植被中的辐射不仅 与传输路径长度和路径上叶片密度有关，而且与路径 上叶片的取向有关；后者则造成明显的“热点”现象， 即当观测方向与辐射方向正好相反时，出现较强的反 射亮度。
植被辐射传输模型的假设
• 在本节中，我们考虑连续植被分布，或者植被 个体间虽有间断，但却均匀分布（其体现的效 果相当于个体密度之和在整个平面上的平均）， 这时植被叶片密度呈平面平行分布。这种假设 符合农作物、自然草场以及一些较密的森林的 状况。
植被辐射传输模型中的三个参数
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金项目 (40375026) ,江苏省高校研究生创新计划项目 ,国家自然科学基金重点项目 (40233034) 和国家气候中
心陆面模式项目 。 作者简介 : 周文艳 ,从事陆面过程模拟研究 。E2mail : zhouwy73 @cma. gov. cn
A cta Meteorologica S i nica 气象学报 2008 ,66 ( 3) 360 到更精确的植被反照率 ,从而使得陆面模式计算的地表吸收的净太阳辐射通量更接近于观测值 。 关键词 冠层辐射传输方程 , 四流近似 , 四流辐射模式 中图法分类号 P422 P463. 22
摘 要 在冠层二流辐射传输模式基础上新发展了一个描述太阳短波辐射在植被中传输的冠层四流辐射传输模式 。冠层四 流辐射传输模式是在大气辐射传输理论的基础上得到一组描述短波辐射在植被中传输过程的冠层辐射传输基本方程 , 引进 大气中求解辐射传输方程的四流近似解法 ,并求得冠层四流辐射传输方程的解析解 。方程中各项参量能够反映叶子或冠层 特殊的几何和光学特征 。冠层向上 、 向下辐射通量取决于冠层散射相函数 、 叶子在入射光方向投影面积 、 单个叶子反射率和 透射率 、 叶面积指数以及直射光入射太阳高度角等 。四流模式计算叶子水平倾角时对太阳短波辐射的反照率 ,与二流模式结 果比较可以验证模式的理论推导和建模都是正确的 : 计算结果的比较 ,表明四流模式在水平叶角分布时计算的冠层反照率与 二流模式结果一致 ,同时直射光从任何太阳高度角入射的冠层反照率结果也一致 ,从而证明发展的冠层四流辐射传输模式是 成功的 。模拟试验中将两种模型同时耦合到同一个陆面过程模式中进行比较试验 ,结果表明 ,冠层四流辐射传输模式能够得
057726619/ 2008/ 66 ( 3) 20359270 A cta Meteorologica S i nica 气象学报
陆面模拟中植被辐射传输参数化方案研究
周文艳1 郭品文1 罗 勇2 Kuo2Nan Liou3 Gu Yu3 Xue Yongkang3
Ξ
2 . L aboratory f or Cli m ate S t udies , N ational Cli m ate Center , Chi na Meteorological A d m i nist ration , Beiji ng 100081 , Chi na 3 . U niversity of Calif ornia , L os A ngeles , U S 2007209222 收稿 ,2008203211 改回 . Zhou Wenyan , Guo Pin wen , Luo Yong , Liou Kuo2 Nan , Gu Yu , Xue Yongkang. 2008. A study on the radiative transfer parameteri2 zation scheme within canopy in land surface process model. Acta Meteorologica Sinica , 66 ( 3) : 359 - 370 Abstract A four2stream solar radiative transfer model wit hin canopy in land surface process model was developed. The four2stream approximation met hod of atmospheric radiation equation is used to gain t he analytic solutions of t he basic equation of radiative transfer wit hin canopy. The four2stream solar radiative transfer model wit hin canopy is based on t he two2stream short wave radiative transfer model. The radiative transfer t heory wit hin canopy is based on t he radiative transfer t heory in atmosphere. Each parameter of t he ba2 sic equation of canopy has t he special geometry and optical character of leaf or canopy. The upward or downward radiative fluxes are related to t he diffuse phase function , G 2function , leaf reflectivity and transmission , leaf area index , and solar altitude angle of incident beam. The computed results of t he albedo of canopy on t he condition of horizontal leaf from new developed four2stream radiative mod2 el wit hin canopy and t he original two2stream model are compared , and t he four2stream model is proved to be successful by t he same modelling results of t he canopy albedo of t he any solar incident angle. The paper carries out one experiment to evaluate t he simulations of t he land surface model simultaneously coupled wit h t he bot h radiative transfer models. The test indicates t hat t he simulation of land surface process model coupled wit h four2stream model is better t han two2stream radiative transfer model , since t he computed solar ra2 diation absorption of land surface is closer to t he observation. Key words Radiative transfer equation , Four2stream approximation , Four2stream radiative transfer model , Vegetation canopy , Land surface process
似方法发展植被中的辐射参数化方案 , 并与中国国 家气候中心发展的陆面过程模式和大气模式耦合 , 从而实现大气2植被辐射传输的统一参数化方案 。 在气候系统模式中 , 如果大气模式和陆面过程模式 中的辐射参数化方案不一致 , 可能会对陆气相互作 用的准确计算产生影响 。因此在陆面模式中发展冠 层辐射四流模式 , 使大气和植被辐射参数化方法一 致 。另外由于大气过程与地面过程之间紧密相连 , 且有很强的相互作用 ,地面辐射过程中的误差 ,不但 影响地表本身的能量平衡过程 、 地表温度以及植被 的光合作用 ,而且必然反馈到大气过程中 ,对大气运 动及整个地气系统的能量平衡产生作用 , 从而影响 模式对气候模拟的准确度 。本文建立四流辐射传输 模式 ,它主要目的是得到更精确的植被反照率 ,减少 地面辐射的计算误差 。 四流辐射传输模式是在大气辐射传输理论的基 础上得到一个描述光与植被相互作用的冠层辐射传 输基本方程 ( 黄洪峰 , 1997 ; 徐希孺 , 2005) ,方程中 各项参量带有叶子或冠层特殊的几何和光学特征 。 冠层辐射传输方程实际上就是一个微积分方程 , 引 进大气辐射中四流近似方法 (Liou , 1988 , 2004) ,可 以得到冠层向上向下辐射强度的解析解 , 从而计算 冠层反照率 。由于在叶子水平分布时 , 各种模式都 应该满足 Goudriaan ( 1977) 的理论规律 ,并且由于对 叶子散射相函数等观测资料缺乏 ,所以我们用 Dick2 inson 二流模式来验证发展四流模式的正确与否 。 由于冠层辐射传输是一个非常复杂的过程 , 对 冠层辐射传输也缺乏精确的观测资料 , 根据模式研 制目的在模式中存在一些假设 , 所以目前对模式的 检验都在模式比较中进行 。李崇银 ( 2000) 在论著中 指出 “ : 根据计算 ,在其他条件不变的情况下 ,地表反 照率变化 0. 01 所造成的系统能量输入的改变几乎 等效于太阳常数变化 1 % 。 ” 因此需要了解四流模式 和二流模式结果差别 。比较两种模式在叶倾角有一 定角度时的模拟结果证明当叶倾角分布不再是水平 分布时 ,两个模式模拟结果差别明显 ,四流模式能够 得到更高的精度 。
ZHOU Wenyan1 GUO Pinwen1 LUO Yong2 L IOU Kuo2Nan3 GU Yu3 XU E Yongkang3
1. 南京信息工程大学 ,南京 ,210044 2. 中国气象局国家气候中心气候研究开放实验室 ,北京 ,100081 3. University of California , Los Angeles ,U S 1 . N anji ng U niversity of Inf orm ation of Science & Technology , N anji ng 210044 , Chi na
1 引 言
近 20 年来陆面过程模式的发展主要研究生物化 学过程、 水文过程 ,雪盖、 冻土、 干旱区的水热输运过 程机制 ,下垫面不均匀性等问题也得到了极大的重 视。但对于植被中的辐射过程 — — — 陆气相互作用中 最重要的物理机制研究却不足 ,一般是简单地给定地 表反照率或采用二流近似的方法计算 ,无法合理地考 虑叶倾角等特性对植被中辐射传输的影响 ( 刘树华 等 , 2005 ; 茅宇豪等 , 2006 ; 黄洪峰 , 1997) 。 Myneni ( 1989) 、 Ross ( 1988 ) 等系统总结了冠层 辐射传输的一些理论和方法 。在以前冠层辐射研究 中 ,许多学者研究运用各种方法计算或者测定叶子 的各种几何参数 ,叶面积体密度分布函数 ,叶子在空 间的取向分布 ,测量植被叶面指数 ,研究如何得到叶 面积密度函数等 , 这些参数能够反映植被几何结构 和光学特性 。这些工作是以后建立冠层辐射传输模 式的基础 。 因为植被和大气相互作用的过程非常复杂 , 因 此需要计算效率较高 , 又适合描述冠层中辐射传输 的有效模式 。Dickinson ( 1983) 发展的冠层二流辐射 传输模式正好适应这种需要 , Sellers ( 1985 ) 利用二 流模式计算可见光和近红外波段的植被半球反射 率 ,在一定假设条件下可以求得解析解 ,而同样是在 20 世纪 80 年代发展的冠层分层模式由于没有详细 的观测资料和计算机限制一致没有得到很好的应 用 。戴秋丹等 ( 2004 , 2006 ) 在 Norman ( 1975 ) 、 Ross ( 1981) 等分层模式基础上发展了自己的完全模式 , 并尝试在气候模式中应用 。20 世纪 90 年代 , 随着 计算性能提高 ,陆面模式考虑物理过程越来越详尽 , 对冠层辐射传输描述也越来越细致 ( 徐希孺 ,2005) , 而目前国内外知名陆面模式中短波辐射的参数化方 案基本都采用二流模式 ,二流模式精度不高 ,对辐射 传输过程的描述也过于简单 , 因此迫切需要在二流 模式的基础上发展精度更高的四流模式 , 同时改进 二流模式对植被辐射传输描述不合理的地方 。 最近通过中国气象局和美国 UCLA 大气科学 系的合作 , 已把 Fu2Liou 四流辐射参数化方案 ( Li2 ou , 1988 , 2004) 引入到国家气候中心发展的大气环 流模式 ( T63L16 ) 中 。我们研究采用相同的四流近
心陆面模式项目 。 作者简介 : 周文艳 ,从事陆面过程模拟研究 。E2mail : zhouwy73 @cma. gov. cn
A cta Meteorologica S i nica 气象学报 2008 ,66 ( 3) 360 到更精确的植被反照率 ,从而使得陆面模式计算的地表吸收的净太阳辐射通量更接近于观测值 。 关键词 冠层辐射传输方程 , 四流近似 , 四流辐射模式 中图法分类号 P422 P463. 22
摘 要 在冠层二流辐射传输模式基础上新发展了一个描述太阳短波辐射在植被中传输的冠层四流辐射传输模式 。冠层四 流辐射传输模式是在大气辐射传输理论的基础上得到一组描述短波辐射在植被中传输过程的冠层辐射传输基本方程 , 引进 大气中求解辐射传输方程的四流近似解法 ,并求得冠层四流辐射传输方程的解析解 。方程中各项参量能够反映叶子或冠层 特殊的几何和光学特征 。冠层向上 、 向下辐射通量取决于冠层散射相函数 、 叶子在入射光方向投影面积 、 单个叶子反射率和 透射率 、 叶面积指数以及直射光入射太阳高度角等 。四流模式计算叶子水平倾角时对太阳短波辐射的反照率 ,与二流模式结 果比较可以验证模式的理论推导和建模都是正确的 : 计算结果的比较 ,表明四流模式在水平叶角分布时计算的冠层反照率与 二流模式结果一致 ,同时直射光从任何太阳高度角入射的冠层反照率结果也一致 ,从而证明发展的冠层四流辐射传输模式是 成功的 。模拟试验中将两种模型同时耦合到同一个陆面过程模式中进行比较试验 ,结果表明 ,冠层四流辐射传输模式能够得
057726619/ 2008/ 66 ( 3) 20359270 A cta Meteorologica S i nica 气象学报
陆面模拟中植被辐射传输参数化方案研究
周文艳1 郭品文1 罗 勇2 Kuo2Nan Liou3 Gu Yu3 Xue Yongkang3
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2 . L aboratory f or Cli m ate S t udies , N ational Cli m ate Center , Chi na Meteorological A d m i nist ration , Beiji ng 100081 , Chi na 3 . U niversity of Calif ornia , L os A ngeles , U S 2007209222 收稿 ,2008203211 改回 . Zhou Wenyan , Guo Pin wen , Luo Yong , Liou Kuo2 Nan , Gu Yu , Xue Yongkang. 2008. A study on the radiative transfer parameteri2 zation scheme within canopy in land surface process model. Acta Meteorologica Sinica , 66 ( 3) : 359 - 370 Abstract A four2stream solar radiative transfer model wit hin canopy in land surface process model was developed. The four2stream approximation met hod of atmospheric radiation equation is used to gain t he analytic solutions of t he basic equation of radiative transfer wit hin canopy. The four2stream solar radiative transfer model wit hin canopy is based on t he two2stream short wave radiative transfer model. The radiative transfer t heory wit hin canopy is based on t he radiative transfer t heory in atmosphere. Each parameter of t he ba2 sic equation of canopy has t he special geometry and optical character of leaf or canopy. The upward or downward radiative fluxes are related to t he diffuse phase function , G 2function , leaf reflectivity and transmission , leaf area index , and solar altitude angle of incident beam. The computed results of t he albedo of canopy on t he condition of horizontal leaf from new developed four2stream radiative mod2 el wit hin canopy and t he original two2stream model are compared , and t he four2stream model is proved to be successful by t he same modelling results of t he canopy albedo of t he any solar incident angle. The paper carries out one experiment to evaluate t he simulations of t he land surface model simultaneously coupled wit h t he bot h radiative transfer models. The test indicates t hat t he simulation of land surface process model coupled wit h four2stream model is better t han two2stream radiative transfer model , since t he computed solar ra2 diation absorption of land surface is closer to t he observation. Key words Radiative transfer equation , Four2stream approximation , Four2stream radiative transfer model , Vegetation canopy , Land surface process
似方法发展植被中的辐射参数化方案 , 并与中国国 家气候中心发展的陆面过程模式和大气模式耦合 , 从而实现大气2植被辐射传输的统一参数化方案 。 在气候系统模式中 , 如果大气模式和陆面过程模式 中的辐射参数化方案不一致 , 可能会对陆气相互作 用的准确计算产生影响 。因此在陆面模式中发展冠 层辐射四流模式 , 使大气和植被辐射参数化方法一 致 。另外由于大气过程与地面过程之间紧密相连 , 且有很强的相互作用 ,地面辐射过程中的误差 ,不但 影响地表本身的能量平衡过程 、 地表温度以及植被 的光合作用 ,而且必然反馈到大气过程中 ,对大气运 动及整个地气系统的能量平衡产生作用 , 从而影响 模式对气候模拟的准确度 。本文建立四流辐射传输 模式 ,它主要目的是得到更精确的植被反照率 ,减少 地面辐射的计算误差 。 四流辐射传输模式是在大气辐射传输理论的基 础上得到一个描述光与植被相互作用的冠层辐射传 输基本方程 ( 黄洪峰 , 1997 ; 徐希孺 , 2005) ,方程中 各项参量带有叶子或冠层特殊的几何和光学特征 。 冠层辐射传输方程实际上就是一个微积分方程 , 引 进大气辐射中四流近似方法 (Liou , 1988 , 2004) ,可 以得到冠层向上向下辐射强度的解析解 , 从而计算 冠层反照率 。由于在叶子水平分布时 , 各种模式都 应该满足 Goudriaan ( 1977) 的理论规律 ,并且由于对 叶子散射相函数等观测资料缺乏 ,所以我们用 Dick2 inson 二流模式来验证发展四流模式的正确与否 。 由于冠层辐射传输是一个非常复杂的过程 , 对 冠层辐射传输也缺乏精确的观测资料 , 根据模式研 制目的在模式中存在一些假设 , 所以目前对模式的 检验都在模式比较中进行 。李崇银 ( 2000) 在论著中 指出 “ : 根据计算 ,在其他条件不变的情况下 ,地表反 照率变化 0. 01 所造成的系统能量输入的改变几乎 等效于太阳常数变化 1 % 。 ” 因此需要了解四流模式 和二流模式结果差别 。比较两种模式在叶倾角有一 定角度时的模拟结果证明当叶倾角分布不再是水平 分布时 ,两个模式模拟结果差别明显 ,四流模式能够 得到更高的精度 。
ZHOU Wenyan1 GUO Pinwen1 LUO Yong2 L IOU Kuo2Nan3 GU Yu3 XU E Yongkang3
1. 南京信息工程大学 ,南京 ,210044 2. 中国气象局国家气候中心气候研究开放实验室 ,北京 ,100081 3. University of California , Los Angeles ,U S 1 . N anji ng U niversity of Inf orm ation of Science & Technology , N anji ng 210044 , Chi na
1 引 言
近 20 年来陆面过程模式的发展主要研究生物化 学过程、 水文过程 ,雪盖、 冻土、 干旱区的水热输运过 程机制 ,下垫面不均匀性等问题也得到了极大的重 视。但对于植被中的辐射过程 — — — 陆气相互作用中 最重要的物理机制研究却不足 ,一般是简单地给定地 表反照率或采用二流近似的方法计算 ,无法合理地考 虑叶倾角等特性对植被中辐射传输的影响 ( 刘树华 等 , 2005 ; 茅宇豪等 , 2006 ; 黄洪峰 , 1997) 。 Myneni ( 1989) 、 Ross ( 1988 ) 等系统总结了冠层 辐射传输的一些理论和方法 。在以前冠层辐射研究 中 ,许多学者研究运用各种方法计算或者测定叶子 的各种几何参数 ,叶面积体密度分布函数 ,叶子在空 间的取向分布 ,测量植被叶面指数 ,研究如何得到叶 面积密度函数等 , 这些参数能够反映植被几何结构 和光学特性 。这些工作是以后建立冠层辐射传输模 式的基础 。 因为植被和大气相互作用的过程非常复杂 , 因 此需要计算效率较高 , 又适合描述冠层中辐射传输 的有效模式 。Dickinson ( 1983) 发展的冠层二流辐射 传输模式正好适应这种需要 , Sellers ( 1985 ) 利用二 流模式计算可见光和近红外波段的植被半球反射 率 ,在一定假设条件下可以求得解析解 ,而同样是在 20 世纪 80 年代发展的冠层分层模式由于没有详细 的观测资料和计算机限制一致没有得到很好的应 用 。戴秋丹等 ( 2004 , 2006 ) 在 Norman ( 1975 ) 、 Ross ( 1981) 等分层模式基础上发展了自己的完全模式 , 并尝试在气候模式中应用 。20 世纪 90 年代 , 随着 计算性能提高 ,陆面模式考虑物理过程越来越详尽 , 对冠层辐射传输描述也越来越细致 ( 徐希孺 ,2005) , 而目前国内外知名陆面模式中短波辐射的参数化方 案基本都采用二流模式 ,二流模式精度不高 ,对辐射 传输过程的描述也过于简单 , 因此迫切需要在二流 模式的基础上发展精度更高的四流模式 , 同时改进 二流模式对植被辐射传输描述不合理的地方 。 最近通过中国气象局和美国 UCLA 大气科学 系的合作 , 已把 Fu2Liou 四流辐射参数化方案 ( Li2 ou , 1988 , 2004) 引入到国家气候中心发展的大气环 流模式 ( T63L16 ) 中 。我们研究采用相同的四流近