2008 非均匀地表陆面过程参数化研究_陈斌

文章编号:1000-0534(2008)05-1172-09

收稿日期:2007-03-30;改回日期:2008-02-14 基金项目:国家自然科学基金项目(40375035)资助 作者简介:陈斌(1977—),男,山东临沂人,博士生,主要从事非均匀陆面过程参数化和气候模拟等方面研究 E-mail:cbsdly792@126.com非均匀地表陆面过程参数化研究陈　斌1-2,　丁裕国1,　刘晶淼2,　张耀存3

(1.南京信息工程大学,江苏南京　210044;2.中国气象局中国气象科学研究院,北京　100081;

3.南京大学大气科学系,江苏南京　210093)

摘　要:地表固有的非均匀性影响近地层大气的垂直结构,甚至改变局地天气条件,亦使得大气数值

模式大尺度网格面积水热通量的计算对其具有较强的敏感性。为了提高气候模式性能,非均匀陆面过

程参数化已是当前大气边界层和陆面过程模式研究的热点和难点问题之一。本文在调研国内外大量文

献的基础上,综述了近年来非均匀地表陆面过程参数化的研究现状,分析和比较了不同的参数化方法

的优缺点以及数值模式模拟结果对它们的响应,提出了目前尚待继续探讨和解决的几个关键性问题。

关键词:陆面过程参数化;非均匀性;次网格通量

中图分类号:P404文献标识码:A

1　引言

陆—气相互作用对天气气候类型以及气候系统

的物质和能量循环具有重要影响[1-2]。目前人们已

经认识到区域模式或GCM模式预报的准确性在很

大程度上取决于陆面过程参数化的有效性,即地—

气间热量、水汽、辐射、动量交换等的描述是否真

实[3-5]。由于自然的陆面特征(地表土壤类型、土

壤湿度、植被分布、地形等)以及人类因素(城市下

垫面和土地利用类型的改变)等的影响,使得地表

陆面存在着多重尺度的非均匀性特征。陆面各种特

征参量的时空非均匀性及陆面过程本身高度非线性

的特征可造成大气边界层结构和运动状态在时空域

上的重大差异,明显地影响陆面与大气之间的动

量、水分和能量交换[6]。

陆面模式和陆面参数化的核心内容是对地表过

程进行详细的描述,准确计算各种通量,为大气

(气候)模式提供合理的下边界条件。所以,与气候

模式耦合的陆面过程模式,不仅需要确定单点或一

定尺度的均匀陆面通量,更需要确定包含多种陆面

类型的某一区域的面积平均通量。例如,全球环流

模式网格尺度的陆面通量参数化方案是建立在均匀

下垫面经典的大气边界层理论基础上的,在均匀分

布大气条件驱动下,实现自身内部过程[7-8]。国际陆面模式比较计划(PILPS)[9],通过对不同模式的

比较,发现模式对均匀地表区模拟效果要好于非均

匀地表区,因此,精确估计地—气界面的物质和能

量交换,发展时空非均匀下垫面上的陆面过程参数

化方案,已成为目前气候模拟和大气边界层研究的

热点,也是国内外当前在“新一代陆面过程模式及

其与大中尺度模式耦合”等研究中亟待解决的问

题[10-14]。虽然考虑空间非均匀性的参数化方案是

陆面过程模式下一步发展的方向[15-16],国内外学

者也发表了一些非均匀陆面过程研究的成果[17-18],

但在这方面的研究还处于起步阶段,尤其是东亚地

区下垫面的地形地貌,土壤植被变化十分复杂,研

究发展针对次网格尺度的非均匀陆面过程模式,对

于改进我国乃至东亚地区的气候模拟效果以及研究

下垫面的改变对气候的影响等问题都具有重要实际

意义。

2　陆面非均匀性对近地层大气的影响

陆—气相互作用是通过一系列发生在地表的复

杂动力、物理、生物和水文过程来实现的,且大多

具有高度非线性特征。陆面次网格尺度非均匀性及

其相关的次网格过程不但影响边界层的垂直结构而

且明显影响中尺度和GCM尺度过程[19-22]。例如,

近地层的风速随着地面状况的改变而改变,地面状第27卷　第5期2008年10月 高　原　气　象

PLATEAUMETEOROLOGY Vol.27　No.5October,2008况的信息向上扩散可以达到一定高度。为了研究陆

面非均匀性对大气边界层的影响,学者们引进了混

合高度的概念[23],即在这一高度之上大气的状态

近似均匀,不再依赖于地表非均匀的水平分布和位

置,也可以认为混合高度是地表非均匀性的影响小

于某一阈值的高度。

对于与单个的粗糙单体相联系的小尺度的非均

匀性(<10km),由于湍流的混合作用,其混合高

度在近地层之内(100m左右),其对边界层大气的

影响较小[24]。所以,小尺度的地表非均匀性的影

响一般局限在近地层之内,其主要影响表现在对地

表通量的计算上,而对近地层大气的影响并不特别

显著。

对于大尺度(>10km)的非均匀性,其混合高

度可以达到甚至超出边界层顶,详细分析可参见文

献[25-26]。由于不同下垫面对外界大气强迫有不

同响应,造成不同下垫面上热力条件极大差异,会

引起如同海陆风那样的中尺度环流,它既干扰了原

有湍流的特性,并给网格上空垂直平均通量增加了

一项所谓中尺度通量,其强度与不同下垫面分布形

式及它们内部水热条件密切相关。在低层大气,陆

面上小尺度的变化可以引起空气对流产生,所产生

的中尺度通量和陆面上的感热通量的方差成正

比[27-28]。地表非均匀性引起的地面通量的空间变

化继而又显著影响降水、土壤温湿度和大气环

流[6,15]。研究表明,非均匀地表通过影响水汽的空

间分布可以使浅层对流降水增强;植被覆盖、土壤

湿度、地表粗糙度通过影响边界层的发展可以改变

对流单体的位置等等。由于表面能量的次网格变化

和它们对对流单体的影响,可引起次网格大气的运

动,提高陆面模式和大气模式的分辨率都可在一定

程度上改善模式中的通量估计[29]。

3　模式计算的面积通量对地表非均匀

性的敏感性

陆面过程的非线性使得模式通量的计算并不只

是地表参数的简单平均。只要非均匀性尺度达到边

界层厚度的大小时,均会对地面通量计算产生影

响。研究地表非均匀性对模式通量计算的影响以及

如何求得模式网格的面积平均通量仍是一个未解决

的问题。

3.1　理论分析和数值计算试验

最近10年来,面积平均通量计算结果在地表非均匀性的敏感性问题上,很多学者已做了大量的理论分析和数值试验[3,18,30-35]。地表非均匀性对

近地层大气的影响取决于其水平尺度的变化,依据

尺度大小,Avissar[36]利用大气方程组,首先在理

论上将模式次网格通量可以划分为中尺度通量和小

尺度的扰动通量贡献两部分,也即后来所称的区域

通量影响的动力效应和聚集(Aggregation)效

应[37-39]。Hu等[37]给出了一个次网格变化对尺度

转换中通量计算影响的理论分析框架,表明大尺度

模式网格内的平均通量和网格内的地表次网格非均

匀特征有很大关系。胡隐樵等[14]根据大气线性热

力学基本理论指出,对于非均匀陆面过程,除了湍

流输送外也还应包括大气辐散和辐合对能量垂直输

送的贡献。

对于大尺度的地表非均匀性(>10km),虽然

针对非均匀陆面过程的动力影响,有人提出了中尺

度通量的参数化[36]。同时,人们借用中尺度数值

模式的数值模拟表明,在许多大气背景条件下由非

均匀性强迫所引起的中尺度环流造成的次网格通量

和湍流通量具有相当的量级[27-28]。但实际情况远

远复杂得多,就目前研究而言,中尺度通量参数化

并没有实际应用到天气气候模式中去。受观测条件

限制,甚至对于真实情况下中尺度通量的大小我们

都不能确定。诸如地形作用、海陆风、城市热岛环

流这类中尺度环流引起中尺度通量输送过程及其参

数化对非均匀地表陆面过程是一个极大的挑战。但

是,随着计算机计算能力的提高,气候模式的分辨

率在逐步提高,使得此问题的解决已成为可能。

而有的学者认为,对于小尺度的非均匀性(<

10km),由于湍流混合的作用,近地层大气并不具

有明显的非均匀性特征,面积平均通量对地表特征

的非均匀性并不敏感[40-41]。但更多的研究表明,

地表非均匀性的影响不可忽略。Avissar[42]发现陆

面面积平均通量对地表反照率和粗糙度长度的非均

匀性最敏感,而像叶面指数的变量可以简单的平均

方法来求得。比较用不同参数和参数平均计算的两

种面积通量,发现潜热通量对小尺度非均匀性最为

敏感,而辐射通量最不敏感[21],这与Hu等[37]分析

的结果类似。Bonan等[20]认为潜热通量的计算结

果和地表的变化特征有很大相关性。Grotzner

等[43]研究了网格点尺度海-冰非均匀性对大气环

流的影响,结果发现用块(Lumped)模式计算的感

热通量总是比用分布(Distributed)模式要小。除了

水平方向的地表非均匀性研究外,张耀存等[30]首

次考虑了垂直方向上地形高度的非均匀性对地表长1173　5期陈　斌等:非均匀地表陆面过程参数化研究 波辐射通量计算的影响。结果表明在特定情况下,

其影响相当大,可产生不容忽略的误差,考虑次网

格地形的热力作用非常必要。

在所有陆面非均匀性的特征中,土壤湿度非均

匀性对模式网格平均的地表通量密度以及近地层气

象条件的影响已成为热点。研究发现,地表湿度存

在非均匀性时,用地表参数的平均值计算网格的感

热通量和潜热通量就会和实际通量存在很大误差。

湿条件下的整体方法过高地估计潜热通量,而干条

件下,情况则相反。另外,土壤湿度的空间变化还

影响季节性的水文平衡[44-45]。Ronda等[16]用整体

(bulk)和准分布式方法(quasi-distributed)探讨了

土壤湿度非均匀性的影响。刘晶淼等[46]研究了地

表非均匀性对区域平均水分通量参数化的影响。

这些非均匀尺度研究都试图了解通量从小尺度

细网格到大尺度网格转换的可能机制。但大多数的

研究还只是对通量影响的敏感试验的定性研究,并

没有给出地表非均匀通量的定量描述。

3.2　外场观测数据的验证

随着外场观测试验的开展,飞机等观测手段的

应用,人们有机会利用实测资料去研究非均匀陆面

参数化方案的有效性。Mahrt等[47]利用4个不同

外场飞机观测的资料,研究了不同空间尺度(模式

网格大小)和拖曳系数、交换系数的关系。研究表

明,拖曳系数对空间尺度具有依赖性,而水热的交

换系数和空间尺度的关系不大。他们指出,如果有

效交换系数对空间平均尺度大小的依赖性很小,那

么相似理论就可以用来计算面积平均通量。Frech

等[48]用NOPEX(Northenhemisphereland-sur-

faceclimateProcessesExpriment)飞机观测资料,

通过比较4种不同的“聚集”方法得到的面积通量,

验证了不同方法在此研究区计算面积通量时的适用

性。Mahrt等[49]利用BOREAS(BorealEcosystem

-atmosphereStudy)的铁塔和飞机观测资料计算

了此区域的面积平均通量,检验了面积平均通量对

不同假设条件和外部气象条件的依赖性。发现计算

的面积平均通量对净辐射的敏感性很强,也就是对

云的多少很敏感。另外,面积权重和植被类型的影

响也很重要。这些研究都表明,地表非均匀性对模

式网格通量的计算具有某种程度的影响。最近,

Ma等[50]利用中国几个不同的外场观测资料,发现

陆面非均匀性导致地表不同的热力学和动力学参数,这也表明非均匀性必将影响通量计算的结果。4　非均匀地表陆面过程参数化方案 由前文所述,非均匀地表对模式网格面积通量

的计算具有重要的影响,但目前非均匀下垫面的理

论并没有很好的建立,为了准确地计算非均匀下垫

面的面积通量,改进陆面模式、天气和气候模式的