[CM2015] Chapter 6 - Land Surface Process Modeling
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This is one of the course slides for the class "Climate Modeling (2015)" at Peking University.
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[CM2015] Chapter 6 - Land Surface Process Modeling
- 1. Chapter 6 Land Surface Process Modeling 陆面模式 中国广西漓江
- 2. 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
- 3. 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
- 4. 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 PlanetaryBoundaryLayer Free Atmosphere
- 5. 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 - ……
- 7. 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
- 8. 电阻模型 r U I 21 rr U r U I total 21 21 rr rr U r U I total 单电阻 双电阻串联 双电阻并联
- 9. 地表通量 Surface Layer Rn Qsh Qlh Qg P 𝑹 𝒏 = 𝑆𝑊𝐷𝑜𝑤𝑛 1 − 𝛼 + 𝐿𝑊𝐷𝑜𝑤𝑛 − 𝜖𝜎𝑇𝑠 4 𝑹 𝒏 = 𝑸 𝒔𝒉 + 𝑸𝒍𝒉 + 𝑄 𝑔 + 𝑃 感热通量 潜热通量 光合作用消耗 地表热通量 𝜕𝑇𝑠 𝜕𝑡 = −𝑹 𝒏 + 𝑸 𝒔𝒉 + 𝑸𝒍𝒉 + 𝑄 𝑔 + 𝑃 辐射通量 地表能量平衡公式 地表温度诊断 1% 10% 大项 𝜏 𝑀 动量通量 辐射净通量
- 10. Qg的计算 表层 T1 中层 T2 深层 T3 恒温层 Tdeep Qg deepg g gg TTkTTk t T mc TTkTTk t T mc TTkQ t T mc 332 3 3 3221 2 2 21 1 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
- 11. 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
- 12. 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
- 13. 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
- 16. 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)
- 17. 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
- 19. 教材表14.1
- 20. 考虑植被的 电阻模型
- 22. 基于混合长理论的参数化方案 Hybrid local/non-local closure scheme z v lK 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？
- 24. 基于湍流动能的参数化方案 TKE scheme dbs PP t E z v Ps z T Pb l E d 6.16 2 2 3 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
- 25. 当前PBL方案的情况
- 26. 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
- 27. 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 14 Biophysical Models of Land Surface Processes Piers J. Sellers