第28卷第6期大气科学Vol128No162004年11月ChineseJournalofAtmosphericSciencesNov12004陆面模式CLSM的设计及性能检验*I1模式设计陈海山孙照渤(南京信息工程大学气象灾害与环境变化重点实验室,南京210044)摘要在现有陆面模式的基础上,详细考虑了地气系统中的积雪、土壤水热传输、植被及湍流边界层中的各种物理过程,发展了一个既能反映积雪变化、干旱/半干旱区地气交换过程,同时又能描述不同陆面状况物理过程的陆面模式(ComprehensiveLandSurfaceModel,简称CLSM),改善了陆面模式对全球范围内不同下垫面条件下的陆面过程及地)气交换过程的模拟能力。关键词:陆面模式CLSM;模式设计文章编号1006-9895(2004)06-0801-19中图分类号P435文献标识码A1引言陆地表面是地球气候系统的重要组成部分,同时也是全球和区域大气环流模式的重要下边界。深入研究陆面过程,发展和完善陆面模式,对陆面过程及地)气交换过程进行合理的描述,是改善气候模式对地球气候系统的模拟能力和深入认识地球气候系统变化的物理机制所必须解决的一个根本的问题[1]。近20年来,陆面模式的发展取得了很大的进步,在大量观测研究的基础上,先后发展了数十个陆面模式。陆面模式由早期的简单/Bucket0模式,逐渐发展到了能够较全面描述土壤)植被)大气相互作用的综合模式,陆面过程的研究确实取得了很大的进展。然而,尽管各种复杂的陆面模式相继发展,在一定程度上改善了气候模式对陆面过程的模拟能力,但在陆面模式的研究中仍存在大量有待深入研究的问题[2~8]。国际陆面模式比较计划PILPS,通过对目前20余个具有代表性的陆面模式的比较,发现众多陆面模式在相同的大气强迫下,对陆面水循环和地气通量的模拟存在显著的差别;大多数陆面模式对湿润区植被分布均匀的模拟效果较好,而对积雪、冻土、沙漠和非均匀下垫面状况的模拟能力还存在很大的缺陷[9~15]。这一方面说明了目前陆面模式中的参数化方案仍很不成熟,另一方面也说明了陆面过程的复杂性,陆面模式的模拟能力还有待完善。BATS[16~18]、SiB[19]、NCARLSM[20]等陆面模式,以及NCAR新一代的陆面模式CLM[21],包含了复杂的植被参数化方案,对植被在陆面过程及地气交换中的重要作用进行了详细的描述,是目前用于气候研究的最具代表性的陆面模式。然而,大多数模2003-07-28收到,2003-10-29收到修改稿*国家自然科学基金资助项目40331010802大气科学28卷式对陆面过程的描述能力也存在一些不足之处。例如,模式对土壤水热传输过程的描述过于简化,没有详细考虑土壤水分的多相态过程及其所引起的能量变化;另外,模式中积雪的参数化方案也过于简单,难以对积雪的变化特征进行合理的刻画。这些因素限制了模式对不同陆面过程的综合描述能力。与此同时,各种针对不同研究需要的陆面过程模型和参数化方案也逐渐发展起来。Anderson[22]和Jordan[23]先后发展了对积雪变化过程进行详细描述的复杂积雪模型。在此基础上,一些研究者[24~28]先后发展了用于GCM的多层积雪模型,这些积雪模型考虑了积雪的压实、变形以及积雪中液态水的流动等积雪变化的内部过程,对积雪变化的物理过程进行了较全面的描述。为了描述与气候变化有关的水文过程,以VIC模式[29]为代表的陆面水文模式也不断出现。近年来,越来越多的研究将冻土、干旱/半干旱等特殊气候条件下土壤的水热传输过程作为研究的重点,并发展了有针对性的参数化方案和模型[30~35]。与前面所提到的陆面模式不同,此类陆面过程模型基本上侧重于对某类特殊问题的描述,尽管有强的针对性,但缺乏对土壤)植被)大气系统的全面反映。如何寻找两类模式的最佳结合点,发展能够全面反映不同陆面过程的综合陆面模式,值得尝试。本文以包含复杂植被参数化方案的陆面模式BATS、NCARLSM为基础,并结合SNTHERM[23]、SAST[26~28]、SWHTM[33]等模式中关于积雪、土壤过程的参数化方案,从理论上对土壤)积雪)植被)大气系统的各种物理过程进行了新的考虑,详细考虑地)气系统中的积雪、土壤水热传输、植被及湍流边界层中的各种物理过程,发展了一个能够反映积雪变化、干旱/半干旱区地气交换过程,同时又能够描述不同陆面状况地气交换过程的陆面模式(ComprehensiveLandSurfaceModel,简称CLSM)。本文将从模式的基本结构及其主要的物理过程、模式的物理方程及参数化、计算方案等方面对CLSM进行详细的介绍。