第7-8章陆面过程-冰雪圈与气候

1第7章陆面过程7.1陆面过程的基本概念7.2陆面过程对气候的影响7.3陆面过程模拟27.1陆面过程的基本概念7.1.1陆面的基本特征陆地表面占地球表面积近30%，是人类的主要栖息地和经济活动场所，也是地球气候系统重要的组成部分。陆地表面的构成极其复杂，其中包括大约1/4的森林，1/4的草地，1/4的沙漠，1/8的城市和农用地，其余1/8为其它各种不同的下垫面，这些下垫面的性质随季节发生变化，其上还可能为大面积的积雪和冻融土所覆盖。3陆面构成及其复杂陆气相互作用的复杂性全球陆面构成的分布4陆地植被：分类成千上万，不同类型的植被的空间组成、几何结构和物理生化性质也很不相同。土壤：土壤质地分类也有数十类，土壤的质地、结构特性、物理特性、光学特性等属性参数均是陆面过程研究必须考虑的。地表水文过程：除了要给定植被和土壤质地的性质和它们的分布，还要给定地形及地貌特性。陆面特性既随下垫面的类型和性质，也随时间和空间而变，同时还受空间非均匀性和变异度的影响。因此，陆面过程研究不仅需要考虑陆面构成的复杂性，同时还要考虑不同下垫面特性参数的多元性，再加上人类活动所造成的陆面状况的改变，使得陆面过程研究的难度加大。57.1.2陆面过程的基本概念陆面过程（也称为陆-气相互作用）是指发生在陆地表面的热力、动力、水文以及生物物理、生物化学等一系列复杂过程，以及这些过程与大气的相互作用。从现有的认识水平来看，陆面过程主要涉及到如下几个方面的基本过程：（1）陆面物理过程；（2）陆面生物化学过程；（3）陆面生态过程。6陆面物理过程主要是指发生在陆面和陆气界面的能量平衡、水分平衡以及动量交换过程，此类过程的时间尺度通常较短，具体包括（1）热力过程（能量平衡过程）：发生在大气、植被和土壤表面的辐射过程、土壤和植被与大气间的感热、潜热交换；（2）动量交换过程：地面对风的摩擦，植被对风的阻挡；（3）水文过程：降水、蒸发、植物的蒸腾、凝结、地表径流、冰雪融化等；（4）物质交换过程：水汽、其他化学气体和气溶胶的向上输送，大气垂悬物的沉落等。7陆－气相互作用示意图8陆面生物化学过程通常是指与陆地植被或陆地生态系统中的碳同化、气孔传导、蒸腾蒸发、光合作用以及碳、氮等化学元素循环转化有关的时间尺度较长的过程。在20世纪90年代初，陆面过程研究就开始关注陆面的生物化学过程，通过陆面物理过程模式与光合生产过程（光合作用）模式的耦合，合理描述陆面与大气间的物理-生化相互作用过程，能更真实地反映植被-大气之间的各种反馈机制，并能对陆地生态系统-大气之间的碳通量、净初级生产力进行估计，为生态系统、生态过程研究提供基础。9陆面生态过程通常指月至年际时间尺度上陆地生态系统的演变及其与气候之间的相互作用过程，包含了植被的生长、演替以及各种扰动（火灾、虫灾、土地利用等）过程对陆地生态系统的影响，同时还考虑植被、土壤之间碳、氮等营养物质的交换过程。陆地生态过程在更长的时间尺度上反映气候-陆地生态系统之间的相互作用过程。目前的动态植被模型，通过气候强迫及物理生化过程耦合的作用，研究生态系统结构、组成和成分的动态变化，以及生态系统的演替，真正实现了生物圈与大气圈相互作用的动态耦合。10陆面过程研究的主要内容就是围绕陆面与大气在不同时空尺度的相互作用，研究发生在陆地表面的各种物理过程、生化过程、生态过程及其与大气、气候之间的各种反馈机制。就短期气候变化及其预测而言，目前我们关注的重点主要集中在陆面的物理过程方面。117.1.3陆面过程的重要性（1）陆面与大气存在各种时、空尺度的相互作用和动量、能量、物质（水汽及CO2等）及辐射的交换过程：二者之间的交换过程在很大程度上受陆面状况的影响，陆面状态的变化必将改变上述交换过程，进而对大气和气候产生影响。（2）陆面为大气运动提供下边界条件：大气的状态变量由速度、温度、湿度以及大气化学成分等组成，而这些状态变量的变化是由它们的动力学控制方程决定的。在控制方程中，有各种各样与下垫面有关的源（汇）项，这类源汇项强度的大小对于决定气候系统变化影响是至关重要的，而陆面作为地球大气的下边界之一，决定了大气动力学控制方程中的源、汇项。12大气的状态变量的变化是由它们的动力学控制方程所决定的：这类源汇项强度的大小对于决定气候系统变化影响是至关重要的，而陆面作为地球大气的下边界之一，决定了大气动力学控制方程中的源、汇项。与下垫面有关的源、汇项：决定风速变化--动量方程的摩擦力项决定大气温度变化--能量方程的感热项决定大气湿度变化方程的湍流水汽通量项13（3）气候系统对陆面特性的变化十分敏感：20世纪60年代以来，大量的敏感性试验证实了气候系统对地表反照率、土壤湿度、地表粗糙度和植被气孔阻抗等陆地下垫面特性十分敏感；陆面状况的异常能够对大气、气候产生不同时空尺度的作用，逐渐被认为是影响天气、气候的重要物理因子。147.2陆面过程对气候的影响7.2.1地表反照率反照率异常变化可能引起的气候效应非洲Sahel干旱15北非地区地面反照率增加所造成的气象要素异常的数值模拟试验结果（a）3km高度上的垂直风速异常（mm/s），（b）降水率异常（mm/d）；（c）地面温度异常（C）；（d）土壤湿度异常（cm）（Chervin，1979）地表反照率异常16土壤湿度是气候变化的重要影响因子，土壤湿度异常通过影响地表蒸发、改变地表对大气的加热等过程对大气环流和气候产生显著影响。7.2.2土壤湿度17据统计，就全球陆地而言，65%的降水来自于陆地表面的蒸发。研究表明，土壤湿度对气候有很强的记忆功能，土壤湿度异常不仅对局地大气状态有极大的影响，而且影响到了全球范围的大气环流和气候。18最近，我国的学者指出中国东部春季土壤湿度与夏季降水之间存在密切的联系。春季从长江中下游到华北的土壤湿度偏湿，东北土壤湿度偏干||中国大陆东部地表温度降低，减少了海陆温差||造成东亚夏季风减弱，西太平洋副热带高压发展西伸||中国夏季雨带偏南，长江流域降水偏多，华北和南方降水偏少。19最近有研究发现春季华南土壤湿度与夏季华南（长江流域及其以北地区）降水呈正（负）相关。20但是，由于土壤湿度异常影响气候的物理过程的高度复杂性，现有的关于土壤湿度异常及其影响气候的物理机制尚不完全清楚，有待于今后的深入研究。春季华南土壤湿度负（正）异常，夏季华南降水异常偏少（多），而长江以北地区降水则偏多（少）。217.2.3土壤温度(地表热状况异常）土壤的热容量远大于空气，土壤的热状况及其变化将会对大气的陆面下边界起重要的作用。土壤温度的变化可以直接影响地气之间的感热通量；土壤温度的变化还会影响地气之间的辐射通量，从而对气候变化起到反馈作用。另外，土壤温度或地表热状况的异常可以改变地表的其他特性，近而产生间接的影响。22土壤温度异常对中国短期气候影响的数值研究降水异常地面气温异常237.2.4植被影响气候的基本过程全球陆面构成的分布植被是控制地球表面环境的主要因素之一，也是地球气候系统中最为重要的而可变的组成部分24（1）对降水和辐射拦截作用（2）辐射的吸收（3）蒸散（4）改变土壤湿度（5）改变动量输送（改变地表粗糙度）（6）生物通量输送1.植被对陆面过程的主要作用：252植被影响气候的数值模拟20世纪80年代中期以来，国外的工作主要集中于两个与植被变化有关的核心问题：（1）沙漠化问题及其气候反馈；（2）热带雨林砍伐及其所产生的气候效应。作者模式分辨率陆面方案积分时间ShuklaNMC谱模式(R40)1.8×2.8SiB1aNobreNMC谱模式(R40)1.8×2.8SiB1aDickinsonCCM1谱模式(R15)4.5×7.5BATS3aH-SCCM1-OZ谱模式(R15)4.5×7.5BATS6aLeanUKMO格点模式2.5×3.75Warrilow3aManziEMER-AUDE谱模式(R42)2.8×2.8ISBA4.2aXueCOLAGCM谱模式(R18)1.8×2.8SSiB3月PolcherLMD格点模式2.0×5.6SECHIBA1.1aPolcherLMD格点模式2.0×5.6SECHIBA11aZhangNCARCCM1谱模式(R15)4.5×7.5BATS11aLeanUKMO格点模式2.5×3.75Warrilow10aDouglasCOLAGCM谱模式(R18)2.8×1.8SSiB4月26沙漠化问题及其气候反馈研究方面的例子：非洲Sahel地区沙漠化的形成机制及其气候效应（XueandShukla,1993）异常试验D（沙漠化试验）与控制试验C气候要素的差值分布：（a）降水量（mm/day）；（b）纬向平均的垂直速度（单位：10-5mb/s）27热带雨林砍伐及其气候效应研究方面的例子。图7.10模式模拟的亚马逊地区的热带雨林砍伐引起的气候变化（a）地表温度（单位：℃）；（b）深层土壤温度（单位：℃）；（c）降水量mm/a；（d）蒸发量（mm/a）（引自Shukla等，1990）干暖化28内蒙古草地荒漠化对气候的影响青藏高原植被退化对气候的影响西北地区植被退化对气候的影响国内研究作者模式分辨率陆面模式积分时间XueCOLAGCM1.2°×2.8°18层SSiB3月周锁铨P-原始方程5°×5°5层Deardorff30d范广洲COLAGCM7.5°×4.5°9层SSiB14月吕世华RegCM250km14层BATS3月符淙斌RIEMS4月ZhaoNCARCCM32.8°*2.8°T42BATS17a施伟来RIEMS60km16层BATS3月王兰宁CCM3-RegCM2160km15层BATS5.5月郑益群RegCM2120km11层BATS10.5月植被变化对我国区域气候影响的研究29人类活动密切有关的土地使用/土地覆盖变化对气候也具有不可忽视的作用；亚洲季风区人口众多，居住了地球全部人口的近60%。因此人类使用土地和土地覆盖变化也是世界上最大的。这些由原有植被到土地用途/覆盖变化很有可能已经改变了本地区的区域性气候和水循环。因此，研究与人类活动有关的下垫面植被变化，如砍伐森林、城市化、过渡放牧、土地利用等等，对气候变化的影响已成为当代气候研究的重要课题之一.30由于观测资料缺乏，早期有关植被气候效应的研究工作主要是基于数值模式来开展的。近年来，卫星观测资料为植被-气候相互作用的研究提供了新的机遇，有关植被-气候相互作用的观测研究也开始涌现。3植被影响气候的观测结果LAI全球植被变化的观测特征－季节变化叶面积指数31全球植被变化的观测特征－年际变化(Buermann,2001)32植被异常变化与我国气候异常的影响研究：前期的植被归一化指数（NDVI）与后期降水存在正的相关，且这种滞后相关存在明显的区域差异；NDVI与降水的滞后相关也表明植被覆盖在年际尺度上对后期降水有一定的影响。我国春季降水与青藏高原冬季NDVI有较明显的相关关系：高原冬季NDVI大值年时，贵州至两广地区降水减少，两湖平原和鄱阳湖平原降水增加，长江流域以北至东北的广大地区降水将减少；原因在于青藏高原冬季NDVI的大小将通过改变亚洲和西太平洋地区春季大气环流的分布状态，导致冬季风和夏季风爆发和进退差异，从而引起我国春季降水的变化。植被覆盖的异常变化对大气环流和气候的影响也在一系列的观测研究中得到了证实，我国学者最近的研究指出不同区域植被覆盖的异常变化对东亚区域的大气环流、温度、降水的异常均具有重要的影响。33植被植被反射率地表净辐射感热潜热云量降水日照净辐射土壤湿度反射率正反馈负反馈植被变化对气候影响的反馈过程341）通过影响反射率，影响地面辐射差额；2）影响水分存储、渗透和热容量的大小：影响地面温度和土壤湿度;3）影响地面与上层大气的湍流显热交换：对气温高低产生直接影响;4）影响地面与上层大气的湍流潜热交换：对空气湿度产生直接影响;5）影响地面粗糙度：对地面风速产生直接影响.下垫面性质的变化对局地气候影响的基本过程35陆面过程的研究1.数值模拟：通过数值方法求解控