陆面过程的物理、生化机理和参数化模型PDF电子书下载

目录 1

前言 1

第1章 陆面过程的研究任务与发展 1

1.1　陆面物理过程研究和模式研究的必要性 1

1.1.1 陆面与大气之间基本的能量和物质交换过程的重要性 1

1.1.2 决定大气动力学控制方程发展的下边界条件——预报源（汇）项 2

1.1.3 气候系统对不同的陆地下垫面特性的敏感性 2

1.1.3.1　气候对地表反照率的响应 3

1.1.3.2　气候对土壤湿度的响应 3

1.1.3.3　气候对表面粗糙度的响应 4

1.1.3.4 土地利用／土地覆盖变化（LUCC）对气候变化的影响 5

1.2　陆面物理过程研究的复杂性 5

1.2.1 陆地下垫面的基本构成 6

1.2.2　各种下垫面的特性 7

1.3　陆面过程的研究内容 9

1.3.1 三个回路过程的理论和模式研究 9

1.3.2 陆面过程的外场观测研究 10

1.4　陆面过程研究的发展进程 12

1.4.1 箱式模型 15

1.4.2 考虑植被生理、物理过程的陆面过程模式 16

1.4.3 考虑碳循环作用的第三代陆面过程生化模式 17

1.5　陆面过程模式研究的方向 19

1.5.1 改进和完善第二代陆面过程物理模式 19

1.5.2 发展含真实水文、生化过程机制的新型物理生化模式 20

参考文献 21

第2章 土壤中水、热输运的物理过程和有关模式 27

2.1　土壤基模的基本构成 27

2.1.1 土粒的粒径分布 27

2.1.2　土壤的质地 28

2.2　土壤的基本物理特性 29

2.2.1　结构物理量 29

2.2.2　水力学物理量 31

2.2.2.1　土壤水势 31

2.2.2.2　土壤水流动：达西（Darcy）定律和推广的达西定律［理查森（Richardson）定律］ 36

2.2.2.3　土壤水运动的水导率 37

2.2.2.4　控制土壤水平衡的基本方程 37

2.2.3　土壤的热学性质 41

2.2.3.1　土壤的焓（或温度） 41

2.2.3.2　土壤的比定容热容 41

2.2.3.3　土壤的热流密度和热导率 42

2.2.3.4　土壤的热扩散率 43

2.2.3.5　土壤表面的反照率 43

2.2.3.6　温度对土壤水和水汽的保持和运动的影响 43

2.2.3.7　土壤中的热量平衡及其基本方程 44

2.3　非饱和土壤中水、热运动等温模型 46

2.3.1 土壤水流运动控制方程 46

2.3.2 土壤热传导及土壤热平衡控制方程 47

2.3.3 大气周期强迫对土壤温度变化的调制——强迫－恢复（force-restore）方法 51

2.4　土壤中水、热运动耦合模型 53

2.4.1 土壤内水、热耦合运动的基本方程 53

2.4.2 水、热耦合运动的简化 57

2.4.3 土壤水运动处于平衡态假设的检验 67

2.4.3.1　从量纲分析看平衡假设的正确性 67

2.4.3.2　土壤内水汽分布的数值模拟 68

参考文献 69

第3章 冻土物理学 72

3.1 引言 72

3.1.1 冻土冻（融）过程研究的重要性 72

3.1.2　冻土过程参数化的研究现状 74

3.2　冻土的基本物理量和基本物理过程 76

3.2.1　结构物理量 77

3.2.2 冻土的水力学物理量 78

3.2.2.1　冻土中的土壤水水势 78

3.2.2.2　冻土中的土壤水通量 78

3.2.2.3　冻土中未冻水含量的影响因素和确定方法 79

3.2.3　冻土土壤的热学性质 81

3.2.4.1　土壤水力学性质的确定 84

3.2.4 土壤水力学和热力学性质的确定 84

3.2.4.2　土壤热力学性质的确定 86

3.3　冻土耦合模型的基本方程 89

3.3.1 完全的冻土水、热输运耦合方程 90

3.3.2 完全的冻土水、热输运耦合方程的简化 92

3.3.3 简化的冻土水、热输运耦合方程的再简化 94

参考文献 99

第4章 简化的雪盖－大气－土壤间的输运模型（SAST） 102

4.1 引言 102

4.2　雪盖的基本物理过程或基本物理量 103

4.2.1　结构物理量 104

4.2.2　水力学物理量 105

4.2.3 雪盖的热学性质 105

4.3.1 雪盖中水、热输运完全耦合的控制方程 107

4.3.1.1　各组元的质量守恒方程 107

4.3　完全耦合模型的基本方程 107

4.3.1.2　完整的能量平衡方程 108

4.3.1.3　雪盖的压实过程以及密度和雪厚的变化过程 109

4.3.1.4　雪粒子的尺度 109

4.3.1.5　太阳辐射与雪盖表面的反照率 109

4.3.1.6　雪盖与上、下界面的相互作用 110

4.4　简化的季节性雪盖模型（SAST） 110

4.4.1 能量平衡方程 111

4.4.2 质量平衡方程 112

4.4.3 雪盖压实及雪密度变化速率 114

4.4.4 有关参数的确定 114

4.4.4.1　有效热导率 114

4.4.4.2　雪粒直径 115

4.4.4.3　持水能力 115

4.4.4.4　雪面反照率 115

4.4.5.2　降雨带来的热能 116

4.4.6 雪盖的分层方案 116

4.4.5.1　潜热与显热通量 116

4.4.5　上边界条件 116

4.4.7　SAST雪盖模型的验证 117

参考文献 123

第5章 冠层内的辐射传输 125

5.1 引言 125

5.2　植被的结构和物理光学性质 126

5.2.1　植被群落的分类 126

5.2.2 植物冠层的几何结构描述 127

5.2.3　植被和土壤的光学性质 128

5.3　植被冠层中的辐射传输 129

5.3.1 叶层对单束光拦截和透射的概率函数 129

5.3.1.1　单束光的方向描述 129

5.3.1.2　单束光的强度和能量 130

5.3.1.3　有分布的单位叶面积阻挡单束光透射的概率函数——G函数 133

5.3.1.4　叶层对单束光的拦截概率和透射概率 135

5.3.2.1　叶片散射相函数 136

5.3.2 叶层对单束光的散射相函数 136

5.3.2.2　冠层内单位体积的散射相函数 137

5.3.2.3　冠层面积散射相函数 138

5.4　冠层中的短波辐射传输 138

5.4.1 冠层中直射光传输的基本方程 138

5.4.2　冠层中散射光传输的基本方程 138

5.5　二流传输理论 140

5.6.1　模型的假设 142

5.6　［冠层］分层－光波离散象限法 142

5.6.2 分层－光波离散象限法的简化解 143

5.6.2.1　符号规定 143

5.6.2.2　光－叶几何学 144

5.6.2.3　叶面对散射辐射的分配 147

5.6.2.4　冠层内散射辐射的传输方程 148

5.6.2.5　冠层内直射辐射的传输方程 154

5.6.3 分层－光波离散象限法的完全方程 158

参考文献 161

6.1　冠层对降水的截留 163

6.1.1 冠层对降水截留的基本过程 163

第6章 冠层内动量、能量和质量的平衡与交换 163

6.1.2　冠层最大持水量 164

6.1.3　冠层对降水截留过程的数学模型 165

6.2　冠层内动量、能量和质量的交换 166

6.2.1 冠层内的动量通量交换和有关的动量通量阻抗 166

6.2.1.1　动量通量阻抗与输运系数的关系 166

6.2.1.2　阻抗与摩擦速度的关系 167

6.2.1.3　冠层整体的动量输送阻抗 167

6.2.1.4　阻抗与湍流扩散率的关系 168

6.2.2 冠层的物质与热量输送和相应的阻抗 169

6.3　冠层内能量和水分交换的分层模型 171

6.4　冠层内的湍流交换过程——各阻抗的求取 173

参考文献 176

第7章 陆面过程中植被的光合作用 178

7.1　研究光合作用的意义 178

7.2.1 光合作用过程 180

7.2　植物光合作用概要 180

7.2.1.1　原初反应 181

7.2.1.2　电子传递和光合磷酸化 182

7.2.1.3　碳同化 183

7.2.2 卡尔文循环——C3循环 184

7.2.3　C4途径和景天科酸代谢 186

7.2.4 影响光合作用的因素 187

7.2.4.1　影响光合作用的外部因素 188

7.2.4.2　影响光合作用的内部因素 193

7.2.5 植物的呼吸作用 195

7.3　植物光合作用模式 196

7.3.1 光合作用半经验模式 196

7.3.1.1　Thornley（1983）模型 196

7.3.1.2　Marshell和Biscoe（1980）模型 196

7.3.1.3　Raich等（1992）的TEM模型 196

7.3.1.4　考虑光、温、水等因子影响的模型 196

7.3.1.6　考虑氮影响的经验关系式 197

7.3.1.7　有关冠层的光合速率模型 197

7.3.1.5　半经验模型 197

7.3.2 使用卫星遥感资料的模型 198

7.3.3 基于植物生理过程的光合作用模型 199

7.3.3.1　叶片尺度的光合作用机理模型 200

7.3.3.2　冠层尺度的光合作用模型——二叶模型的应用 204

7.4　植物体内光合作用和物质的输运分配模式 205

7.4.1 根部对氮的提取 205

7.4.2　基质传输 206

7.4.4　植物生长和生长呼吸 207

7.4.3 维持呼吸 207

7.4.5　植物枯枝落叶 208

7.4.6 植物结构 208

参考文献 210

第8章 近地层气象学相似理论 214

8.1　近地层概念 214

8.2　近地层相似理论 215

8.2.1 中性层结 215

8.2.1.1　平均风速梯度和风速廓线 216

8.2.1.2　平均湿度的梯度和廓线 217

8.2.2 非中性层结 217

8.2.2.1　一般层结条件下的风速、温度梯度和廓线 217

8.2.2.2　Ri和z/L的关系 221

8.2.2.3　极端层结状况下的风速、温度廓线 223

8.2.2.4　湿度廓线 224

8.3　陆面过程模型中采用的湍流输运方案 224

8.3.1.2　莫宁－奥布霍夫相似理论 225

8.3.1.1　粗糙度长度和零平面位移 225

8.3.1 通用陆面［过程］模式 225

8.3.1.3　通量－梯度关系和相应剖面的积分 226

8.3.2　MM5模式 228

8.4　冠层内的湍流交换 229

8.4.1 冠层顶与观测高度间的风速廓线 230

8.4.1.1　Sellers等（1986）和Xue等（1991）的方法 230

8.4.2.2　Yamazaki等（1992）方案 231

8.4.2.1　沃尔法赫特－塞努斯卡（Wohlfahrt-Cernusca）廓线 231

8.4.2　冠层内的风速廓线 231

8.4.1.2　其他情形 231

8.4.2.3　Sellers等（1986）方案 232

8.4.2.4　BATS模型 233

8.4.2.5　BEST模型 234

8.4.2.6　LSM模型 234

8.4.3　冠层下（z≤z1）的风速廓线 234

8.4.4 边界层阻抗和空气动力学阻抗的确定 234

8.4.4.1　Sellers等（1986）和Xue等（1991）的方案 234

8.4.4.2　BATS模型 235

8.4.4.3　BEST模型 235

8.4.4.4　LSM模型 235

8.4.5　粗糙度z0m和排移高度d的确定 236

参考文献 237

第9章 大尺度水文模型 240

9.1　大尺度水文模型的研究内容和特点 240

9.1.1 大尺度水文模型研究内容 240

9.1.2 大尺度水文模型与传统水文模型的不同特点 241

9.1.3　大尺度水文模型的研究现状 242

9.2　陆地水循环的基本过程 244

9.2.1 产流过程 244

9.2.1.1　产流的机制 244

9.2.1.2　产流模型介绍 247

9.2.2 汇流过程 256

9.2.2.1　汇流的机制 256

9.2.2.2　坡面汇流的计算模型 257

9.2.3 河网中流动 259

9.3　可能用于气候研究陆面过程中的大尺度水文模型介绍 259

9.3.1　地形指数模型 260

9.3.1.1　地形指数模型的基本原理 260

9.3.1.2　地形指数的计算 265

9.3.1.3　简单陆面水文模型和耦合模型的参数确定 265

9.3.2 例证 269

9.4　新安江模型 271

参考文献 273

第10章 非均匀下垫面上通量的聚集——从稀疏植被到GCM尺度 276

10.1　有关非线性参数有效值的求取 278

10.2　具有特征尺度为Lc［Lc从O（10m）到O（100km）］的不同子网格组成的非均匀网格上的过程 279

10.2.1 O（10m）≤Lc＜10km的情形 281

10.2.2 关于O（10km）＜Lc＜O（100km）（中尺度到大尺度）的非均匀性 284

参考文献 285

第11章 陆面过程模式介绍——SiB（SSiB）模型 287

11.1 陆面过程模式——SiB（SSiB）概况 287

11.2.1 冠层、地表土壤和深层土壤温度的控制方程 292

11.2　基本控制方程 292

11.2.2　植被冠层对雨水截流和贮存的控制方程 293

11.2.3 三层土壤湿度的控制方程 294

11.3　植被、土壤系统中物理过程的参数化 294

11.3.1　冠层内的辐射传输 294

11.3.2 水、热通量的湍流交换 295

11.3.3　土壤中的水流通量 298

11.4.1.1　植被冠层中叶片总体边界层阻抗 299

11.4　阻抗系数 299

11.4.1 空气动力学阻抗系数 299

11.4.1.2　地表面与冠层空气之间的空气动力学阻抗 300

11.4.1.3　冠层空气与参考高度zr处空气之间的空气动力学阻抗 301

11.4.2　表面阻抗系数 302

11.4.2.1　植被冠层的气孔阻抗 302

11.4.2.2　地表覆盖物的气孔阻抗 303

11.4.2.3　裸地表面蒸发阻抗 303

11.5　雪 303

11.5.1 降雪的定义 303

11.5.2 植被冠层对降雪的截留和雪在地面的累积 303

11.5.3 降雪对湍流输送的影响 304

11.5.4 降雪对能量的影响 304

11.5.5 降雪对径流的影响 304

11.6　大气环流模式和陆面过程模式的耦合 305

参考文献 306