全 文 ：第 6 卷 第 4 期
V o l
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4
草 地 学 报
A C T A A G R E S T IA S IN IC A
1 9 9 8 年
I址c .
1 2 月
1 9 9 8
内蒙古草原陆面通量和边界层结构数值模拟 “
殷达中 ’ 陈家宜
(北京大学地球物理 系 , 北京 1 0 0 8 7 1 )
摘要 : 本文用中尺度 MM S模式和修正法国陆面过程模式祸合的中尺度模拟系统模拟了
内蒙古草原土壤一植被 一大气相互作用(IM G R A SS) 中尺度实验区生长季后期的地面水分能量
通量和边界层结构 。 结果表明 , 没有降水时的草场白天大部分时刻潜热通量大于感热通量 , 降水
可使潜热通量变大 , 波纹比变小 , 草地波纹比正负转变时间为早 8 点和晚 19 点 。 以乌日图为例
的内蒙古沙地白天波纹比大于 1 , 正负转变时间是早 7 点和晚 20 点 。 在降水量不大时 , 土地利用
类型 比降水对地面通量影响大 。 边界层温度廓线符合中纬度陆地边界层日夜演变规律 , 沙地对
流边界层形成早于草原 , 湿度和风廓线与温度廓线的对应关系较好 。
关钮词 : 陆面通量 ; 边界层 ; 模拟研究 ; IM G R A ss
1 引言
土壤一植被一大气的相互作用过程即陆面过程是大气水分能量平衡过程和生态一气候
相互作用的重要组成部分 。 许多大气环流模式 (G CM )试验 (S u d 等 , 1 9 8 8 ; M in t : , 1 98 4 )表明
全球和区域气候对陆面类型及其物理特性很敏感 。 近来各国科学家纷纷开展对全球各类主
要地表类型和生态系统陆气相互作用的实验和模拟研究 , 已完成的重要实验和研究有我国
的 黑 河 实验 (H E IFE )及 H A PE X一M o bilh y , FIFE , K U R E X , E FE D A , H A PE X一S a he l ,
BO R E A S (S e lle r s 等 , 1 9 9 5 ) 。 正在进行的 IM G R A SS 项目(吕达仁等 , 1 9 9 7 )是针对在全球有
代表性的温带半干旱草原的科学实验和研究 , 其中心是在内蒙古草原开展中尺度陆气相互
作用野外综合实验 , 并结合有关草原生态一气候参数的监测 , 发展卫星遥感陆气相互作用有
关参数的原理和方法 , 用以支持相应模式 的发展 、应用和验证 , 定量了解中纬度半干早草原
土壤一植被一大气相互作用的中 、小尺度特征和发展参数化方案 。
作为预研究 , 本文对内蒙古草原陆面水分能量通量和边界层结构进行了模拟和分析 。初
步结果将有助于综合观测实施过程中突出对陆面水分能量循环影响大的过程的观测 , 可对
中尺度非均 匀半干旱草原土壤一植被一大气相互作用过程及其参数化起一定的指导和验证
作用 。
作为外强迫的云 、辐射和 降水等及陆面净辐射的感热和潜热通量分配是陆面过程涉及
的紧密联系的两个方面 , 为此笔者用藕合了修正法国陆面过程模式的 MM S 模拟系统作为
工具 , 对 IMG R A SS 实验区的四个中心观测点的地面通量和边界层结构进行了模拟和分
析 。 MM S 模式能较好地模拟中尺度形势场和降水场 , 修正的法国陆面过程模式则弥补了
MM S 模式模拟陆面水分能量通量时没有考虑降水和干旱造成土壤水分动态变化及植被动
, 现为中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室博士后
, , 国家 自然科学基金重大项 目“内蒙古半干早草原土壤 一植被 一大气相互作用(IMG R A s )”(N o . 4 9 79 0 0 2 0) 资助
第 4 期 殷达中等 : 内蒙古草原陆面通量和边界层结构数值模拟
态作用的不足 。
2 材料与方法
2
.
1 试区概况
模拟区域如图 1 所示 。 图中数字表示网格土地利用类型 , 3 表示土地利用类型为牧场草
原 , 4 表示落叶林 , 5 表示针叶林 , 7 表示水域 , 9 表示沙漠 。 图中小框所围区域是 IMG R A S S
中尺度实验区 , 中国科学院内植物研究所蒙古草原生态定位站 ( # 1 , 北纬 4 3 0 3 8 ‘ , 东经 1 1 6 。
4 2 ‘)
、七分场 ( # 2 , 北纬 4 4 0 0 0 ‘ , 东经 1 1 6 0 3 7 ‘) , 乌 日图 (# 3 , 北纬 4 3 0 0 3 , 东经 1 1 6 0 )和 白音苏
木 (# 4 , 北纬 4 0 12 ‘ , 东经 1 1 60 )是 IM G R A S S 现场实验的四个中心观测站 , 它们在模拟 区域
的坐标分别是 (2 5 . 4 1 , 3 9 . 0 7 ) 、 (2 5 . 1 5 , 4 0 . 3 9 ) 、 (2 5 . 6 2 , 3 6 . 5 ) 、 (2 3 . 5 7 , 4 0 . 4 4 ) , 试验区的自
然环境和实验设计描叙见吕达仁等(1 9 9 7 ) 。 定位站 、七分场和白音苏木的土地类型为 3 , 是
牧场草原 , 乌日图的土地类型为沙漠 。 实际上定位站和白音苏木是退化草原 , 七分场是典型
草原 , 地表覆盖有差别 。 在 MM S 模拟系统中的牧场草原类型未再细分 , 本模拟按同一种类
型处理 。
2
.
2 模式及模拟方法
MM S 模式 (G re n 等 , 1 9 9 4) 是最新一代美国大气研究中心 N CA R 中尺度模式 , MM S 模
式的基本方程是 (x , y , 。地形随动坐标下 ) :
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热力学方程
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( 4 )
( 5 )
其中 : u , v , w , T 分别为风速的三个分量及温度 , 单位分别为 m /s , m /s , m /s , K ;气压 P
一 P。+ P ’, 单位为 c b ;大气的密度 p 一 p。+ p ’ , 单位是 kg m 一 3 ; p ’ 一 p : + p : , p : 、 p , 分别为地表
气压和模式顶气压 , 气压单位均为 。b ; t 为时间 (秒 ) ; Q 为单位质量的非绝热加热率 (Jk g 一 ‘
s 一 ‘) ; g 是重力加速度 (9 . sm s 一 ’) ; f 是科氏参数 ( s 一‘) , e 为水平科 氏参数 ( s 一 ‘) ; y 是热容量比
率 ( ‘户/c 。 ) , c , 及 c , 分别为干空气定压和定容比热 。 上述方程中带下标 0 的量为该物理量的
参考态值 , 带上标 ’的量就是扰动值 , 方程中带 D 的量为该物理量的垂直及水平扩散项和边
界层湍流或干对流调整造成的垂直混合项 。
2
.
3 MM S 的边界层模式采用高分辨 PB L 模式 (Z ha n g 等 , 1 9 8 2 ) , 该模式 由以下 四种方案
组成 : 稳定方案 ( Ri 。> 凡‘ , 凡。和风‘分别为总体理查孙数和临界理查孙数 ) ;机械湍流方案
草 地 学 报 1 9 9 8 年
(0玉R ‘, 玉R , ‘) ;强迫对流方案 (R . 。< 0 , }h / L l( 1 . 5 , L 和 h 分别为 M o n in 一O b u kh o v 长度和
PBL 高度 ) ;当 (凡。< 。, }h / Ll > 1 . 5 时 , 模式用自由对流方案 。 MM S模式在时间积分过程中
按序调用高分辨 PB L 模式和循环 , 这样就能既包括 PBL 物理过程又包括 自由大气物理过
程 。 本文研究中的 PBL 模式未作更动 。
2
.
4 陆面部份以法国陆面过程模式 N P89 (N oi lha n 等 , 1 98 9) 为基础 。 为了表示冠层内部叶
片的遮阳效应 , 要模式中植被覆盖部分 (ve g )引入遮盖因子表示冠层叶片遮 阳对水分蒸发阻
抗的影响 。 该陆面模式计算 5 个预报量 :地表体含水量 W : (m 3m 一 3 ) , 代表 d , 厚度 (1 厘米 )的
土壤层的含水量 。总体土壤含水量 W : (m 3m 一 “) , 对应 d : 厚度 (1 米 )土壤平均含水量 。地表和
植被系统的温度 T , (K )及其平均温度 T Z (K ) , 表面截留水分 W r , 代表植被对降水和露水的
截留 。
五个预报方程为 :
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, 一H 一L 二卜誓( T , 一T Z )
一令( T , 一T Z )
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: 是一天的时间 , p , 是液态水的密度 , d l 指定厚度为 1 厘米 , P: 是到达地面的液水通量
( 没有被截 留的雨 水 加植 被 冠 面 的径流 ) , 根据 D i e k s o n ( 1 9 5 4 ) , w ~ 二 = h v e g L A x , h =
0
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( 1 5 )
上式中符号意义同 N o ilh a n 等 ( 1 9 8 9 ) 。
2
.
5 模拟时段为内蒙古草原牧草生长后期的 1 9 9 3 年 8 月 17 日 20 时 (北京时间 , 下同 )至 8
月 2 0 日 0 8 时 。 ·鉴于该年 8 月曾在中科院植物所草原生态定位站开展了 IM G R A S S 预观测
实验 (潘林林等 , 1 9 96 ) 。 预试前期为断续阴雨后放晴天气 , 有较好的边界层结构和地面通量
观测值作为参照 。
第 4 期 殷达中等 : 内蒙古草原陆面通量和边界层结构数值模拟
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图 1 模式模拟区域和网格土地利用类型 (左图坐标轴上字表示网格点 ,
格点上数字代表土地利用类型 )
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图 2 定位站地面各通t 及模拟时段的累积降水t
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o n g o lia g r a s s la n d e e o sy s t e m r e s e a r e h s t a t io n
2
.
5
.
1 从地面天气图可知模式模拟期间 , 8 月 17 日 14 时 IM G R A SS 实验区为锋后高压控
制 , 有降水 , 8 月 17 日 20 时该高压前的冷锋在哈尔滨长春一线 , 8 月 18 日 08 时地面图上的
冷锋 已移到长春沈 阳北京一线 , 同时在俄罗斯贝加尔湖到外蒙古有一冷锋正缓慢东移 , 18
日以后降水区消失 , 此后外蒙古的冷锋移动更慢 , 实验区或为高压控制或处于高压中心之
后 。
2 8 6 草 地 学 报 1 9 98 年
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图 3 七分场地面各通t 和模拟时段的累积降水t
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图 4
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4 S im u la t e d
白音苏木地面各通t 及模拟时段累积降水t
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图 5 乌日图地面各通t 及模拟时段的累积降水t
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5 S im u la t e d s u rfa e e flu x e s a n d a e e u m u la t i v e p r e e i p i t a t io n
创 , . 旧 , , I 月口
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第 4 期 殷达中等 : 内蒙古草原陆面通量和边界层结构数值模拟
2
.
5
.
2 模式试验初始气象资料为 N C E P / N C A R 再分析等压面资料 , 资料分辨率为 2 . S O x
2
.
50 度 , S T 分辨率为 lo x l 。度 。 水平网格距为 30 公里 , x , y 网格点为 4l x 51 , 网格中心点
在 (北纬 40 “ , 东经 1 1 50 ) 。 垂直采用加密的 27 层进行模拟 , 这样在离地面 1 6 0 0 米以下可有
n 个半 。层位面的模式输出 , 模式顶为 lo oh p a 等压面 。 采用显式简单冰相水汽方案 , G rel
积云对流参数化 , 高分辨率边界层模式 。 初始地面温度和湿度来源于藕合模式的前处理 。
3 结果与分析
3
.
1 陆面水分能童通量分析
IM G R A S S 实验区四个代表性位置地面能量通量的模拟结果示于图 2 至图 5 。各图同时
给出模拟时段的累积降水量 。
3
.
1
.
1 在四个点中 , 除乌日图外植被类型均为放牧草原 , 其中除乌日图外三点间的距离约
1 个 网格距 (30 公里左右 ) 。 由图可见 , 三个草原点的净辐射值和 日变化非常接近 , 18 日最大
值约 6 0 W / m Z , 19 日在 57 0 一 5 80 W / m Z 上下 。 但三个点的白天波纹比却有差别 。 从表 1 所
列同一时刻的数据比较可见 , 白天三点位的波纹 比依次为 白音苏木> 七分场> 定位站 。而且
在未出现降水的次 日(19 日)波纹比较前一 日高 , 波纹比正负转换时刻为早 8 时和晚 1 9 时 。
3
.
1
.
2 综合分析模拟 时段累积降水量 , 三个位置的降水量依次为定位站 (2 . 25 毫米 )> 七
分场 (0 . 32 毫米 )> 白音苏木 (0 . 02 毫米 ) 。结果表明 , 在草原植被相同的条件下 , 降水对土壤
湿度 、蒸散强度及波纹 比的影响较显著 。 在三个点位中白音苏木降水量最小 , 白天大部分时
间潜热通量大于感热通量 , 但有时感热通量很接近潜热通量 , 甚至可大于潜热通量 。 3 . 1 . 3
8 月 1 8 日乌日图地面净辐射最大值为 4 0 w / m Z , 19 日地面净辐射的最大值约为 6 0 W /
m
, 。 白天感热通量大于潜热通量 。 早晨 7 时波纹比转为正值 , 晚 20 时转为负值 。 与其它点
比较 , 波纹 比转正的时间提前了一个小时 , 转负的时间推迟一小时 。此外 , 乌 日图夜间潜热通
量正值较大 , 感热通量负值也较大 , 说明该点夜间向下输送的热量大 , 向上输送的水汽也较
大 。 (图 5 、表 l )
3
.
1
.
3 综合上述分析可见 , 所模拟个例情况下 , 对陆面水分能量通量的影响从大到小是土
地类型和降水 。
3. 2 大气边界层结构分析
3
.
2
.
1 不难推论 , 三个草原点的地面通量值和 日变化比较接近 , 因此其边界层结构的基本
特征也应相近 。从模拟结果的确发现除水汽蒸散通量和感热通量的少量差别 , 对应的比湿和
位温廓线细节稍有差别外 , 各物理量廓线的规律相类似 。为此以下用七分场的模拟结果为代
表分析草场上边界层的特征并与乌日图所代表的内蒙古流沙沙漠上的情形进行比较 。
图 6 为七分场的比湿 、位温 、风向和风速廓线 。 为了图线清晰各图只选择若干有代表性
时刻的廓线绘出 。 由图的综合分析可得到如下事实 :
a
. 晴天 内蒙古草原边界层位温廓线表现出中纬度陆面的典型 日变化 。 19 时前后在近地
面开始出现贴地逆温 , 入夜后逆温层逐渐 向上发展 。 白天 8 时前后逆温自地面开始逐渐破
坏 , 上层仍保持稳定边界层的残 留 , 中间反映混合层基本特征的等位温及与上部残存逆温层
之间的过渡特点都比较鲜明 。
2 8 8 草 地 学 报 19 9 8 年
表 1 各时刻不同点的模拟波纹比 (裹中 10 0 表示该时刻潜热通t 为零)
T a b le 1 Bo w
e n r a tio fo r d iffe r e n t p o in t (w h e r e 1 0 0 m e a n s la te n t h e a t flu x e q u a ls z e r o )
时间
T im e
定位站
以n g w e iz h a n
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一 6 . 6 0
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一 6 . 12
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.
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0
.
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.
6 3
0
.
6 3
0
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4 6
0
。
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0
。
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一 2。 4 1
一 2 . 4 0
一 2 . 4 0
一 2 . 37
一 2 . 25
一 2。 1 1
一 0 . 4 5
0
.
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1
.
13
0
.
76
0
.
74
0
.
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0
.
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0
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0
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七分场
Q ife n e ha n g
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一 3 . 3
一 3 . 2
一 3 . 1
一 1 . 6 7
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0
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.
6 7
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.
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.
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1 4
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一 0 。 2 3
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一 0 。 6 0
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一 l 。 5 7
一 l 。 5 5
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一 0 . 2 9
0
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.
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.
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.
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.
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.
4 6
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.
3 4
0
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17
一 0 . 0 5
一 0 . 2 1
一 0 . 16
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0
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0 7
白音苏木
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0
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1
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第 4 期 殷达中等 : 内蒙古草原陆面通量和边界层结构数值模拟
2 8 9
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草 地 学 报 1 9 9 8 年
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6 )
第 4 期 殷达中等 : 内蒙古草原陆面通量和边界层结构数值模拟
b
. 与位温廓线的演变相对应夜间稳定边界层 比湿总体上呈自低向高减少 , 白天混合层
中大体呈等比湿状态 , 并可延续到前半夜 。 两种状态的交替过程都很快 , 例如两 日中 8 时至
1 0 时之间的过渡 , 1 8 日 2 3 时至 1 9 日 1 时的过渡 。
。 . 所模拟的两 日前一 日为偏北风 , 后 一 日转为南偏西 风 , 边界层内各高度的风向变化
均较少 , 与地转风风向接近 。白天混合层内速随高度变化不大 , 表现了混合层风廓线的结构 。
夜间低层特定高度可出现局部最大风速 , 例如 18 日 21 时和 19 日 1 时和 21 时的风廓线 。 这
一事实反映了夜间边界层形成和发展过程中的惯性振荡 , 也说明较晴朗的 日子草原边界层
演变符合中纬度陆地的一般规律 。
d
. 综合位温廓线和其它要素特征分析 , 所模拟的两 日以七分场为代表草原上午后最大
混合层高度为 1 3 0 0 米上下 。
图 7 是乌日图边界层廓线 。 从图中可见 , 乌日图的各廓线变化比草原点廓线更强烈 。 它
和草原点的最大不同是对流边界层形成比较早 , 在 8 点时就可形成较为深厚的对流混合层 ,
且近地层位温递减率比草原点大 , 午后最大混合层的高度可到 1 6 0 0 上下 。
比较这四点的廓线分析可见 , 陆面类型和土壤水热条件的不同直接影响边界层各要素
的廓线结构 。
根据内蒙古气候统计 , 大兴安岭 以西夏季 偏南 风和偏 东风 出现频率较高 (王文辉 ,
1 9 0 )
, 模拟过程该四个测站的风向属于高 出现频率风向 , 所模拟过程具有一定的气候代表
性 。
4 结论
4
.
1 在蒙古草原的生长后期 , 没有降水的草地在白夭大部分时间潜热通 量大于感热通量 ,
但有时感热通量很接近潜热通量 , 个别时间甚至可大于潜热通量 。 以白音苏木为例 , 波纹比
一般在 0 . 23 ~ 1 . 5 3 , 如有降水则潜热通量增大 , 波纹 比偏小 , 偏小的幅度随着降水量的增大
而增加 。 草原点的波纹比在早 8 时由负值转为正值 , 晚 1 9 时转为负值 。 以乌 日图为例 , 白天
内蒙古沙地波纹比大于 1 , 夜间向地面输送的感热较大 , 地面向上输送的水汽亦较大 , 早 7
时波纹 比由负值传为正值 , 晚 20 时波纹比转为负值 。和其它点比较 , 波纹 比转正的时间提前
了一个小时 , 转负的时间推迟一个小时 。结果表明 , 土地类型和降水对各通量的影响较大 , 在
降水量较少的夏季 , 土地类型对各通量的影响则大于降水 。
4
.
2 IMG R A S S 实验区域温度廓线的变化符合中纬度陆地边界层演变规律 。边界层 内的湿
度廓线和风廓线与温度廓线的对应关系较好 。 对流交换旺盛时的白天位温和比湿不随高度
改变 , 风速随高度变化也不大 。 沙地的对流边界层形成早于草原 。 在稳定层结下 ,边界层内
比湿随高减小 , 风速在 4 0 米高度以下有一个局部最大值 , 往上风速减小 , 到 60 0 米以上风
速随高度增加 , 有时会形成和稳定层结有关的低空急流 。边界层内温度廓线的演变受陆面的
影响较大 。
由于陆面参数资料的不足 , 模式只能区分牧场草原和沙地 , 而无法分辨典型草原 、稀疏
草原和干旱草原 , 正在进行的 IM G R A S S 实验将能提供这类资料 , 可以预 见将实验资料加
入到模式中会使对内蒙古草原的陆面水分能量循环的模拟更加详细更符合实际 。
2 9 2 草 地 学 报 19 9 8 年
参 考 文 献
1 王文辉 , 1 990 . 内蒙古气候 . 北京 :气象出版社 , 135
2 吕达仁 、陈佐忠 、王庚辰等 , 1 997 . 内蒙古半干旱草原土壤一植被一大气相互作用—科学问题与实验计划概述 . 气候与环境研究 , 2 (3 ) : 1 9 ~ 209
3 潘林林 、 陈家宜 、张宏升等 , 1 9 9 6一维地气藕合模式及其在内蒙草原的应用 . 大气科学 , 20 (3 ) : 36 7 ~
3 7 6
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M o d e lin g S tu d y o n th e L a n d S u r fa e e F lu x e s a n d th e S tr u e tu r e o f
P la n e ta r y B o u n d a r y L aye r (P B L ) o v e r In n e r M o n g o lia G r a s s la n d
Y in D a z h o n g C he n Jiay i
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r a e t : In th is p a p e r
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p la n e t a ry b o u n d a ry la y e r (PBL ) o v e r IM G R A S S m
e s o 一 se a le e x p e r im e n ta l a r e a d u r in g a n a p ha s e o f th e
g r o w t h se a s o n w ith a e o u p le d MM S
a n d m o d ifie d F r e n e h lan’d s u rfa e e m o d e l(N P 89 )m o d e lin g s ys te m . T h e
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T h e p o te n tia l te m p e r a t u r e p r o file e v o lv e s a lo n g w it h th e re g u la tio n fo r the
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