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模拟三维植被网结构对北方森林地表辐射和能量平衡的影响

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模拟三维植被网结构对北方森林地表辐射和能量平衡的影响

发布日期:2019-04-10 14:25 来源: 点击:

三维植被网

植被与大气之间的辐射和湍流能量交换是陆地 - 大气相互作用的重要组成部分。植被属性强烈影响这种交换。

通常,双流模型用于计算净吸收辐射以及植被冠层和基板之间吸收辐射的分配。

此外,动量和热量的粗糙度长度通常被参数化为植被高度的简单函数。

我们研究了三维植被网(3-D)结构对非均匀森林冠层的地表辐射和能量平衡的影响。

为此,在国家大气研究中心(NCAR)陆地表面模型(LSM)版本1.0中实施了考虑冠层3-D结构对辐射和湍流能量交换的影响的参数化。

然后使用来自北方生态系统 - 大气研究(BOREAS)的强迫数据,使NCAR LSM离线运行一段时间,包括潮湿和干燥的土壤湿度条件。

在昼夜时间尺度上检查植被冠层和土壤表面内的辐射和能量平衡。

结果表明,三维植被网参数化增加了土壤表面吸收的净辐射,并且当土壤水分不受限制时,这种额外的可用能量主要通过地面蒸发消散。

当土壤干燥时,土壤表面的可用能量大部分转化为显热,地热通量变化相对较小。

此外,来自植被冠层的模拟显热减少,并且观察到模拟冠层蒸腾的相对小的变化。

使用3-D参数化对观测的模拟热通量的比较显示出对NCAR LSM中包括的原始处理的改进,表明仔细处理植被性质对于准确建模土壤 - 植被中冠层上方和下方的通量数量是重要的。

陆地表面与大气之间的质量和能量交换是地表 - 大气相互作用的关键组成部分。陆地表面的特性,尤其是植被的存在,对这些交换产生了强烈的影响。对于辐射交换,植被的结构和密度控制着辐射穿透树冠的方式,从而影响植被和基质吸收的能量。对于湍流转移过程,植被属性决定粗糙度长度,用于计算土壤 - 植被 - 大气转移模型中的动量,热量和水蒸气通量。

传统上,模型中的辐射和湍流能量传递的参数化已经独立开发,而没有考虑表面辐射和能量平衡的耦合行为。对于辐射方案,植被冠层通常被视为一片大叶,在形式或密度上没有垂直或横向变化。在此框架内,双流模型通常用于计算植被冠层和基质吸收的净辐射。类似地,热量和动量的粗糙度长度通常被参数化为冠层高度的函数。这种类型的处理忽略了许多因素的影响,包括垂直植被结构和冠层密度的水平变化等。
与上述“大叶”表示不同,植被冠层通常具有高度不均匀的属性。

例如,植被林的结构,密度和生理学可能不同,但具有相同的叶面积指数。树冠结构性质的这种类型的可变性实质上影响植物通过辐射和湍流能量交换过程与大气相互作用的方式。例如,Bonan等人。 比较了陆地表面模型模拟的净辐射,显热和潜热通量与北方生态系统 - 大气研究(BOREAS)的通量塔测量值,发现该模型能够再现植被类型之间的变异性,但不能在植被类型。在这些结果的基础上,他们得出结论,下一代地表模型必须能够解决植被类型内的异质性问题。此外,陆地表面辐射和能量平衡高度耦合,陆地表面和大气之间的相互作用和反馈既复杂又非线性。
在这种情况下,与地表辐射和能量平衡相关的过程的表示中的不匹配可能在模拟的通量中产生实质误差,尤其是在植被具有明显的三维植被网(3-D)结构的森林系统中。

这项工作中描述的研究直接解决了这些问题。具体而言,本文研究了模型中三维植被网结构的表征,重点研究了植被结构如何同时影响地表辐射和能量以及植被冠层和土壤表面的平衡。为此,我们研究了三维植被网效应对地表辐射状况和湍流能量转移的重要性,并考虑这些影响如何随着地表土壤水分条件的变化而变化。

为实现这些目标,下面的讨论分为三个部分。第一部分总结了本研究中使用的辐射和湍流转移的参数化。这些参数化专门针对具有三维植被网结构的植被而开发。本节之后是使用包括这些3-D参数化的地表模型进行的模拟结果。将这些模拟的结果与“大叶”表示和观察结果进行比较。然后讨论了三维植被网结构对地表辐射和能量平衡的影响。

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