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陆面过程模式中植被冠层四流辐射传输参数化方案的理论及应用研究

周文艳  
【摘要】: 陆面过程的研究内容主要包括外场观测试验研究和数值模拟研究。针对目前在陆面过程数值模拟研究中对于地表植被冠层辐射传输参数化方案精确性不足的问题,本文在冠层二流辐射传输模式基础上新发展了一个描述太阳短波辐射在植被中传输的冠层四流辐射传输模式。 冠层四流辐射传输模式的发展思路是,在大气辐射传输理论的基础上得到一组描述短波辐射在植被中传输过程的冠层辐射传输基本方程,引进大气中求解辐射传输方程的四流近似解法,并求得冠层四流辐射传输方程的解析解。方程中各项参量能够反映叶子或冠层特殊的几何和光学特征。冠层辐射传输方程实际上就是一组微积分方程,通过求解方程得到冠层向上、向下辐射强度的解析解,从而计算冠层的反照率。冠层向上、向下辐射通量取决于冠层散射相函数、叶子在入射光方向投影面积、单个叶子反射率和透射率、叶面积指数以及直射光入射太阳高度角等。论文给出了冠层散射相函数的解析式,并参照二流模式确定了植被冠层各项参量的定义及其参数化形式。 由于在叶子呈水平分布时,各种辐射传输模式都应该满足Goudriaan理论规律,并且缺乏对叶子散射相函数等的直接观测资料,所以本文利用Dickinson(1983)发展的冠层二流辐射传输模式来验证新发展的四流辐射传输模式的正确与否。四流模式计算叶子水平倾角时对太阳短波辐射的反照率,与二流模式结果比较可以验证模式的理论推导和建模都是正确的:计算结果的比较,表明四流模式在水平叶角分布时计算的冠层反照率与二流模式结果一致,同时直射光从任何太阳高度角入射的冠层反照率结果也一致,从而证明发展的冠层四流辐射传输模式是成功的。 利用新发展的冠层四流辐射传输方程分析了在叶角分布的几种特例情形下,辐射在植被内传输的一些规律。计算的辐射传输规律与文献和有限观测资料是一致的,证明发展的冠层四流辐射传输模式能够合理描述短波辐射在植被中的传输过程。 论文设计了包括球形和垂直叶角分布、叶面积指数、叶子和土壤光学性质等各种组合的大量实验,在这些组合下比较四流模式与二流模式的计算结果,并对结果的差别进行了比较分析。统计在两种情形下各种组合的相对误差,在只有散射光情形下,当叶面积指数较小时,相对误差在10%-49%之间;尤其是叶子呈垂直分布时,在土壤反射率较小时,相对误差在15%以上个例占77%。在只有直射光情形下,各种组合两个模式误差大于0.02的占46%,叶子垂直分布时相对误差超过10%的占多数。 从两个模式计算冠层反照率的结果可以看出,在大多数个例中尤其是只有直射光入射情形下两个模式的计算结果都有较大差别。 为了更好地说明新发展的冠层四流辐射传输模式的必要性和科学性,论文在实际模拟试验中将两种模型同时耦合到同一个陆面过程模式中进行比较试验,并对一些主要陆面物理量,特别是辐射分量的模拟结果与野外观测结果进行比较来说明其改进的效果。试验结果表明,冠层四流辐射传输模式能够得到更精确的植被反照率,从而使得陆面模式计算的地表吸收的净太阳辐射通量更接近于观测值。


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