Page 113 - 《高原气象》2022年第1期

1 期 吴 笛等：基于CLM4.5的高寒草地辐射收支和水热交换的数值模拟研究 111
é z - ψ m( ) + ψ m( ú ú ) ù é z - ψ h( ) + ψ h( ú ú ) ù
z
z
2
R ah = ê ê ln z 0m × ê ê ln z 0m (k U a ) （4）
ë z 0m L L û ë z 0m L L û
R ss = ln ( z 0m z 0h )/ (ku * ) （5） 表4 热力学粗糙长度参数化方案
其中：L 为莫宁-奥布霍夫长度； ψ m 和 ψ h 为稳定性 Table 4 Parameterization of roughness length for heat
函数； z 0m 和 z 0h 分别为空气动力学和热力学粗糙长 参考文献（原方案/ 方案
参数化方案
度；k为卡曼常数； U a 为近地层风速。 待测方案） 简称
从式（3）~（5）可以看出空气动力学粗糙长度和 z 0h = z 0m exp ( -0.13R e* ) Zeng and Dickinson，1998 Z98
0.45
热力学粗糙长度直接影响着感热传输，由于热力学 原方案
粗糙长度和空气动力学粗糙长度无法直接测量，一 z 0h = z 0m exp (2.0 - 2.46R e* ) Brutsaert，1982 B82
0.25
般根据风温廓线进行推算（Yang et al 2003；Sun， 待评估方案
1999）。然而在缺少观测资料的地区确定热力学粗 z 0h = z 0m exp (2.0 - 1.29R e* ) Kanda et al，2007 K07
0.25
待评估方案
糙长度和空气动力学粗糙长度就存在困难。许多研
Zilitinkevich，1995
究将空气动力学粗糙长度和一些地表特征联系起来 z 0h = z 0m exp ( -0.1R e* ) Z95
0.5
待评估方案
（Su，2002；Li et al，2021），同时，确定空气动力学
Zeng et al，2012
粗糙长度与热力学粗糙长度之间的关系，推算出热 z 0h = z 0m exp ( -0.36R e* ) Z12
0.5
待评估方案
力学粗糙长度。因此研究不同方案对模拟的影响进 0.4z 0m
(
而确定一个合适的热力学粗糙长度方案对模式准确 z 0h = z 0m exp -10 - 0.07k R e* 0.5 ) Chen and Zhang，2009 CZ09
待评估方案
模拟感热是很重要的。对于 CLM4. 5 模式，只需要
在裸土部分的一些参数计算上体现热力学粗糙长度 取代基于风廓线测量的计算方法（Brutsaert，1982），
与空气动力学粗糙长度差异，原因是植被部分在冠 而植被参数也与实际值有明显差异，这必将使空气
层上部考虑了能量平衡等效于考虑二者之间的差异 动力学粗糙长度有所偏差，谢志鹏等（2017）认为空
（Zeng and Dickinson，1998；Zeng et al，2012）。表 4 气动力学粗糙长度的偏差是影响 BJ 观测点能量模
为本文研究的参数化方案（表中 R e* = Z 0m u * /υ， υ = 拟的因素之一。因此本文选用两种方法来计算空
1.5 × 10）。表 4中这些方案对陆面模式的模拟的影 气动力学粗糙长度来替换模式中的值。第一种是
5
响在许多学者工作中都有所讨论（Yang et al，2008； 陈家宜等（1993）提出的方法，此后简称为“陈方
Zheng et al，2014；Wang and Ma，2019） 法”，所需的是站点观测的单一高度平均风速和湍
3. 4 空气动力学粗糙长度计算方法 流通量等测定值。
由于模式中空气动力学粗糙长度（Z ）由一些 ln z - d = kU （6）
0m
植被参数进行计算得到，这种计算方法不能够很好 z 0m u * + ψ m(ζ )
( ) ( ) π
2
1 + x
1 + x
ψ m (ζ ) = 2ln 2 + ln 2 - tan ( x ) + 2 ζ < 0 （7）
-1
ψ m (ζ ) = -5ζ ζ > 0
x = (1 - 16ζ ) 1/4 植被指数，通过 Massman 模型（Massman and Weil，
ζ = ( z - d )/L （8） 1999）对空气动力学粗糙长度（Z ）进行反演［式
0m
3 （10）~（13）］，此后简称为“Massman 方法”，同时也
L = - u * （9）
- ---
(k g ) θ'ω' 参考了 Chen et al（2013）和 Sun et al（2016）对公式系
-
θ 数的订正。其中：C =0. 32，C =0. 26，C =15. 1，C =
d
3
2
1
kU
由式（6）通过拟合单一高度的 的观测值和 ζ 0. 2，LAI为叶面积指数。
u * γ = C 1 + C 2 · exp ( -C 3 ·C d ·LAI ) （10）
-
来拟合确定 Z ，其中：U 为风速；u 为摩擦速度； θ C d ·LAI
0m
*
为空气温度；θ′ω′都通过观测获得，d=0. 03 m 为替 n ec = 2·γ 2 （11）
代高度；k=0. 35为卡曼常数。 [1 - exp ( -2·n ec ) ]
d h = 1 - （12）
第二种方法是利用 MODIS 卫星资料的归一化 2·n ec