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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