物理过程描述植被、土壤及雪盖等下垫面的水、热传输以及与大气进行水分、热量、动量和辐射的交换；生化过程描述碳、氮等化学元素在陆地生态系统中的循环，包括植被的光合作用以及土壤的呼吸等；生态过程则是描述时间尺度较长的生态系统的结构、组成和成分的动态变化以及生态系统的演替等。

陆面模式大致经历了4个发展阶段：第一代陆面模式诞生于20世纪60年代末至70年代，其基于土壤为垂直方向均匀分布且容水量达15厘米的“水桶”的假定以及根据水分质量守恒的假设，用空气动力学总体输送公式和几个均匀的陆地表面参数（如反照率、粗糙度）对土壤含水量、地表蒸发和地表径流进行简单地描述，故称为“水桶模型”。70年代末到90年代，在土壤水、热传输方案的基础上，第二代陆面模式引入了植被生理过程，将植被冠层近似地处理为一个薄的叶片（Deardorff，1978），并基于一系列可以直接观测到的陆面参数，从而建立起关于植被覆盖上空辐射、水分、热量和动量交换以及土壤中水热传输过程的参数化方案。这些模式能较为真实地描述植被在陆面过程中的作用，并能够细致地刻画植被蒸腾及植被冠层辐射传输对陆面水分和能量收支的影响，该阶段的代表性模式有罗伯特·狄金森研发的BATS（Biosphere Atmosphere Transfer Scheme）和皮尔斯·塞勒斯研制的SiB（Simple Biosphere Model）。90年代以后逐渐发展起来的第三代陆面模式，引入了植被吸收二氧化碳（CO₂）进行光合作用的生物化学过程，不仅能更加真实地刻画陆地-大气交界面的水、热交换过程，而且还可以模拟地表碳通量和大气中CO₂浓度的变化，从而为植物动态生长并响应气候变化的生态模式研究打下基础，美国国家大气研究中心研发的陆面模型（NCAR LSM）和SiB的升级版本SiB2是该阶段的代表。第四代陆面模式（90年代末以后）中具有代表性的包括：戴永久及其合作者（2003）研制的通用陆面模式CoLM（Common Land Model）及其升级版本CoLM 2014，以CoLM为蓝本之一研制的美国公用陆面模式CLM（Community Land Model），英国的JULES（the Joint UK Land Environment Simulator），澳大利亚的CABLE（the Community Atmosphere Biosphere Land Exchange Model），以及美国的Noah-MP（Noah-Multiparameterization Land Surface Model）。这些陆面模式中加入了大量新的子模块，不仅对陆面物理、化学和生物等过程的描述更加精细化，而且包含的过程也更加完备。

中国学者在陆面模式发展方面的工作始于20世纪80年代，先后建立了大气-植被相互作用模式（AVIM）、在描述植被生长方面有改进版本（AVIM2）、基于多孔介质混合扩散过程的中国科学院大气物理研究所陆面模式（IAP94）及其在国内外得到广泛应用的升级版本通用陆面模式（CoLM）。此外，针对不同陆面物理过程还发展了多种参数化方案，如简化的雪盖-大气-土壤相互作用方案SAST（Snow-Atmosphere-Soil-Transfer）、湖泊和湿地参数化方案以及描述不同植被类型竞争演替的森林-草原-灌木竞争方案等。

陆面模式由若干个预报方程和诊断方程组成。预报方程描述植被冠层温度、冠层截留降水量、土壤温度、土壤湿度（或者土壤含水量）等物理量在近地层气象条件影响下随时间的变化。对单层的“大叶”模型而言，方程的个数随着土壤垂直分层的个数而变化。诊断方程则仿照电学理论中的电势、电流强度和阻抗的关系来模拟土壤与植被、土壤与大气、植被与大气界面间的动量、能量和水分的湍流交换。这些通量的计算大多是根据零阶闭合的相似理论，用来诊断平均风速、温度、湿度和其他变量随时间变化的平衡关系。针对不同的研究对象，可以分为莫宁-奥布霍夫相似、混合层相似、局地自由对流相似和罗斯比（Rossby）数相似等相似性尺度分析。

在长时间连续的近地层气象资料（包括传统观测和卫星遥感反演数据）的驱动下，陆面过程模式可以离线运行，产生时空连续的土壤温度、土壤湿度等再分析数据。在一定的气候变化情景假设下，也可以用预估的近地层气象资料来预测陆地表面状况的未来变化，供陆面过程相关研究应用；如果与气候模式系统其他分量模式耦合运行，陆面模式的河川径流可以为海洋模式提供淡水通量，更重要的是可以为大气环流模式提供下边界条件，用以反映地表覆盖和土地利用变化等自然或者人为扰动过程对大气环流和气候的影响。若包含陆地碳、氮循环过程，则可以描述陆地-大气之间的CO₂交换，进行全球变化研究。

现有陆面模式主要关注植被生物圈、土壤圈与大气圈的相互作用，针对垂直方向一维均匀下垫面的理想情况，所用的湍流参数化方案大都是基于局地均匀流动的相似理论，对冻土、干旱/半干旱地区以及稀疏植被下垫面的描述过于简单。基于这些类型下垫面的场地观测结果，改进现有的相关参数化方案，充分考虑模式网格尺度内的非均匀性，合理描述具有次网格特征的物理过程（如降水不均匀分布、地形、地貌对土壤含水量和水文过程的影响）是陆面模式的发展方向之一。另外，现有陆面模式对碳循环的刻画尚需进一步完善，因多数没有考虑土壤中氮、磷等营养元素对植被光合作用的制约，所以未来需要把碳、氮循环过程进行耦合研究，并且把能够刻画植被动态生长甚至植被类型演替的动态植被模型进一步完善。利用日益丰富的遥感影像及其他观测资料，更新陆地表面覆盖类型和土壤质地等基础数据，以便反映自然和人类活动对陆地下垫面的影响，也是陆面模式未来发展的重要工作，例如城市面积不断扩大，强烈改变了下垫面的水热性质和粗糙度，故而需要发展新的参数化方案来刻画这些非传统意义上的陆地下垫面类型。另外，森林的砍伐与管理、庄稼的灌溉和施肥、大型水利设施的建设与水资源调度等人类活动对地表覆盖的扰动及其对气候的影响，将是包含人类活动扰动过程的新一代陆面模式研究的热点问题。