Review on simulation of land-surface processes on the Tibetan Plateau

The Tibetan Plateau(TP) has powerful dynamics and thermal effects, which makes the interaction between its land and atmosphere significantly affect climate and environment in the regional or global area. By retrospecting the latest research progress in the simulation of land-surface processes(LSPs) over the past 20 years, this study discusses both the simulation ability of land-surface models(LSMs) and the modification of parameterization schemes from two perspectives, the models' applicability and improved parameterization schemes. Our review suggests that different LSMs can well capture the spatiotemporal variations of the physical quantities of LSPs; but none of them can be fully applied to the plateau, meaning that all need to be revised according to the characteristics specific to the TP. Avoiding the unstable iterative computation and determining the freeze-thaw critical temperature according to the thermodynamic equilibrium equation, the unreasonable freeze-thaw parameterization scheme can be improved. Due to the complex underlying surface of the TP, no parameterization scheme of roughness length can well simulate the various characteristics of the turbulent flux over the TP at different temporal scales. The uniform soil thermodynamic and hydraulic parameterization scheme is unreasonable when it is applied to the plateau, as a result of the strong soil heterogeneity. There is little research on the snow-cover process so far,and the improved scheme has no advantage over the original one due to the lack of some related physical processes. The constant interaction among subprocesses of LSPs makes the improvement of a multiparameterization scheme yield better simulation results. According to the review of existing research, adding high-quality observation stations, developing a parameterization scheme suitable for the special LSPs of the TP, and adjusting the model structures can be helpful to the simulation of LSPs on the TP.     

基于水热变化的青藏高原土壤冻融过程研究进展

青藏高原近地层土壤冻融过程是高原地表最显著的陆面特征之一,也是判断冻土发育、存在以及反映气候变化的重要指标。近地层土壤昼夜、季节性的冻结、融化会导致青藏高原陆—气间能水平衡的变化甚至异常,从而显著影响高原地表水文过程、生态环境、碳氮循环以及高原及其周边区域的天气和气候系统。论文从观测、模拟以及对气候的影响3个角度来探讨1990年以来青藏高原土壤冻融过程的最新研究进展。结果表明：① 在一个完整的年冻融循环过程中,近地表各层土壤大体都经历了夏季融化期、春秋季融化—冻结期、冬季冻结期4个阶段。受局地因素的影响,不同站点的冻结或消融起止时间、速率、类型均有差异。② 多年冻土区和季节冻土区的日冻融循环过程差异较大,主要体现在日冻融循环持续时间上。③ 不同陆面模式都可以很好地抓住冻融过程中物理量的时空变化,但都需要针对高原陆面过程的特点进行参数化改进。④ 规避不稳定的迭代计算并根据热力学平衡方程确定冻融临界温度可以改进不合理的冻融参数化方案。基于已有研究回顾,发现增加高质量的观测站,利用卫星遥感等多种手段来反演高原土壤冻融过程以及加强陆面模式与区域气候模式和全球气候模式的耦合,并立足于高原冻融过程的特点发展相适应的参数化方案以及模拟结构的调整,能够有助于高原冻融过程的模拟。     

沙漠下垫面地面温度及能量收支的BATS模式参数化改进

利用陆面过程模式BATS,引入地表发射率及两种大气发射率参数化方案,同时引入不同的地表粗糙度参数化方案,对比各种参数化方案对沙漠下垫面地面温度及能量收支的模拟状况。结果表明：采用Van Bavel等发展的地表发射率及Chung等发展的大气发射率方案可以明显改进地面温度及向上长波辐射的模拟,Chung等方案在夜间与正午的模拟效果更好,减小了1 ℃左右的地面温度模拟偏差,减小了10 W·m^-2左右的向上长波辐射模拟偏差。晴天地面温度及向上长波辐射的模拟结果优于阴天。利用Zhang等发展的裸土粗糙度参数化方案也会提高模式对地表感热通量模拟的准确性。     

地表能量平衡方程在新疆地表温度模拟中的应用

地表温度是影响地表能量收支平衡和气候变化的重要因子,也是评价陆面模式性能的主要指标。新疆下垫面包括沙漠、绿洲、冰川、积雪等多种类型,其地表温度变化对生态环境和天气气候变化有重要影响。为了找到影响第三代陆面模式NCAR CLM4.5模拟新疆地表温度效果的主要因子,促进该模式发展,在对ERA-5再分析资料评估基础上,以其作为实况资料,首先对CLM4.5长时段模拟新疆地表温度的效果开展评估,然后利用地表能量平衡方程得到的地表温度变化影响因子分离方法,揭示出引起新疆地表温度模拟偏差的主要因子。结果表明：ERA-5地表温度的空间分布特征、量级和时间变化与观测结果一致,可用来研究该区域地表温度变化。CLM4.5对新疆地表温度模拟冷偏差值较大,但相关性显著,且误差与气候背景和下垫面条件有关。CLM4.5模拟的潜热值偏大是地表温度模拟值偏低的主要原因,CLM4.5模拟的潜热值在新疆大部分区域比ERA-5的多90%以上。CLM4.5对新疆0—10 cm土壤湿度模拟值偏大,蒸散过强,导致潜热通量偏大,因此改进土壤湿度计算方案是提高该陆面模式对新疆地表温度模拟水平的有效途径。     

Evaluating effects of Dielectric Models on the surface soil moisture retrieval in the Qinghai-Tibet Plateau

Based on the measurement of L-band ground-based microwave radiometer(ELBARA-III type)in the Qinghai-Tibet Plateau and theτ-ωradiative transfer model,this research evaluated the effects of four soil dielectric models,i.e.,Wang-Schmugge,Mironov,Dobson,and Four-phase,on the L-band microwave brightness temperature simulation and soil moisture retrieval.The results show that with the same vegetation and roughness parameterization scheme,the four soil dielectric models display obvious differences in microwave brightness temperature simulation.When the soil moisture is less than 0.23 m3/m3,the simulated microwave brightness temperature in Wang-Schmugge model is significantly different from that of the other three models,with maximum differences of horizontal polarization and vertical polarization reaching 8.0 K and 4.4 K,respectively;when the soil moisture is greater than 0.23 m3/m3,the simulated microwave brightness temperature of Four-phase significantly exceeds that of the other three models;when the soil moisture is saturated,maximum differences in simulated microwave brightness temperature with horizontal polarization and vertical polarization are 6.1 K and 4.8 K respectively,and the four soil dielectric models are more variable in the microwave brightness temperature simulation with horizontal polarization than that with vertical polarization.As for the soil moisture retrieval based on the four dielectric models,the comparison study shows that,under the condition of horizontal polarization,Wang-Schmugge model can reduce the degree of retrieved soil moisture underestimating the observed soil moisture more effectively than other parameterization schemes,while under the condition of vertical polarization,the Mironov model can reduce the degree of retrieved soil moisture overestimating the observed soil moisture.Finally,based on the Wang-Schmugge model and FengYun-3C observation data,the spatial distribution of soil moisture in the study area is retrieved.     

RegCM4.6两种积云参数化方案在东亚模拟结果的评估

新一代区域气候模式RegCM4.6引进了Mix积云参数化方案,可以将之前版本中的Emanuel和Grell方案结合在一起,以弥补单个参数化方案的不足。利用2016年MODIS(Moderate-resolution imaging spectroradiometer)数据对RegCM4.6中Mix和Emanuel积云参数化方案模拟的东亚云量(Cloud fraction,CF)、冰水柱含量(Ice water path,IWP)和液水柱含量(Liquid water path,LWP)进行初步评估,计算了相关系数(r)、平均绝对误差(Mean absolute error,MAE)、平均偏差(Mean bias error,MBE)和均方根误差(Root mean square error,RMSE),以便为相关研究选取积云参数化方案提供参考依据。结果表明：(1)模拟的CF的MBE大致以胡焕庸线为界,西北部为轻微高估,东南部通常为低估。2种方案在夏季的模拟效果最好,冬季最差。Mix方案的MAE、MBE和RMSE的绝对值在四季普遍小于Emanuel方案。(2)模式明显低估了东亚的IWP,...     

Numerical Simulation on Climate Effects of Freezing-Thawing Processes Using CCM3

A parameterization of soil freezing-thawing physics for use in the land-surface model of the National Center for Atmospheric Research(NCAR) Community Climate Model(CCM3) is developed and evaluated.The new parameterization scheme has improved the representation of physical processes in the existing land surface model.Numerical simulations using CCM3 with improved land-surface processes and with the original land-surface processes are compared against the NCEP reanalysis.It is found that the CCM3 version using the improved land surface model shows significant improvements in simulating precipitation in China during the summer season,the general circulation over East Asia,and wind fields over the Tibet Plateau.For the summer season,the improved model was able to better simulate the Indian summer monsoon components,including the mean northerly wind in the upper troposphere and mean southerly wind in the lower troposphere.     

天山暴雨数值模拟的试验研究

利用新疆天山地区加密自动气象站资料、常规探空资料和NOAA卫星AMSU辐射亮温资料,应用中尺度模式(WRF-ARW)和(3DVAR)同化系统,对2007年7月16-17日发生在新疆东天山的暴雨天气过程进行了数值模拟试验。结果表明:①通过WRF模式对天山地区“2004-07-18”和“2010-06-22”两次暴雨过程的数值模拟试验, WRF模式在天山地区以Lin微物理过程方案,Grell积云对流参数化方案,MYJ边界层参数化方案,耦合Noah陆面模式的方案组合更优。②同化天山地区加密自动气象站资料、常规探空资料和AMSU-A/B辐射亮温资料,使初始场更接近于当时的实际大气状况,且同化后的模拟预报效果,无论是对降水落区还是对降水强度均较控制试验有明显的改善。③适当提高模式水平分辨率,有助于改进暴雨落区的预报强度。     

SWAT分布式流域水文物理模型的改进及应用研究

SWAT (Soil and Water Assessment Tool) 模型是一个集成遥感 (RS)、地理信息系统 (GIS) 和数字高程模型(DEM)技术的先进的分布式流域水文物理模型。为了推动该模型在中国的适应性研究及应用,并改进模型以提高水文模拟的精度,针对模型在中国西北寒旱区的黑河流域和中西部温润的汉江流域的水文模拟中发现的问题进行了扩充和改进,增加了土壤粒径转换模块和天气发生器(WGEN)数据预处理模块,改进了模型中的WGEN算法、潜在蒸散量模拟算法以及气象参数的空间离散方法。利用扩充和改进后的模型对汉江褒河上游江口流域的降雨-径流过程进行了系统的研究。结果表明,不仅模型的使用效率有明显提高,而且改进后模型的效率系数和相关系数也比改进前有较大改善。     

华北平原冬小麦—夏玉米轮作区DLM与CLM5模型模拟对比研究

作物生长与气候的互馈是当前气候变化研究的热点之一。陆面模型作为一项重要的研究工具,其模型框架、算法设计及参数化方案的不同会直接导致模拟结果的不确定性。为探究陆面模型DLM(dynamic land model)和CLM5(community land model)在作物生长及农田热通量模拟方面的差异及原因,评估2个模型在华北平原作物研究中的适用程度,论文开展了冬小麦—夏玉米轮作站点的模拟对比研究。结果显示,DLM的夏玉米叶面积指数和生态系统总初级生产力的模拟值更高,与观测值更为接近;CLM5模型则在冬小麦模拟中略优。DLM的潜热模拟值与观测值的相关性普遍更高,可能反映了DLM采用的彭曼公式、双叶策略比CLM5采用基于水势梯度质量守恒、大叶策略的潜热计算方法更具优势。对于产量,模型当前的估测能力并不理想。总的来说,在默认设定下,2个模型的模拟结果能基本反映研究区农田站点内夏玉米和冬小麦的生长规律,但与实测值存在一定偏差。模型在该区域的适用性可能需要通过添加农田管理措施、算法优化和参数本地化等方式进一步提高。     

侧边界融化对北极海冰影响的数值模拟

对NCAR CSIM5 海冰模式中海冰侧边界融化参数化方案进行了详细阐述,并利用CSIM5模式模拟了侧边界融化对北极海冰厚度和海冰面积变化的影响,试验结果表明：（1）侧边界融化热力过程会增大海冰厚度和海冰面积的消融,海冰厚度消融最明显的区域分布在西伯利亚海和格陵兰海,海冰面积消融最明显区域分布海冰边缘地区;（2）侧边界融化过程对夏季海冰厚度影响比冬季更为明显,而对冬季海冰面积的影响要比夏季更为明显;（3）侧边界融化方案能更好地模拟出海冰面积的季节性变化;（4）海水表面温度（SST）是影响海冰侧边界融化过程的重要因子,侧边界融化率的大值区分布在SST零度线附近的狭窄区域。     

黑碳和有机碳气溶胶对大气温度影响的数值模拟

黑碳气溶胶和有机碳气溶胶是大气气溶胶的重要组成成分,对区域和全球气候有重大影响。利用区域气候模式RegCM3模拟了2000年7月中国黑碳气溶胶和有机碳气溶胶的辐射强迫,分析了这两种气溶胶对大气温度的影响。结果发现,黑碳气溶胶在模式顶层产生正的辐射强迫,而有机碳气溶胶在模式顶层产生的辐射强迫并非全为正值,在地表两种气溶胶都产生负的辐射强迫。黑碳气溶胶和有机碳气溶胶的辐射强迫引起的温度反馈表现在:7月这两种气溶胶的加入使得28°—30° N之间的地区的气温显著升高,35°—36.2° N区域气温降低。黑碳气溶胶的升温效应强于有机碳气溶胶。     

改进的热惯量模式及遥感土壤水分

本文提出一个考虑地表显热通量及潜热通量的热惯量模式。模式利用了地面定标的方法并充分利用了热象图的空间分布信息,因而较大幅度地提高了估算土壤水分含量的精度。     

黄土高原典型塬区土壤热状况研究

在陆-气相互作用中,土壤热状况（土壤温度、土壤导热率等）和土壤湿度等陆面状况对大气环流和气候变化都有着重要影响。黄土高原横跨干旱、半干旱及半湿润地区,为我国第二大高原,幅员辽阔。该复杂下垫面上的陆-气相互作用不仅直接影响到黄土高原地区的气候和环境变化,而且对东亚、乃至全球的气候和环境变化都可能产生重要影响。而对黄土高原区域的土壤热状况及土壤温度的研究是黄土高原陆-气相互作用研究的重要组成部分。分析了黄土高原典型塬区不同下垫面的土壤温度状况,分析了造成各种下垫面温度分布和变化不同的原因,得到如下结论：在近地层,随着土壤深度的增加,土壤温度振幅逐渐减小,40 cm土壤温度相对以上各层变化不明显。就季节变化而言,土壤温度在1 a中有两次稳定状态。第一次出现在4月上旬,其值约为6 ℃左右;第二次出现在11月中旬,温度值为14 ℃。相对于全年土壤温度而言,在12月到次年2月有一个低温中心,温度低于零度;7～8月间有一个暖中心。各层土壤温度在1月份是最低的,其后一路上升,4、5月份是土壤温度快速上升期,至8月上旬土壤温度达到最大值,为土壤升温期;其后温度开始下降。土壤温度梯度具有明显的日变化特征,夜间,土壤的热量是从深层传向地表的,而随着太阳高度角的加大,土壤温度梯度转为负值,深层土壤从地表获得能量,到了傍晚19时左右,温度梯度又转为正值;土壤温度梯度的变幅在有植被时要明显小于无植被时。各站的日平均土壤导热率,柴寺、塬下和中心站分别是1.43,1.24,1.17 W·m^-1·k^-1,土壤物理性质和土壤质地的不同是各站土壤温度分布和土壤热传导率存在差异的原因之一。     

高寒草甸草地退化对土壤水热性质的影响及其环境效应

青藏高原高寒草甸草地的大面积退化,将改变浅层土壤的水热性质,影响地表水热交换,甚至导致区域生态环境的变化。本文通过系统分析典型原生高寒草甸与中度退化高寒草甸的植物群落特征、地上地下生物量和土壤理化特征的差异,研究高寒草甸草地退化对土壤水热性质的影响及其环境效应。结果表明:随着高寒草甸草地退化,植被覆盖度显著降低(p<0.01),适应旱生、深根系的杂草侵入适应湿润生境、浅根系的以莎草科植物为主的原生植被,生物多样性显著增加(p<0.01);草毡表层(0～10 cm)地下生物量显著减少(p<0.01),30～50 cm地下生物量显著增加(p<0.01)。草毡表层变薄降低了土壤容重的垂向异质性,使表层土壤容重显著增加(p<0.01),土壤颗粒显著变粗(p<0.01)。受浅层土壤有机质降低和土壤容重增加的影响,中度退化高寒草甸土壤的持水量和饱和导水率降低,土壤导热率升高。高寒草甸草地植被退化,土壤持水量、饱和导水率降低和导热率增加将加速地表水热交换,对高寒草甸草地退化和下伏多年冻土消融都可能是正反馈。     

基于陆面模式NCAR/CLM3.5的东北区域生长季地表干湿状况时空分布特征模拟研究

利用东北地区地面102站56 a(1951~2006年)逐日气象观测资料,驱动NCAR陆面模式CLM 3.5,模拟东北地区生长季地表水分盈余量(Surface Water Surplus,SWS),探讨和分析了东北地区生长季1951~2006年地表干湿状况的时空变化规律。结果表明:1971~2000年平均东北地区生长季SWS反映的地表干湿状况具有较大的地域差异,全区SWS为100~800 mm;中、西部为SWS低值区,属半干旱、半湿润区;东、南、北部为相对高值区,属湿润、半湿润区。生长季地表干湿状况存在显著的年际、年代际变化;56 a来,东北地区生长季SWS呈线性减少趋势,即地表变干,SWS空间分布的年代际变化,同样表现为变干趋势,尤其2000~2006年是地表变干最为显著的时期,表明在全球变暖背景下东北地区地表干旱化趋势增强。分析表明地表干湿状况是下垫面与气候变化共同作用的结果,研究地表干湿状况需要综合考虑水分收支项。     

积雪对冻土热状况的影响

研究表明季节性积雪对其下覆冻土的热状况有显著的影响，雪盖的存在不仅阻隔了冻土层的热能散失，从而有提高地温的作用；而且由于积雪本身所具有的低导热性和较大容积热容量等特点，延滞外部气候条件对冻土热状况的影响。反映冻土热状况的一个重要指标－冻土深度的变化与气温，太阳辐射的变化密切相关，因此，地理位置和地形在地一气系统之间的能量交换中，对冻土的状况也重要的影响作用。     

DLM-FvCB模型光合能力关键参数季节性参数化方案及模拟效果评估

选取包含9种植被功能型的15个通量塔观测数据（60站点年）,采用控制变量法,分别在月尺度和年尺度上对25℃时最大羧化速率（V_cmax25）进行优化,并利用未参与参数反演的站点年数据集定量评估这2种参数化方案的模拟效果。研究发现：① 在参数的季节变异方面：9种植被功能型的V_cmax25均呈现明显的季节性波动。V_cmax25的波动幅度为：冬季>秋季>春季>夏季,不同植被类型季节变化幅度相差不大,而寒带植被V_cmax25季节变化幅度接近温带植被的2倍;② 对生态系统初级生产力（GPP）估算的影响方面：V_cmax25季节性参数化方案显著提高了GPP的模拟能力和模拟精度,其中森林和灌木冬季提升最显著（R²提高了35.7%,RMSE降低了23.24%）,春秋季次之,夏季最小。然而,对于C₃草地,DLM无论采取V_cmax25季节性参数化方案还是年尺度参数化方案,均为系统低估GPP。     

砾石长期覆盖对土壤呼吸的影响

砾石覆盖是西北黄土高原地区的传统保护性耕作技术,具有明显的蓄水、保墒、增温、压碱和保持地力作用。研究砾石覆盖农田系统中的土壤呼吸,有助于了解地面覆盖条件对CO₂通量的影响和土壤健康状况。利用LI6400土壤呼吸系统对甘肃皋兰长期砾石覆盖农田(12年)不同覆盖厚度下的土壤呼吸进行了原位监测,并对环境因子与土壤呼吸的日变化相关性进行了分析。结果表明:(1)土壤呼吸的日变化与温度的变化一致,呈单峰型,砾石覆盖后土壤呼吸峰值出现在16:00—17:00,明显滞后于裸地出现的峰值时间(14:00—15:00),且峰值随着覆盖厚度的增加而减小;(2)土壤表层(0~10 cm)温度与土壤呼吸呈极显著幂函数关系(P<0.01),砾石覆盖降低了土壤呼吸的温度敏感性指数(Q₁₀),覆盖后两次监测中Q₁₀为1.78~2.87(2017年)和1.70~1.96(2018年);(3)砾石覆盖后提高了夜间土壤呼吸,导致土壤呼吸的日累积碳排放量显著提高,随着覆盖厚度的增加而降低,覆盖处理中厚度为11 cm最小的碳排放量两次测量分别为2.00 g·m^-2和0.90 g·m^-2,比裸地分别增加了15%和18%;(4)土壤特征因子中,土壤水分、pH与土壤呼吸累积碳排放量呈正相关,有机质、碱解氮、速效磷、电导率与土壤呼吸累积碳排放量呈负相关。