陆面模式CLSM的设计及性能检验II.模式检验

利用BOREAS,HEIFE,ARME,GAME-TIPEX等大量的陆面外场观测资料,针对不同类型的陆面过程,对所发展的陆面模式CLSM的性能进行检验.模拟结果与观测资料的对比分析表明:一方面,CLSM能够对积雪变化、干旱/半干旱地区的水热交换等特殊的陆面过程进行合理的描述;另一方面,CLSM对热带雨林地区的植被-大气相互作用、高原地气交换过程同样具有很强的模拟能力.CLSM解决了陆面模式对上述特殊下垫面描述能力有限的实际问题,保证了对特殊下垫面进行合理描述的同时,又保证了对其他不同陆面状况的模拟能力.CLSM改善了陆面模式对全球范围内不同下垫面条件下的陆面过程及地-气交换过程的模拟能力.     

陆面过程模式CoLM和NCAR_CLM3.0对中国典型森林生态系统陆气相互作用的模拟 I. 不同模式模拟结果的初步分析

CoLM(Common Land Model)和NCAR_CLM3.0(NCAR Community Lanol Model 3.0)是目前国际上广为应用的两个发展比较完善的陆面过程模式.本研究利用中国陆地生态系统通量观测研究网络(Chi-naFLUX)在长白山温带混交林和千烟洲亚热带人工针叶林观测站点的长期连续强化观测资料,对这两个模式在上述地区的模拟性能进行了初步评估.同观测资料的对比表明,两个模式均能较好地模拟出观测站点地表能量和水分平衡的基本特征,其中,CoLM对潜热通量的模拟性能更好.以对潜热通量为期1年的日均值的模拟为例,COLM和CLM3.0在长白山观测站模拟值和观测值时间序列的相关系数分别为0.80和0.65,在千烟洲站分别为0.69和0.64,均通过了0.01的信度检验;两个模式对全年平均的模拟与观测日平均值的比值在长白山分别为1.21和0.86,在千烟洲分别为0.83和0.60.研究结果表明,这两个陆面过程模式可以作为研究这两种典型森林生态系统陆气交换的基本工具.同时,对模式模拟性能差异的深入分析将有助于进一步改进陆面模式的参数化过程,为相关研究奠定更坚实的基础.     

SHAW模式的改进及其在黄土高原半干旱区的模拟研究

陆面过程模拟研究中的一个关键问题是如何准确的计算陆气间能量交换,但现有的陆面过程模式模拟的湍流通量与观测值间仍然存在较大偏差,因此改进湍流通量的参数化方案对于提高陆面过程模式模拟能力有重要意义。本研究通过改进陆面过程模式SHAW中的热力粗糙度方案,以及引入干表层蒸发方案,以期改善湍流通量的模拟能力。在此基础上利用黄土高原半干旱区SACOL站观测资料,进行模式改进前后的单点模拟对比试验,研究其参数化方案改进对陆面过程模拟的影响。结果表明:改进后的SHAW模式能够合理地模拟黄土高原半干旱区陆面特征的变化趋势,模拟值与观测值偏差较小。与原来的SHAW模式模拟结果相比,改进后的SHAW_MOD模式显著提高了湍流通量的模拟能力,并改善了净辐射和深层土壤温度的模拟,但对土壤湿度的改进并不明显,这可能与土壤内部水热传输过程及相关参数化方案有关,还有待做进一步研究。     

陆面过程模式CLM4.5在半干旱区退化草原站的模拟性能评估

利用国际协同强化观测期(CEOP)在中国半干旱区退化草地站——通榆站的观测资料,对一个较为完善的陆面过程模式NCAR_CLM4.5(Community Land Model 4.5)的模拟性能进行检验。模拟结果与观测资料的对比表明,CLM4.5能很好地模拟出观测站点的辐射通量、水热交换、土壤温湿的空间分布和时间变化特征。但地表吸收的辐射模拟值略低,土壤湿度偏低,地表吸收的辐射及土壤温度等日变化略大;大气强迫变量处于某些特定的形势下时,模拟存在较大误差,如8月底的模拟。此外,冬季辐射通量、水热交换以及土壤温湿的模拟均存在较大误差,说明CLM4.5模式在冬季地表物理过程的参数化方案上需要进一步改进。     

陆面模式CLSM的设计及性能检验Ⅰ.模式设计

在现有陆面模式的基础上,详细考虑了地气系统中的积雪、土壤水热传输、植被及湍流边界层中的各种物理过程,发展了一个既能反映积雪变化、干旱/半干旱区地气交换过程,同时又能描述不同陆面状况物理过程的陆面模式(Comprehensive Land Surface Model,简称CLSM),改善了陆面模式对全球范围内不同下垫面条件下的陆面过程及地-气交换过程的模拟能力.     

粒子群算法在陆面过程模式参数优化中的应用研究

陆面过程模式中输入参数的不确定性会引起模式模拟偏差。为了改善模式的模拟能力,减小参数的不确定性,通常要进行参数优化过程。利用温江站观测的近地层资料,结合粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO),优化了陆面过程模式SHAW(Simultaneous Heat and Water)中难以直接观测的土壤和植被参数。在此基础上,分别利用优化后的参数和默认参数运行SHAW模式,模拟该地区陆面过程特征,并与观测值进行对比,研究优化参数后对陆面过程模拟的影响。结果表明:利用PSO算法优化SHAW模式后,能提高土壤湿度和潜热通量的模拟性能,模拟的土壤湿度和潜热通量与相应的观测值偏差减小。但与此同时,并没有改进净辐射、土壤温度和感热通量的模拟性能。说明PSO算法可以用于陆面模式参数优化,但仅仅通过参数优化并不能同时提高所有变量的模拟性能。     

CoLM模式在中国温带混交林和亚热带人工针叶林的水热通量模拟性能评估

利用中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)在长白山温带混交林观测站点和千烟洲亚热带人工针叶林观测站点的强化观测资料,考察了一个较为完善的陆面过程模式(Common LandModel,CoLM)在这两种不同植被类型下垫面的模拟性能,特别是其对潜热通量的模拟。模拟结果与强化观测资料的对比表明,CoLM能较好地模拟出实验站点地表能量平衡的基本特征以及潜热通量的日变化和季节变化。其中长白山站和千烟洲站潜热通量日平均的观测值与模拟值的相关系数分别为0.804和0.692,均通过了0.001的显著性水平检验。总体而言,CoLM在长白山站的模拟效果更好一些,模式对不同植被覆盖类型的土壤—植被—大气间水热传输过程的处理可能是造成差别的原因。     

陆面过程模式CoLM和NCAR_CLM3.0对中国典型森林生态系统陆气相互作用的模拟Ⅰ.不同模式模拟结果的初步分析

量为期1年的日均值的模拟为例,COLM和CLM3.0在长白山观测站模拟值和观测值时间序列的相关系数分别为0.80和0.65,在千烟洲站分别为0.69和0.64,均通过了0.01的信度检验;两个模式对全年平均的模拟与观测日平均值的比值在长白山分别为1.21和0.86,在千烟洲分别为0.83和0.60.研究结果表明,这两个陆面过程模式可以作为研究这两种典型森林生态系统陆气交换的基本工具.同时,对模式模拟性能差异的深入分析将有助于进一步改进陆面模式的参数化过程,为相关研究奠定更坚实的基础.     

陆面过程中冠层四流辐射传输模式的模拟性能检验

利用实际观测资料检验新发展的植被冠层四流辐射传输模式的模拟性能.将浙江大学田间观测数据用于模式试验,其结果表明:在可见光波段,因叶片散射率值较小,四流模式和二流模式模拟结果差别不大,模拟的冠层反照率都接近观测值.这表明在可见光波段,二流模式已经能够较好模拟芯层反照率,四流模式能够提高的精度范围有限;在近红外波段,因叶片散射率值较大,两个模式模拟结果差别较明显,四流模式模拟的冠层反照率相对二流模式的模拟结果更接近观测值.利用第2次雪模式比较计划SNOWMIP资料和改进的10层陆面模式BATS进行耦合试验,将四流模式以及二流模式均耦合到该陆面模式中,其目的是为考察四流模式对陆面模式模拟地表反射太刚短波辐射通量的影响.耦合后得到的结果与SNOWMIP中加拿大BERMS草地站和森林站的观测资料进行了对比.对比结果表明,采用网流模式、二流模式、BATS原辐射传输模式后,耦合四流模式的陆面模式模拟地表反射太阳短波辐射通量最接近观测值.说明采用四流模式能够改善陆面模式对地表反射太阳短波辐射通啦的模拟.     

三个陆面模式对新疆地区陆面过程模拟的对比研究

利用实测的大气观测数据建立陆面模式驱动场, 分别驱动Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme（BATS）, Land Surface Model（LSM）, Common Land Model（CoLM）三个陆面模式, 对新疆地区99个测站的陆面热力过程进行了off-line模拟研究, 对比分析了三个模式模拟结果的异同, 并利用观测的土壤温度检验了各个模式的模拟性能。结果表明： 三个模式对所吸收的太阳辐射、 地表感热通量、 地表潜热通量和Bowen比的模拟结果有明显差别, 其中CoLM模拟的太阳辐射、 感热通量和土壤温度比BATS和LSM大。用观测的土壤温度对三个模式模拟性能的检验表明 BATS模拟的土壤温度最接近观测值, 大约偏低1℃, 而LSM和CoLM的模拟结果偏高, CoLM模拟的年际变化趋势与观测值相关性达到0.877, 高于另外两个模式的模拟; BATS在天山以北模拟值偏低, CoLM在天山以南模拟结果偏高, LSM模拟的区域分布状况与实际观测最一致。这些结果为研究陆面模式在新疆地区的应用提供了一些参考, 对于深入了解新疆地区的陆面过程具有重要意义。     

An Updated Coupled Model for Land-Atmosphere Interaction. Part I： Simulations of Physical Processes

A new two-way land-atmosphere interaction model （R42_AVIM） is fulfilled by coupling the spectral atmospheric model （SAMIL_R42L9） developed at the State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences （LASG/IAP/CAS） with the land surface model, Atmosphere-Vegetation-Interaction-Model （AVIM）. In this coupled model, physical and biological components of AVIM are both included. Climate base state and land surface physical fluxes simulated by R42_AVIM are analyzed and compared with the results of R42_SSIB [which is coupled by SAMIL_R42L9 and Simplified Simple Biosphere （SSIB） models]. The results show the performance of the new model is closer to the observations. It can basically guarantee that the land surface energy budget is balanced, and can simulate June-July-August （JJA） and December-January- February （DJF） land surface air temperature, sensible heat flux, latent heat flux, precipitation, sea level pressure and other variables reasonably well. Compared with R42_SSIB, there are obvious improvements in the JJA simulations of surface air temperature and surface fluxes. Thus, this land-atmosphere coupled model will offer a good experiment platform for land-atmosphere interaction research.     

Effect of land model ensemble versus coupled model ensemble on the simulation of precipitation climatology and variability

Through a series of model simulations with an atmospheric general circulation model coupled to three different land surface models, this study investigates the impacts of land model ensembles and coupled model ensemble on precipitation simulation. It is found that coupling an ensemble of land models to an atmospheric model has a very minor impact on the improvement of precipitation climatology and variability, but a simple ensemble average of the precipitation from three individually coupled land-atmosphere models produces better results, especially for precipitation variability. The generally weak impact of land processes on precipitation should be the main reason that the land model ensembles do not improve precipitation simulation. However, if there are big biases in the land surface model or land surface data set, correcting them could improve the simulated climate, especially for well-constrained regional climate simulations.     

一个区域地气耦合柱状模式的发展及其对半干旱区的模拟

在现有的区域气候模式的基础上构建了用于研究地气耦合模拟的区域柱状模式,其中包括了详细的物理过程,可以作为研究半干旱区地气相互作用过程的工具。通过区域柱状模式与不同陆面模式的耦合,检验了不同陆面模式在非耦合和耦合两种情况下对半干旱区的模拟性能。结果表明,陆面模式在耦合后对感热的模拟偏差放大,而潜热的模拟效果得到了改进,不同的陆面模式对区域柱状模式的模拟性能影响较大,耦合了CoLM后的区域柱状模式对地表气象要素的模拟得到了较大的改进。     

陆面水文过程研究进展

本文回顾了近年来中国科学院大气物理研究所在陆面水文过程的观测、模式发展以及陆气相互作用研究等方面所取得的重要研究成果。首先概述了近年来在中国区域所开展的陆气相互作用野外观测试验,通过资料分析揭示了国际上现有陆面模式对干旱／半干旱地区陆气相互作用模拟的偏差,指出典型干旱／半干旱区陆面过程参数修正的必要性;随后重点描述了陆面过程模式中积雪覆盖度和冻土参数化方案的发展,中国区域土壤湿度的时空分布特征及其对区域气候的影响,以及中国区域大尺度水文模式的研制和应用等;最后给出了陆面水文过程研究的趋势和发展方向的展望。     

An Updated Coupled Model for Land-Atmosphere Interaction. Part Ⅰ: Simulations of Physical Processes

A new two-way land-atmosphere interaction model (R42_AVIM) is fulfilled by coupling the spectral at- mospheric model (SAMIL_R42L9) developed at the State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmo- spheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sci- ences (LASG/IAP/CAS) with the land surface model, Atmosphere-Vegetation-Interaction-Model (AVIM). In this coupled model, physical and biological components of AVIM are both included. Climate base state and land surface physical fluxes simulated by R42_AVIM are analyzed and compared with the results of R42_SSIB [which is coupled by SAMIL_R42L9 and Simplified Simple Biosphere (SSIB) models]. The results show the performance of the new model is closer to the observations. It can basically guarantee that the land surface energy budget is balanced, and can simulate June-July-August (JJA) and December-January- February (DJF) land surface air temperature, sensible heat flux, latent heat flux, precipitation, sea level pressure and other variables reasonably well. Compared with R42_SSIB, there are obvious improvements in the JJA simulations of surface air temperature and surface fluxes. Thus, this land-atmosphere coupled model will offer a good experiment platform for land-atmosphere interaction research.     

复杂条件陆-气相互作用研究领域有关科学问题探讨

实际大气都是在复杂条件之下,所以复杂条件带来的问题已成为陆-气相互作用研究领域面临的最大科学挑战,严重制约了该领域研究成果在解决实际天气气候问题中的应用。在概要总结近年来中国复杂条件陆-气作用研究领域进展的基础上,对复杂条件下陆-气相互作用有关的科学问题进行了探讨。从陆面过程和大气边界层这两个陆-气相互作用的关键环节分析了影响陆-气相互作用复杂条件的机制,归纳了复杂条件下陆-气相互作用研究领域面临的关键科学问题。同时,以复杂下垫面陆面过程和非均匀大气边界层问题为重点讨论了突破复杂条件陆-气相互作用关键科学问题的基本思路,并对进一步开展复杂条件陆-气相互作用研究提出了初步的科学建议。      

An Updated Coupled Model for Land-Atmosphere Interaction. Part II： Simulations of Biological Processes

In Part I, the authors succeeded in coupling the spectral atmospheric model （SAMIL_R42L9） developed at the State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences （LASG/IAP/CAS） with the land surface model, Atmosphere-Vegetation-Interaction-Model （AVIM） and analyzed the climate basic state and land surface physical fluxes simulated by R42_AVIM. In this Part Ⅱ, we further evaluate the simulated results of the biological processes, including leaf area index （LAI）, biomass and net primary productivity （NPP） etc. Results indicate that R42_AVIM can simulate the global distribution of LAI and has good consistency with the monthly mean LAI provided by Max Planck Institute for Meteorology. The simulated biomass corresponds reasonably to the vegetation classifications. In addition, the simulated annual mean NPP has a consistent distribution with the data provided by IGBP and MODIS, and compares well with the work in literature. This land-atmosphere coupled model will offer a new experiment tool for the research on the two-way interaction between climate and biosphere, and the global terrestrial ecosystem carbon cycle.