黄河源区土壤湿度时空分布的模拟研究

利用1961-2010年普林斯顿大学每3 h一次、1°×1°的大气强迫场数据驱动公用陆面模式CLM4.0(Common Land Model,version4.0)对黄河源区土壤湿度的时空分布进行了模拟试验,合理优化了CLM 4.0中土壤有机质和土壤质地属性参数,将模拟结果与荷兰自由大学AM SR-E土壤湿度产品进行了对比分析,并利用玛曲土壤湿度观测站点的观测数据对模拟结果进行了验证。结果表明,CLM4.0模式能较好的模拟黄河源区土壤湿度的空间分布及变化趋势,在优化陆面有机质和土壤质地数据参数后,模拟的土壤湿度空间分布更合理,但CLM4.0模拟的土壤湿度比地面观测值和AMSR-E土壤湿度产品的土壤湿度偏低。     

CLM4.0模式对中国区域土壤湿度的数值模拟及评估研究

本文利用普林斯顿大学全球大气强迫场资料,驱动公用陆面过程模式（Community Land Model version 4.0,CLM4.0）模拟了中国区域1961～2010年土壤湿度的时空变化。将模拟结果与观测结果、美国国家环境预报中心再分析数据（National Centers for Environmental Prediction Reanalysis,NCEP）和高级微波扫描辐射计（Advanced Microwave Scanning Radiometer-EOS,AMSR-E）反演的土壤湿度进行了对比分析,结果表明CLM4.0模拟结果可以反映出中国区域观测土壤湿度的空间分布和时空变化特征,但东北、江淮和河套三个地区模拟值相对于观测值在各层次均系统性偏大。模拟与NCEP再分析土壤湿度的空间分布基本一致,与AMSR-E的反演值在35°N以北的分布也基本一致;从1961～2010年土壤湿度模拟结果分析得出,各层土壤湿度空间分布从西北向东南增加。低值区主要分布在新疆、青海、甘肃和内蒙古西部地区。东北平原、江淮地区和长江流域为高值区。土壤湿度数值总体上从浅层向深层增加。不同深度土壤湿度变化趋势基本相同。除新疆西部和东北部分地区外,土壤湿度在35°N以北以减少趋势为主,30°N以南的长江流域、华南及西南地区以增加为主。在全球气候变暖的背景下,CLM4.0模拟的夏季土壤湿度在不同程度上响应了降水的变化。中国典型干旱区和半干旱区土壤湿度减小,湿润区增加。其中湿润区土壤湿度对降水的响应最为显著,其次是半干旱区和干旱区。     

内蒙古地区下垫面变化对土壤湿度数值模拟的影响

利用第二次全国土壤调查土壤质地数据（SNSS）和中国区域陆地覆盖资料（CLCV）将陆面过程模式CLM3.5（Community Land Model version 3.5）中基于联合国粮食农业组织发展的土壤质地数据（FAO）和MODIS卫星反演的陆地覆盖数据（MODIS）进行了替换,使用中国气象局陆面数据同化系统（CMA Land Data Assimilation System,CLDAS）大气强迫场资料,分别驱动基于同时改进土壤质地和陆地覆盖数据的CLM3.5（CLM-new）、基于只改进陆地覆盖数据的CLM3.5（CLM-clcv）、基于只改进土壤质地数据的CLM3.5（CLM-snss）和基于原始下垫面数据的CLM3.5（CLM-ctl）,对内蒙古地区2011～2013年土壤湿度的时空变化进行模拟试验,研究下垫面改进对CLM3.5模拟土壤湿度的影响。将四组模拟结果与46个土壤水分站点观测数据进行对比分析,结果表明:相对于控制试验,CLM-clcv、CLM-snss和CLM-new都能不同程度地改进土壤湿度模拟,其中CLM-clcv主要在呼伦贝尔改进明显,CLM-snss则在除呼伦贝尔以外的大部地区改进显著,CLM-ctl模拟的土壤湿度在各层上均系统性偏大,而CLM-new模拟土壤湿度最好地反映出内蒙古地区观测的土壤湿度的时空变化特征,显著改善了土壤湿度的模拟,体现在与观测值有着更高的相关系数和更小的平均偏差与均方根误差。     

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。     

三个陆面过程模式在西北半干旱区的模拟性能对比

利用NOAH(The Community Noah Land Surface Model)、SHAW(Simultaneous Heat and Water)和CLM(Community Land Model)3个不同的陆面过程模式及兰州大学(Semi-Arid Climate Observatory and Laboratory,SACOL)2007年的观测资料,对黄土高原半干旱区的陆面过程进行了模拟研究。通过与观测值间的对比,考察不同陆面过程模式在半干旱区的适用性。研究结果表明:3个模式在半干旱区的模拟性能有较大差异。其中,CLM模式模拟的20 cm以上的浅层土壤温度最优,SHAW模式模拟的深层土壤温度最优;SHAW模式模拟的土壤含水量与观测值最为接近,而NOAH和CLM模式模拟值有较大偏差;3个模式均能较好地模拟地表反射辐射,其中SHAW模式模拟值与观测值的偏差最小;对地表长波辐射的模拟,CLM模式的模拟最优;3个模式均能较好地反映感热、潜热通量的变化趋势,其中CLM模式对感热的模拟性能优于其他两个模式,在有降水发生后的湿润条件下,CLM模式对潜热的模拟性能最优,而无降水的干燥条件下,CLM模式的模拟偏差最大,NOAH模式对冬季潜热的模拟最优。总体而言,CLM模式能够更好地再现半干旱区地气之间的相互作用,但模式对土壤含水量及干燥条件下的潜热通量的模拟较差,模式对半干旱区陆气间的水文过程还有待进一步的研究和改进。     

2001～2010年中国区域土地利用/覆盖变化对陆面过程影响的模拟研究

基于2001年和2010年中分辨率成像光谱仪MODIS（MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer）土地覆盖数据,利用公共陆面模式（Community Land Model, CLM）模拟真实的土地利用/覆盖变化（Land Use/Cover Change, LUCC）对地表能量平衡和水分循环过程的影响。研究表明:1）在2001～2010年,中国LUCC最明显的区域位于干旱半干旱区过渡带、半干旱半湿润区过渡带和南方地区;中国区域荒漠减少0.92%,草地减少0.01%,农田增加0.77%,森林增加2.86%,植被覆盖度整体增加。2）在2001年和2010年两种土地利用/覆盖背景下,LUCC使大部分地区感热通量增加,植被蒸腾、蒸发潜热通量增加,土壤表面蒸发潜热通量减小。3）LUCC使大部分地区地表径流减小;中国西北东部、华北和东北地区土壤湿度减小,其他地区土壤湿度增加,仅干旱半干旱过渡带上的土壤湿度发生了显著变化。4）当典型过渡带区域由荒漠变为草地后,感热通量增加1.11 W m?2,潜热通量增加0.14 W m?2;冠层蒸腾和蒸发分别增加0.039 mm d?1、0.009 mm d?1。土壤湿度平均减小0.01 m3 m?3,且随深度增加变干更明显,这是由于根系吸收了较多深层土壤水分,以满足植被显著增加的蒸腾而产生的结果。当草地变为灌木时,其能量通量和水分循环的变化与上述结果类似。     

不同初始场及陆面方案对青藏高原中东部积雪消融过程的模拟研究

基于WRF(Weather Research and Forecasting)模式,本研究使用更为准确的气象站点及卫星遥感积雪资料替换初始场中积雪深度、雪水当量等积雪数据,对2014年2月17-27日青藏高原中东部一次积雪消融过程进行模拟研究,评估WRF模式中CLM(Community Land Model)、Noah-LSM(Noah land surface model)和Noah-MP(Noah-Multiparameterization Land Surface Model)3种陆面过程方案对该次积雪消融过程的模拟性能。结果表明：3种陆面过程方案均能较好地再现2 m气温、积雪深度和反照率的日变化趋势,但各试验模拟效果有一定差异。气象站点及卫星遥感积雪资料作为初始场时,CLM陆面过程方案模拟的2 m气温平均误差最小,为0.002℃;Noah-LSM陆面过程方案中2 m气温均方根误差（4.01℃）和平均绝对误差（3.30℃）最小,但昼夜温差较观测显著偏小;同时CLM陆面过程方案模拟的积雪深度均方根误差、平均误差和平均绝对误差均最小,分别为4.70 cm、-1.25 cm和2.75 ...     

中国干湿区变化与预估

本文采用干湿指数对1962~2011年中国干湿区范围变化进行了集中分析,并利用CMIP5（Coupled Model Intercomparison Project Phase 5）模式对其变化趋势开展了预估研究。结果表明,1962~2011年平均极端干旱区、干旱区、半干旱区、半湿润区和湿润区分别占中国陆地总面积的2.8%、11.7%、22.4%、32.6%和30.5%。期间,中国区域年干湿指数总体上呈现下降趋势,空间上表现为西部湿润化和东部干旱化的特征。显著缩小的是湿润区和极端干旱区,半湿润区、半干旱区和干旱区则显著扩大,这表明中国气候敏感区域在扩张。春季和秋季干湿指数变化趋势的空间分布与年平均的较为一致,冬季西北呈干旱化,夏季东南部地区为湿润化。相对于参考时段1986~2005年,在RCP4.5（Representative Concentration Pathway 4.5）情景下18个气候模式中位数的预估结果中,降水仅在东南南部减少,而潜在蒸散发在全区域增加,由于潜在蒸散发的增量超过了降水的增幅,中国区域将整体趋于干旱化,仅在西北地区呈湿润化特征;未来湿润区、干旱区和极端干旱区缩小,气候敏感性高的半湿润区和半干旱区仍将扩大。     

中国不同干湿区蒸发皿蒸发和实际蒸发之间关系的研究

利用降水量将中国划分为干旱、半干旱、湿润和半湿润4个区域,开展不同区域中蒸发皿蒸发和多个模式模拟的实际蒸发的集成结果对比研究,探讨和分析在不同干湿背景下蒸发皿蒸发和利用观测的气象数据驱动的陆面过程模型模拟的实际蒸发之间的关系,并对导致这种关系的原因进行了分析,表明结果:(1)实际蒸发在中国整体上表现为下降趋势,这与湿润和半湿润区的变化趋势一致,而在干旱和半干旱区,实际蒸发表现为上升的变化趋势;(2)对比不同干湿区域的结果发现,在干旱和半干旱区,蒸发皿蒸发和实际蒸发表现为相反的变化趋势,在半湿润和湿润区,蒸发皿蒸发和实际蒸发表现为相同的变化趋势,在中国整体上蒸发皿蒸发和实际蒸发在总体上也具有一致的变化趋势;(3)单站分析的结果表明,中国东南大部分站点蒸发皿蒸发和实际蒸发表现为相同的变化趋势,而在西北地区大部分站点两者之间是相反的关系,这与区域平均的结果是一致的;(4)蒸发皿蒸发和实际蒸发之间在各个地区存在不同的关系主要是由于不同的干湿背景下实际蒸发变化的主要制约因子不同造成的。     

陆面模式中土壤和植被经验参数随机误差的传播研究

数据质量问题和模式参数化方案的非完备性是陆面模拟中不确定性的主要来源。本文将高斯误差传播原理 (Gaussian Error Propagation, GEP) 应用于通用陆面模式 (the Common Land Model, CoLM), 研究关键的植被和土壤属性参数随机误差在模式中的传播, 确定由此类误差导致的CoLM模拟的不确定性。结果表明: (1) 基于本研究给定的土壤和植被参数的不确定性, CoLM模拟的表层土壤温度、 土壤湿度和植被蒸散通量 (植冠蒸腾+地表蒸发) 的相对误差分别为0.11%、 34.07%和5.58%; 砂土和稀疏森林上模拟效果最差。土壤参数随机误差对CoLM模拟的影响高于植被参数, 而土壤水文参数 (孔隙率、 饱和基质势、 气孔尺寸分布指数和饱和导水率) 对各模拟量不确定性的贡献率均远大于热力参数 (饱和反照率和热容)。对于本研究涉及的所有模拟变量而言, 最关键的参数均是气孔尺寸分布指数b, 这可能与描述基质势与体积水含量关系的函数有关, 其次重要的是砂土的孔隙度和粘土的饱和导水率。混交森林上的根深分布和苔原上的动力学粗糙度对蒸散通量贡献显著。本身相对误差大的经验参数对CoLM模拟不确定性的贡献不一定多。 (2) 干燥条件下 (表层液态水饱和度小于0.1) 土壤温度的不确定性大; 相变发生时刻附近 (表层土壤温度在0℃附近且表层液态水含量大于0) 土壤湿度不确定性显著; 蒸散通量的不确定性随本身绝对值的增大而增大, 在相对温暖干燥环境中 (表层土壤温度高于280 K且表层液态水饱和度小于0.3) 其不确定性最高。研究证实, GEP能够辨识CoLM中需优先提高观测精度的关键参数和关键参数化过程, 对陆面模拟的参数选定、 不确定性评估和模式完善具有重要意义。     

陆面过程模型CoLM与区域气候模式RegCM3的耦合及初步评估

陆面过程通过影响陆面和大气之间物质（如,水分）和能量的交换影响气候, 其参数化方案对数值天气预报、全球及区域气候模拟有重要影响。本研究利用对生物物理、生物化学过程考虑更全面的陆面模式Common Land Model(CoLM) 替代区域气候模式RegCM3原有的陆面模式BATS, 发展了耦合区域气候模式C－RegCM3; 将其应用于东亚地区典型洪涝年份夏季气候模拟以进行评估, 结果表明新耦合的模式C－RegCM3能合理模拟大尺度环流场、近地表气温和降水的分布特征, 对西北半干旱地区降水模拟比RegCM3有所改进。通过利用区域气候模式C－RegCM3及RegCM3对地表能量和水文过程模拟结果的比较, 发现在半干旱、半湿润过渡区C－RegCM3模拟的潜热增大、感热减小; 模拟的地表吸收太阳辐射差异较明显的地区位于模式模拟的主要雨区; C-RegCM3在上述过渡区模拟的夏季地表土壤湿度比RegCM3偏干, 这与它在过渡区降水模拟偏少、蒸散发模拟偏大相对应, 体现了该模式在半干旱、半湿润过渡带模拟出比RegCM3更明显的局地土壤湿度－降水－蒸散发之间的正反馈作用。     

近46年青藏高原干湿气候区动态变化研究

利用青藏高原62个气象站1961～2006年逐日气象资料, 用世界粮农组织 (FAO) 在1998年推荐的、并唯一承认的Penman-Menteith模式计算潜在蒸散量; 比较了降水量、积温降水比、气温降水比、蒸散降水比和降水蒸散比5种湿润度指标在青藏高原的适用性, 用常规统计方法和墨西哥帽小波变换分析青藏高原各气候区干湿状况及其界线的动态变化。结果表明: 5种指标中, 用降水蒸散比得到的青藏高原湿润、半湿润、半干旱、干旱和极端干旱气候区的分区结果比较合理; 近46年来青藏高原大部分地区湿润度和每个气候区的平均湿润度均呈增加趋势, 半干旱和半湿润气候区的界线呈向西北推进趋势, 气候在向暖湿方向发展。     

Reduced soil moisture contributes to more intense and more frequent heat waves in northern China

Heat waves have attracted increasing attention in recent years due to their frequent occurrence. The present study investigates the heat wave intensity and duration in China using daily maximum temperature from 753 weather stations from 1960 to 2010. In addition, its relationships with soil moisture local forcing on the ten-day period and monthly scales in spring and summer are analyzed using soil moisture data from weather stations and ERA40 reanalysis data. And finally, a mechanistic analysis is carried out using CAM5.1 (Community Atmosphere Model, version 5.1) coupled with CLM2 (Community Land Model, version 2). It is found that the heat wave frequency and duration show a sandwich distribution across China, with high occurrence rates in Southeast China and Northwest China, where the maximum frequency and duration exceeded 2.1 times and 9 days per year, respectively. The increasing trends in both duration and intensity occurred to the north of 35°N. The relationships between heat wave frequency in northern China in July (having peak distribution) and soil moisture in the earlier stage (from March to June) and corresponding period (July) are further analyzed, revealing a strong negative correlation in March, June and July, and thus showing that soil moisture in spring and early summer could be an important contributor to heat waves in July via positive subtropical high anomalies. However, the time scales of influence were relatively short in the semi-humid and humid regions, and longer in the arid region. The contribution in the corresponding period took place via positive subtropical high anomalies and positive surface skin temperature and sensible heat flux anomalies.     

RCP4.5情景下中国未来干湿变化预估

本文采用国际耦合模式比较计划第五阶段(CMIP5)中21个气候模式的试验数据, 利用土壤湿度以及由其他8个地表气象要素计算所得的干旱指数, 预估了RCP4.5(Representative Concentration Pathway 4.5)情景下21世纪中国干湿变化。结果表明:全球气候模式对1986～2005年中国现代干湿分布具备模拟能力, 尽管在西部地区模式与观测间存在一定的差异。在RCP4.5情景下, 21世纪中国区域平均的标准化降水蒸散发指数和土壤湿度均有减小趋势, 与之对应的是短期和长期干旱发生次数增加以及湿润区面积减小。从2016到2100年, 约1.5%～3.5%的陆地面积将从湿润区变成半干旱或半湿润区。空间分布上, 干旱化趋势明显的区域主要位于西北和东南地区, 同时短期和长期干旱发生次数在这两个地区的增加幅度也最大, 未来干旱化的发生时间也较其他地区要早;只在东北和西南地区未来或有变湿倾向, 但幅度较小。在季节尺度上, 北方地区变干主要发生在暖季, 南方则主要以冷季变干为主。造成中国干旱化的原因主要是由降水与蒸散发所表征的地表可用水量减少。     

根系吸水过程参数化方案对青藏高原陆面过程模拟的影响研究

根系吸水过程对地表能量平衡和水循环起着重要作用，目前不同的根系吸水过程参数化方案对青藏高原陆面过程模拟的影响尚不明确，探讨相关参数化方案的影响，可以为今后建立陆面过程模式根系参数化方案提供参考。本文利用2010年6月1日至9月30日青藏高原玛曲站的观测资料作为大气强迫资料，驱动BCC_AVIM模式（北京气候中心陆面模式）引入不同的根系吸水过程参数化方案，对玛曲站2010年6月1日至9月30日时段感热通量、潜热通量、土壤温度、土壤含水量等要素进行数值模拟，分析根系吸水过程参数化方案对青藏高原地区陆面过程的影响。模式中有关根系吸水过程的参数化方案主要分为根分布模型和土壤水分对根系有效性函数两类，根分布模型用Jackson方案、Schenk方案替换，土壤水分对根系有效性函数用Li方案、LSM1.0方案、CLM4.5方案替换。对比结果表明:不同的根系吸水过程参数化方案对土壤温度、土壤含水量的模拟影响较小，对感热通量、潜热通量模拟影响较大，尤其对冠层蒸腾量模拟差异显著，相关参数化方案的变动直接影响冠层蒸腾量。两类方案模拟的差异受降水的影响，在多雨期，根分布对比方案与原模式方案模拟的感热、潜热通量间存在较大差异；在少雨期，土壤水分对根系有效性函数对比方案与原模式方案模拟的感热、潜热通量间存在较大差异。     

区域气候模式RegCM砾石参数化方案在青藏高原不同区域土壤水分输送的模拟分析

在耦合CLM4.5的区域气候模式RegCM4.7中分别应用原始土壤水热参数化方案与改进后的砾石参数化方案在青藏高原西部、中部与东南部区域进行模拟,并根据砾石分布特征在每个区域选取单点分析了两种方案模拟结果存在差异的原因.在此基础上利用中国陆面融合再分析数据(CRA-40)检验了砾石参数化方案在高原不同区域对于土壤含水量...     

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 II.不同参数化方案对模拟结果的影响

本研究针对CoLM、CLM3.0模拟结果的差异,就二者采用的不同参数化方案进行了比较分析,认为导致模式模拟结果差异的主要原因在于二者对植被覆盖度、冠层水、热、辐射传输以及光合作用和气孔导度等物理过程的处理有所不同,而CoLM模式对这些过程的处理更吻合实际.将CoLM的相关方案移植到CLM3.0进行的一系列数值试验表明,新方案的引入能够明显改善CLM3.0的模拟效果.此外,两个模式还存在一些共性的问题,例如不同的优化与叶面和冠层空气潜热传导率以及与土壤水文等过程有关的参数化方案,可能是导致模式结果在某些情况下存在偏差的主要原因.