陆面过程模型CoLM与BATS1e的模拟精度比较——以东北玉米农田为例

利用2008年锦州玉米农田生态系统野外观测站资料对CoLM与BATS1e模型模拟能力进行定量评价。比较发现:两模型对净辐射和表层土壤温度的模拟精度都较高且差异不大,CoLM模型对感热、潜热、土壤热通量、次表层土壤温度模拟能力都不同程度高于BATS1e模型,模拟值对实测值解释能力分别偏高3%、22%、1%、10%,NS(Nash-sutcliffe效率系数)分别偏高1.042、0.266、0.023、0.138。从各月情况看,两模型在7月对感热、潜热模拟能力都较高,而在其它月份CoLM模型模拟精度明显高于BATS1e模型,土壤热通量和次表层土壤温度在5~8月前者模拟精度高于后者。由于CoLM模型对潜热更高精度的模拟可证明其对表层土壤湿度模拟精度高于BATS1e模型。     

三江平原季节性积水沼泽湿地能量平衡要素研究

2005年6月1日到8月30日,在中国科学院三江平原沼泽湿地生态试验站沼泽综合试验场季节性积水沼泽湿地,观测了净辐射和土壤热通量;利用Penman-Monteith公式和地表能量平衡方程式计算了潜热通量和感热通量;同时用SHAW模型对以上4个能量平衡要素进行了模拟研究,并用观测值以及模型效率、标准差和平均方差检验和评价了其模拟效果。结果表明,三江平原季节性积水沼泽湿地净辐射在6月末至7月初较大;潜热通量主要受净辐射的影响,与土壤水分关系不密切;沼泽湿地地表在6月初至8月中旬以吸收能量为主,8月末以后则开始释放能量;感热通量在植物生长季的初期和末期较大,在中期则比较小。SHAW模型能较好的模拟出沼泽湿地的净辐射、潜热通量和土壤热通量;该模型虽对感热通量的模拟结果并不理想,但能较好的模拟其变化趋势。这说明SHAW模型基本适用于对季节性浅积水沼泽湿地（水深小于10cm）能量平衡各要素的模拟。     

CoLM模型在高原多年冻土区的单点模拟适用性

使用CoLM模型,以青藏高原冰冻圈观测研究站设在唐古拉综合观测场的气象资料作为驱动资料,在青藏高原多年冻土区的唐古拉地区开展了单点模拟试验.通过和该站点同期实测资料对比发现:CoLM模型对高原多年冻土区的辐射通量各分量的模拟效果较好;对潜热通量的模拟误差较大,感热和地表热通量的模拟相对较好;模型能够很好地模拟活动层浅层土壤温度,但随着深度加深,模拟的温度较观测值有所低估.研究表明CoLM模型能较好地模拟多年冻土区地表与大气的能水交换过程,对其进行一些适应性改进后将能得到更好地应用.改进模型的土壤水热参数化过程尤其是添加未冻水参数化方案是将其应用到冻土区首先要解决的问题;再者扩展模型的模拟深度也十分必要.     

祁连山地区生态环境恶化对环境影响的数值模拟

利用中尺度模式MM5,依据祁连山地区复杂地形下生态环境恶化的事实,设计了一个控制试验和一个敏感性试验,数值模拟结果表明:MM5模式能够较好地模拟祁连山地区的降水;祁连山地区生态环境恶化对周围地区甚至较远地区的降水会产生较大的影响,区域平均降水减少约2％,对本地区的生态环境很不利;模拟区域感热通量增大,潜热通量减小,但是潜热通量变化的绝对值大于感热通量变化的绝对值,因此热通量是减小的;模拟区域气温和地面温度升高,同时土壤温度也升高。     

黑河流域中游灌区含水层系统异质性对地表热通量和温度的影响模拟

渗透系数是描述地下含水层系统空间异质性的重要参数,直接影响地下水位和浅层土壤水分分布,并最终间接影响地表辐射收支及地气间能量转换.基于三维物理过程的地下水—陆面过程耦合模型ParFlow-CLM,在黑河流域中游灌区开展数值模拟实验,分析4种渗透系数情景下地下水位埋深、地表热通量和温度的差异.结果表明,忽略水平方向异质性会降低地表热通量的模拟精度,同时设置水平和垂直方向异质性并考虑包气带—饱水带三维水力特征可提高地表温度的模拟精度;充分考虑土壤和含水层系统异质性能提高分层(尤其是0.2～0.5 m深度土层)土壤温度的模拟精度;土壤和含水层系统异质性对地表热通量和温度的控制作用受到下垫面、地形等环境因素的显著影响,尤其在裸地区域,地表感热通量和温度的模拟结果差异较大.研究结果可为干旱—半干旱地区高时空分辨率水文集成模型的构建提供科学依据.     

基于COUPMODEL模型的冻融土壤水热耦合模拟研究

利用COUPMODEL模型,对唐古拉研究区活动层土壤的水热特征进行模拟,与观测结果进行对比发现,在活动层土壤温度方面,COUPMODEL模型的模拟结果R2>0.94,其平均值为0.98,均方根误差较小,模拟效果较理想;在活动层水分特征方面,模拟结果存在一定偏差,R2介于0.88~0.93之间,平均值0.90,均方根误差平均值4.24,基本反映了高海拔多年冻土区活动层水热变化;在土壤热通量方面,0~20 cm土壤热通量的模拟结果与观测值基本一致;模型模拟的冻结深度在3 m左右,接近观测值,COUPMODEL模型可用于多年冻土区活动层土壤水热变化规律研究。     

CoLM模式对塔克拉玛干沙漠北缘陆面过程模拟评估及修正

采用2011年3月22日至7月26日肖塘陆气相互作用观测资料测试了不同陆面参数对公共陆面模式（CoLM）模拟效果的影响。地表参数包括地表反照率（α）、地表比辐射率（ε）、空气动力学和热力学粗糙度（z_0m、z_0h）、零置位移（d）、热传输附加阻尼（kB^-1）。结果表明：感热通量H和地表温度T_g对地表反照率、动力学粗糙度和地表比辐射率比较敏感,对零置位移不敏感。通过观测资料获得的这些参数及kB^-1参数化方案均被用来替换原CoLM模式中相应值及参数化方案。CoLM模式基本上能较好地模拟净辐射R_n、感热通量H、地表土壤热通量G₀和地表温度T_g日变化特征,只是在日峰值及其峰值出现时间的模拟上不理想;而CoLM模式对该地区土壤湿度M的模拟效果非常不好。误差统计值Bias、SEE、NSEE表明优化参数后的CoLM模式使得R_n的模拟误差被降低4.21%（SEE）,H的模拟误差被降低25.19%（Bias）,T_g的模拟误差被降低33.33%（Bias）、10.45%（SEE）和25%（NSEE）。     

黄土高原半干旱区陆面温度和能量的气候特征分析

利用黄土高原半干旱区“定西陆面过程综合观测试验站”2004年11月至2005年10月的各种陆面物理量综合资料,比较系统地研究了黄土高原半干旱区土壤温度、降水量、地表反照率、地表辐射分量和能量平衡分量的年变化和日变化特征及其影响机制。结果显示,黄土高原陆面过程特征与其他地区有很大不同。土壤温度变化向下传播速度约为2.5~3.5 h/10cm;地表反照率随土壤湿度的增大而减小,两者的相关系数达到了0.5338;而地表反照率随降雪量增大而增大,与降雪量的相关系数为0.6645;长波辐射年最大值出现的时间比总辐射迟1个月左右,年平均日变化中地表和大气对太阳辐射加热大约需要1个小时的响应时间; 潜热通量夏季是冬季的5倍多,感热通量有了两个比较明显的峰值,潜热通量、感热通量和土壤热通量的日峰值比净辐射滞后30 min~1 h。     

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。     

地表热通量对陕南强降水的影响

通过对2002年6月8～9日陕南大暴雨天气过程中地表感热和潜热通量的数值模拟表明:地表感热、潜热通量和温度的区域性分布与高原东部特殊的地形分布有关,地表热通量和温度的等值线与地形等高线大致平行,平原低洼地区和山脉所在地特征明显,从而可以说明地形热力状况在陕西强降水中发挥重要作用;地表潜热作用大于地表感热,去掉地表潜热的作用后,模式对降水的模拟结果与实况偏差较大;地表感热使山脊降水减少,使平原、山谷降水增加,这与夜间的山谷风环流密不可分。     

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。     

土地利用类型转换对地表能量平衡和气候的影响——基于SiB2模型的模拟结果

利用SiB2 模型对中国东北地区农田、草地和森林3 种土地利用类型的地表能量平衡过程展开研究,分析不同土地利用类型对生物地球物理参数（反照率和粗糙度）、能量平衡（净辐射、潜热和显热）和气候（冠层温度）的影响。结果表明：①模型模拟的地表能量平衡与实测数据的年变化动态相似（R²>0.42）,差值保持在±30 W/m²,温度在±4 ℃。②利用相同气象数据模拟不同土地利用类型通过生物地球物理过程对地表能量平衡和气候的影响,发现森林吸收的净辐射最高且主要用于潜热分配,农田的净辐射最低且主要用于显热分配,草地净辐射和能量分配居中。③生态系统获得的净辐射主要受反照率的影响,净辐射分配受叶面积指数的调节。④冠层温度（℃）受反照率和净辐射在潜热和显热间分配的相对重要性的影响：年平均值为森林（7.7）>农田（7.64）>草地（6.67）。⑤降水对模拟结果有显著影响,是森林模拟差异的主要原因。在不同土地利用类型中,降水增加土壤水分,净辐射更多分配到潜热,较少分配到显热,降低冠层温度。     

THE STUDY ON LATENT AND SENSIBLE HEAT FLUX OVER MIRE IN THE SANJIANG PLAIN

Energy exchange is one of the most importantprocesses in wetland ecosystems,because it has agreat influence on temperature,water transport,plantgrowth,productivityetc.(Dennison and Berry,1989).On small scales,understanding of surface en-ergy exchange is n…     

The influence of subtropical cold fronts on the surface energy balance of a semi-arid site

The passage of subtropical cold fronts through central Australia produces the only significant mesoscale meteorological features in the region. The interaction of these cold fronts with the surface energy balance strongly affects the local weather and climate. The surface energy balance was measured at a semi-arid site in Alice Springs, central Australia, to determine how it was influenced by the passage of subtropical cold fronts. Both Bowen ratio and eddy correlation methods were used. The daytime energy balance of the site showed high net radiation that was partitioned into 75% sensible heat flux and 25% soil heat flux with little or no latent heat flux. At night there was a large net radiative loss that was balanced primarily by a loss of heat from the soil. The cold fronts predominately passed through Alice Springs at night and showed a strong surface signature. The fronts brought moister air resulting in higher water vapour pressures during their passage. The nocturnal boundary layer was often disturbed as the front passed, resulting in warm, moist air being mixed down toward the land surface. Mixing decreased the soil heat flux and increased latent heat fluxes toward the surface. Moisture that accumulated at the surface at these times was often evaporated after a return to drier conditions. During the daytime, surface signatures in soil and sensible heat fluxes were less distinct due to the strong convective mixing. Latent heat fluxes followed a similar trend to the nocturnal case.     

金塔绿洲主要特征量的数值模拟

 采用RAMS模式模拟了金塔绿洲非均匀地表的空气温度、湿度、风速、地表能量。结果表明,绿洲地表温度明显比周围戈壁和沙漠低,空气湿度明显比周围戈壁和沙漠大,近地层感热通量最大值约为戈壁和沙漠的1/3,近底层潜热通量比戈壁和沙漠大20倍左右。模拟结果与观测值的对比表明,RAMS对绿洲、戈壁和沙漠不同下垫面近地面温度、湿度、感热通量和潜热通量的模拟与实测基本一致。由于湍流的随机性,风速的模拟偏差比较大,这种偏差有一多半是由于非线性偏差造成的。     

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。     

沙漠人工植被和流动沙丘的小气候特征观测研究

本文利用１９９２年８月在中国科学院沙坡头治沙试验研究站沙漠人工植被防护体系和流动沙丘下垫面近地面层的微气象观测资料，分析了其小气候特征，效应的物理机制及实际和理论意义。