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.     

青藏高原单点地气交换过程的模拟试验

利用GAME-Tibet 1998 IOPs的外场观测资料,采用单点陆面过程气柱模式CLSM对青藏高原的昌都(Amdo)站和改则(Gaize)站的地气交换过程进行了模拟试验,模拟结果与观测分析的对比表明：模式对两个站陆面特征的变化和陆气之间的交换给出了比较合理的模拟结果,模拟结果与观测结果较一致。这在一定程度上表明,CLSM模式具有描述夏季高原地区两种不同下垫面陆面状况基本过程的能力。     

NIM陆面过程模式的研究Ⅱ：青藏高原夏季陆面过程的数值模拟

采用南京气象学院（NIM）5层陆面过程模式，利用1979年5－8月“青藏高原气象科学实验”资料模拟和分析了夏季青藏高原不同地区的陆面特征和地表能量特征。并将模拟值与根据观测资料计算得到的感热和潜热以及观测得到的净辐射、土壤温度、土壤热通量进行了对比。结果表明，NIM5层陆面过程模式可以模拟青藏高原夏季不同下垫面情形下的能量交换过程。     

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。     

LASG/IAP 大气环流谱模式对陆面过程的敏感性试验

将中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室最近发展的高分辨率全球大气环流谱模式SAMIL-R42L26, 分别与两个陆面模式--NCAR通用陆面模式CLM和简化的简单生物圈模式SSiB进行耦合.在比较了两个陆面过程模式, 指出CLM改进方面的基础上, 通过分析两个陆气耦合模式所模拟的陆气通量交换结果, 指出新版本的陆气耦合模式(SAMIL-R42L26与CLM耦合)对表面感热、温度、降水率、潜热通量和海平面气压场的模拟能力大大提高, 尤其对于夏季表面感热通量场, 使亚洲北部和东南部、格陵兰岛以及北美洲大部分地区的数值从100 W/m2 降低到接近60 W/m2, 与NCEP再分析资料一致.新版本的陆气耦合模式模拟陆地表面能量收支趋于平衡, 为下一步发展海-陆-气-冰耦合气候系统模式提供保障.采用CLM陆面模式, SAMIL-R42L26能较好地模拟亚洲季风区地表感热和潜热的季节演变趋势, 而采用SSiB陆面模式的结果, 则存在较大误差.文中的结果表明, 不同的陆面模式所模拟的大气下垫面(包括洋面)通量发生的变化, 通过陆气耦合过程产生的影响不仅仅是局地性的, 而且是全球范围的.     

藏北高原陆面过程的模拟试验

利用NCAR陆面过程模式(Land Surface Model)和1998年"青藏高原能量与水分观测实验"加强观测期(GAME/Tibet IOP)的观测资料对青藏高原地区陆面过程进行了模拟研究.结果表明,在观测资料的强迫下模式能够较好地模拟出地表特征量的变化趋势,深层的土壤温度的模拟对初始场在0℃左右的变化敏感.模拟的感热通量、潜热通量以及地表反射的太阳辐射较观测值偏大.在高原地区地表类型分布状况的真实描述及植被、土壤参数的选取可能是提高该地区效果的首要问题;草地下垫面的陆面特征有待进一步研究;对土壤水热运动的真实描述,及冻土过程的加入对大气环流模式(GCM)跨季节的数值模拟会有所改进.     

BATS1e陆面模式对p-σ九层区域气候模式性能的影响

将BATS1e (Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme version 1e) 陆面模式与p-σ九层区域气候模式(PσRCM9) 进行耦合，发展了一个包含有更复杂陆－气相互作用的区域气候模式(BATS1e-PσRCM9)。通过对东亚地区1月和7月气候平均场和1991年江淮流域梅雨期间三次强降水过程的数值模拟，考察了BATS1e陆面模式对PσRCM9模式模拟性能的影响。数值试验结果表明，BATS1e-PσRCM9模式对东亚区域冬、 夏季气候平均场的模拟能力有明显提高，且对近地层和对流层低层各气象要素场模拟效果的改善比对流层中高层更加明显。与PσRCM9模式的模拟结果相比，BATS1e-PσRCM9模式对中国东南部地区降水的模拟与观测更为一致，并且对江淮流域梅雨期间的强降水过程也有较好的模拟能力。由于BATS1e-PσRCM9模式改进了地气之间动量、热量和水汽通量交换的计算，更好地描述了陆地下垫面与大气之间的相互作用，从而改善了模式对近地层各气象要素场的模拟。因此，通过耦合BATS1e陆面模式能较明显地提高PσRCM9模式模拟东亚区域短期气候变化的能力，这为区域气候模式的进一步发展奠定了基础。     

黄土高原不同作物下垫面陆气水热交换的模拟研究

黄土高原农田种植结构的改变对陆面能量和水分交换、区域蒸散发等产生影响,不同作物下垫面复杂的水热耦合机制在黄土高原陆-气相互作用中起着重要作用。本文利用陇东黄土高原2019-2021年共计34个月的观测数据,结合耦合了作物模块的通用陆面模式(Community Land Model with BGC Biogeochemistry and prognostic crop,CLM5.0-BGCCROP)对黄土高原不同作物下垫面(冬小麦、玉米、苹果林地)的陆面特征进行离线单点模拟,以验证CLM5.0陆面过程模式在黄土高原农田地区的模拟能力,对比分析不同作物下垫面土壤温湿度和地表能量通量的差异。结果表明：(1)CLM5.0对土壤温湿度特征的模拟效果较好,平均均方根误差分别小于2.5℃和0.1 m³·m^-3,小麦地土壤温度模拟值偏高,玉米地和苹果林地土壤温度模拟存在冷偏差。生长期在旱期的冬小麦造成土壤干燥的程度大于玉米,苹果林地因根系丰富,吸收了更多的土壤水,使土壤整体更加干燥。(2)模拟偏差一部分是由于在模式中将作物下垫面设置为单一作物类型(冬小麦、...     

黄河上游玛曲地区空气动力学参数的确定及其在陆面过程模式中的应用

为了定量描述黄河上游玛曲地区草地下垫面的空气动力学特征,为模式提供准确的下垫面参数,利用"黄河源区气候与环境综合观测研究站"2006年9月的湍流观测资料,结合Martano由单层超声观测资料确定下垫面空气动力学参数的方法,计算了黄河上游玛曲地区草原下垫面空气动力学粗糙度z0和零平面位移d,即z0为0.035 m,d为0.143 m。同时,将z0和d应用于陆面过程模式CoLM中,检验其对模式模拟性能的影响,结果表明,改进陆面参数后的模式对感热通量和潜热通量的模拟均有明显改善。     

陆面过程模式LPM-ZD及其对我国中东部地区陆面特征的模拟

该文利用陆面过程模式ＬＰＭ┐ＺＤ和一套观测分析资料对我国中东部地区的陆面特征进行了模拟研究．模拟结果表明：模式ＬＰＭ┐ＺＤ比较好地模拟了该区域内不同类型植被和土壤的温、湿变量以及陆气间通量交换的日变化特征；能够合理地模拟我国中东部区域的陆面过程特点分布，很好地反映了我国南北方区域气候特点的差异和我国夏季风气候特点     

积雪季节变化特征的数值模拟及其敏感性试验

文中利用综合陆面模式 (ComprehensiveLandSurfaceModel,CLSM )对法国ColdePorte 1 993/ 1 994 ,1 994 / 1 995年及BOREASSSA OJP 1 994 / 1 995年积雪个例进行了模拟试验 ,通过模拟结果与观测资料的对比 ,检验了CLSM对积雪变化特征的模拟能力 ,并通过敏感性试验探讨了降雪密度、积雪持水量等积雪参数化方案及植被对积雪模拟可能产生的影响。结果表明 :(1 )CLSM能够准确地模拟出积雪的变化过程 ,对积雪的演变特征作出了合理的描述 ;(2 )降雪密度、积雪持水量参数化方案对积雪模拟结果均具有一定的影响 :降雪密度参数化主要对积雪深度的模拟产生影响 ;而积雪持水量参数化方案对积雪的演变过程 ,尤其是积雪的消融 ,具有重要的作用 ;(3)有、无植被存在的情况下 ,积雪 土壤系统的变化过程存在显著的差别 ,植被通过改变积雪 /土壤表面的能量平衡 ,对积雪及土壤的变化过程产生重要影响 :植被的存在有利于积雪的维持 ,使得积雪融化进程推迟 ,冻结土壤的增温明显偏慢     

Numerical Simulation of the Evolution of Snow Cover and Its Sensitivity Experiments

By using Comprehensive Land Surface Model (CLSM), three snow cases, i.e., France Col de Porte 1993/1994, 1994/1995 and BOREAS SSA-OJP 1994/1995, were simulated. The simulated results were compared with the observations to examine the capability of the model to describe the evolutions of snow cover under two different land cover conditions. Several sensitivity experiments were performed to investigate the effects of the parameterization schemes of some snow cover internal processes and vegetation on the model results. Results suggest that the CLSM simulates the basic processes of snow cover accurately and describes the features of snow cover evolutions reasonably, indicating that the model has the potential to model the processes related to the snow cover evolution. It is also found that the different parameterization schemes of the snowfall density and snow water holding capacity have significant effects on the simulation of snow cover. The estimation of snowfall density mainly impacts the simulated snow depth, and the underestimation (overestimation) of the snowfall density increases (decreases) the snow depth simulated significantly but with little effect on the simulated snow water equivalent (SWE). The parameterization of the snow water holding capacity plays a crucial role in the evolution of snow cover, especially in the ablation of snow cover. Larger snow water holding capacity usually leads to larger snow density and heat capacity by storing more liquid water in the snow layer, and makes the temperature of snow cover and the snow ablation vary more slowly. To a smaller snow water holding capacity, contrary is the case. The results also show that the physical processes related to the snow cover variation are different, which are dependent on the vegetation existed. Vegetation plays an important role in the evolution of soil-snow system by changing the energy balance at the snow-soil surface. The existence of vegetation is favorable to the maintenance of snow cover and delays the increase of underlying soil temperature.     

用于气候研究的雪盖模型参数化方案敏感性研究

为了得到一个适用于气候研究简化的季节性雪盖模式最佳方案,必须对雪盖内部的重要物理过程、其与上大气相互作用、相应模型的参数化方案和有关的参数选取以及模型的分层结构进行深入研究.利用作者的雪盖模型(SAST),对其中的一些关键性过程的有关参数化方案(如压实、相变、融化雪水流动及分层方案考虑等)及关键的参数(如雪面反照率、有效热传导系数及持水能力等)进行了分析和敏感性试验,得到若干有意义的结论,为雪盖模式改进提供有用的结论.     

Advances in land modeling of KIAPS based on the Noah Land Surface Model

As of 2013, the Noah Land Surface Model (LSM) version 2.7.1 was implemented in a new global model being developed at the Korea Institute of Atmospheric Prediction Systems (KIAPS). This land surface scheme is further refined in two aspects, by adding new physical processes and by updating surface input parameters. Thus, the treatment of glacier land, sea ice, and snow cover are addressed more realistically. Inconsistencies in the amount of absorbed solar flux at ground level by the land surface and radiative processes are rectified. In addition, new parameters are available by using 1-km land cover data, which had usually not been possible at a global scale. Land surface albedo/emissivity climatology is newly created using Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) satellitebased data and adjusted parameterization. These updates have been applied to the KIAPS-developed model and generally provide a positive impact on near-surface weather forecasting.     

Impact of land cover data on the simulation of urban heat island for Berlin using WRF coupled with bulk approach of Noah-LSM

Urban-rural difference of land cover is the key determinant of urban heat island (UHI). In order to evaluate the impact of land cover data on the simulation of UHI, a comparative study between up-to-date CORINE land cover (CLC) and Urban Atlas (UA) with fine resolution (100 and 10 m) and old US Geological Survey (USGS) data with coarse resolution (30 s) was conducted using the Weather Research and Forecasting model (WRF) coupled with bulk approach of Noah-LSM for Berlin. The comparison between old data and new data partly reveals the effect of urbanization on UHI and the historical evolution of UHI, while the comparison between different resolution data reveals the impact of resolution of land cover on the simulation of UHI. Given the high heterogeneity of urban surface and the fine-resolution land cover data, the mosaic approach was implemented in this study to calculate the sub-grid variability in land cover compositions. Results showed that the simulations using UA and CLC data perform better than that using USGS data for both air and land surface temperatures. USGS-based simulation underestimates the temperature, especially in rural areas. The longitudinal variations of both temperature and land surface temperature show good agreement with urban fraction for all the three simulations. To better study the comprehensive characteristic of UHI over Berlin, the UHI curves (UHIC) are developed for all the three simulations based on the relationship between temperature and urban fraction. CLC- and UA-based simulations show smoother UHICs than USGS-based simulation. The simulation with old USGS data obviously underestimates the extent of UHI, while the up-to-date CLC and UA data better reflect the real urbanization and simulate the spatial distribution of UHI more accurately. However, the intensity of UHI simulated by CLC and UA data is not higher than that simulated by USGS data. The simulated air temperature is not dominated by the land cover as much as the land surface temperature, as air temperature is also affected by air advection.     

通用陆面模式CLM在东亚不同典型下垫面的验证试验

利用野外观测资料,考察了通用陆面过程模式(CLM)对东亚地区3种典型下垫面(高原稀疏植被下垫面、森林、水田)的模拟能力.验证结果表明,在高原稀疏植被下垫面,CLM模拟的地表气温跟实测较为接近,同时CLM还可以较好地模拟出土壤温度随时间和深度的变化特征,但模式模拟的地面温度的幅值跟观测相比显著偏小;对于能量通量而言,除感热通量外,CLM所模拟出的其它能量通量的变化均与观测实况比较一致.对于淮河流域的森林下垫面,CLM所模拟出陆气间的各能量通量均与实测较为接近,尤以夏季(8月份)的模拟性能最好.对于水田下垫面,CLM模式较好地模拟出了各能量通量的主要变化特征及其季节差异,如水田的净辐射以及潜热通量夏季最大,而感热通量则是秋季最大等.     

陆面过程模式BCC_AVIM中地表覆盖数据现状

地表覆盖是陆面和气候模式中的一个重要基础数据。以陆面过程模式BCC_AVIM为例,介绍模式中的地表覆盖数据变量、数据分辨率、不同类型数据的来源,重点比较分类方法差异巨大且类型众多的植被覆盖。综述比较了国际和国内常用的几套全球地表覆盖数据的来源、分类系统和分类方法以及空间分辨率,根据陆面过程模式的地表覆盖数据需求,确定不同全球土地覆盖数据在模式中的应用方法,讨论分析了全球地表覆盖产品在模式应用中存在的差距,提出不同遥感数据产品之间一致性较差的可能解决方案,探讨遥感数据产品在模式中应用的可能方式,以期更好地发挥全球地表覆盖数据产品的作用。     

有关雪盖模型内部及界面过程的参数化方案的敏感试验

In order to develop a seasonal snow model of land surface process as accurately as possible for climatic study, it is necessary to fully understand the effects of important snow internal processes and interaction with air and to get an insight into influence of several relevant parameterization schemes with parameters＇ uncertainty to some degree. Using the snow model (SAST) developed by first author and other one and some useful field observation data, this paper has conducted a series of sensitivity studies on the parameterization schemes. They are relative to compaction process, snow thermal conduction, methodology of layering snow pack and to key parameters such as snow albedo, water holding capacity. Then, based on the results from the sensitivity studies, some useful conclusions for snow cover model improvement are ob tained from the analysis of the results.