NCAR_CLM系列模式对全球近50 a陆面状况的模拟及其比较分析

基于普林斯顿大学1948-2006年3h一次、1 °×1 °空间分辨率的全球陆面驱动数据,利用NCAR系列陆面模式CLM3.0、CLM3.5、CLM4.0,分别对全球近50 a的陆面状况进行了offline模拟试验.在此基础上,对比分析了不同版本模式对全球土壤温度、土壤湿度、地表感热、潜热和地表径流气候态的模拟结果,揭示了不同版本模式对全球陆面变量模拟的差异及主要特征.结果表明:1)CLM系列模式模拟的土壤温度、湿度在全球范围内存在一定差异.与CLM4.0相比,CLM3.0和CLM3.5模拟的1月、7月的浅层和深层土壤温度在北半球中高纬度存在明显的暖偏差.CLM3.0模拟的土壤湿度在北半球高纬地区均存在不同程度的偏湿,而在热带及中纬度地区则以偏干为主,尤其是对热带地区深层土壤湿度的模拟存在严重偏干的现象;相比之下,CLM3.5模拟的浅层土壤湿度仅在北半球高纬地区存在偏湿的现象;二者对深层土壤湿度的模拟差异较小.2)CLM系列模式模拟的地表能量通量和地表水文变量也存在较明显的差异.模式对潜热通量和感热通量的明显差异主要出现在热带地区,与CLM4.0相比,CLM3.0模拟的潜热(感热)通量总体偏小(大),而CLM3.5模拟的潜热(感热)通量以偏大(小)为主.CLM3.0模拟的地表径流在热带地区明显偏大,CLM3.5在一定程度上改善了上述区域径流偏大的问题,但过分低估了上述地区的地表径流.3)模式模拟结果的差异具有明显的季节变化和区域性特点.总体而言,CLM3.0对不同地区的土壤湿度和冠层蒸散的季节变化模拟都存在较大偏差,其模拟的土壤湿度明显偏低,而对冠层蒸腾作用在冠层蒸散过程中所做的贡献估计不足;CLM3.5和CLM4.0对上述结果有了较明显的改进.对于其他陆面因子的季节变化而言,CLM3.0的模拟能力也存在一定程度的不足,而CLM3.5和CLM4.0的模拟结果则更为合理.     

中国区域陆面覆盖变化的气候效应模拟研究

基于MODIS和CLCV陆面覆盖资料,利用区域气候模式RegCM4分别进行两组24年（1978-2001年）的数值模拟试验,研究中国区域陆面覆盖变化对区域气候的影响。结果表明,以荒漠化和植被退化为主要特征的陆面覆盖变化通过改变陆面能量、水分平衡与大尺度环流进而对气候要素产生重要影响。夏季,中国南方地区普遍降温,季风边缘区及藏北高原气温升高,降水减少;季风边缘区与西北地区气温年际波动加剧;内蒙古中东部地区西南风增强,进而水汽输送增强,一定程度上增加了该地区降水。冬季,中国东部地区偏北气流增强,更多干燥冷空气南下,使得黄河以南地区降水减少、气温降低。     

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。     

土壤质地对中国区域陆面过程模拟的影响

利用陆面过程模式(CLM3.5)和中国区域两种土壤质地数据(分别来自第二次中国土壤调查SNSS和联合国粮食农业组织FAO),研究了土壤质地变化对于模式模拟的陆表水热变量的影响。结果显示,土壤质地对土壤水文学变量的影响远大于对土壤热力学变量的影响,尤其是对于饱和土壤含水量和饱和水力传导率的影响。对于模式的输出,土壤质地影响比较明显的有土壤湿度、总径流和土壤渗透等水文学变量以及地表潜热、地表感热和土壤热通量等热力学变量,而影响相对较小的有地面吸收的太阳辐射和地表反照率。同时,发现基于SNSS模拟的土壤湿度与站点观测值更加接近。因此,本研究认为基于SNSS土壤质地数据可以有效地改进模式模拟结果,建议以后在陆面模式试验中尽可能使用以观测为基础的SNSS土壤质地数据。     

基于陆面模式基准平台ILAMB对陆面模式CoLM的评估

模式评估是模式发展中不可或缺的重要一环。本文利用最新版陆面模式评估软件—ILAMB（International Land Model Benchmarking）对通用陆面模式 (The Common Land Model, CoLM)进行客观评估,并与NCAR陆面模式CLM5(Community Land Model version 5)结果进行比较。作为一个陆面模式评估软件,ILAMB能对参与评估的模式变量自动生成诊断图形并对模式性能进行评分。评估结果表明,CoLM总体性能良好,模拟结果与基准数据较为接近。与CLM5相比,CoLM在总初级生产力及水文方面的表现略微逊色,在辐射方面则表现相当,对部分变量如地表向上长波辐射、地表净辐射等的模拟甚至优于CLM5。通过对比CRUNCEPv7和GSWP3v1两种强迫资料发现,它们在气候平均态上具有一定的差异,模式在GSWP3v1强迫下的表现相对较好。CoLM和CLM5在CRUCNEPv7强迫下模拟的潜热通量在亚马逊平原、亚洲东部和南部地区以及北美东部一带正偏差显著,而在GSWP3v1强迫下的模拟则有明显改善。这两个模式对感热通量的模拟在非洲北部、亚洲中部一带均明显偏高。在辐射方面,CoLM模拟的地表向上短波辐射在全球以偏高为主,这在一定程度上造成了地表净辐射的模拟偏低。各组试验模拟的地表向上长波辐射得分相差不大,但在具体的空间分布上有一定的差别。     

CLM4.0土壤水分传输方案改进在青藏高原陆面过程模拟中的效应

利用2010年5月25日-12月31日玛曲高寒草原的气象观测资料和陆面过程模式(CLM4.0)对玛曲高寒草原陆面过程进行了数值模拟。通过评估模式的模拟性能、模式对含砂量的敏感程度以及模式土壤水分传输方案改进对青藏高原地区陆面过程模拟的影响,发现CLM4.0模式能较好地再现观测站土壤温、湿度、地表辐射、湍流通量等的变化趋势,但土壤温度模拟偏低,感热通量模拟偏大;含砂量增多会减弱土壤的持水能力,使得夏季感热通量增大而潜热通量减小;CLM4.0模式中新引入的有机质对土壤温、湿度模拟均有重要影响,Richards方程和径流计算的修改则对土壤含水量模拟影响较大,这对其他陆面模式的改进具有一定的指导意义。     

农牧交错带陆面过程的数值模拟研究

利用CLM(Common Land Model)模式对我国内蒙古奈曼旗农牧交错带沙漠和农田两种不同典型下垫面的陆面过程进行了数值模拟试验,并与外场试验观测结果进行了对比分析。结果表明:无论是沙漠还是农田试验,CLM都能够较好地模拟其辐射通量和土壤中的热传导特征,CLM的模拟结果能够真实地再现试验期间土壤热传导过程对天气过程的响应。相比而言,模式对沙漠地区长波辐射通量和干燥时期短波辐射通量的模拟结果好于农田,其原因可能是因为农田下垫面植被及土壤特征较沙漠复杂,有着很大的不确定性,造成了农田地表反照率和温度模拟的偏差。而对农田热传导的模拟结果好于沙漠,反映了CLM对含水量较大、持水力较强的农田下垫面的热传导模拟能力较好,而对含水量较小、持水力较弱的沙漠下垫面的热传导模拟能力相对较差。     

RegCM4中陆面过程参数化方案对东亚区域气候模拟的影响

利用区域气候模式RegCM4.0分别选取其陆面参数化方案CLM3.5与BATS1e,针对东亚地区进行约44 a(1957-2001年)的模拟试验(分别取名为R-CLM与R-BATS),以研究陆面过程参数化方案对区域气候模拟的影响.结果表明,R-CLM地表气温比R-BATS平均高3.6℃,均方根误差比R-BATS约减少44％,其中,以中国华南、西北等地区的偏高改进最为明显;降水平均减少0.17 mm/d,均方根误差约减少6.9％,其中,在中国华南、东北等东部地区误差减少最多;表层10 cm土壤湿度平均增加0.008 m3/m3,并在中国东北等中高纬度地区偏大最为明显.分析表明,R-CLM模拟的土壤湿度在中高纬度地区比R-BATS偏高是由于其蒸散与地表径流较少使得陆地水储量相对较高所致,因而该地区的产流机制仍需改进以改善其土壤湿度模拟;R-CLM的地表气温模拟普遍较高主要是由于其陆表吸收辐射量模拟较高潜热通量模拟较弱所致;另外,R-CLM中较弱的蒸散与较高的地表气温引起了大气环流场的改变,导致R-CLM在模拟区尤其是中国东部地区模拟的垂向及水平水汽输送较弱,大气可降水量较少,因而在中国华南、东北等大部分地区降水相对偏少,并在一定程度上增加了到达地表的辐射量,进而影响其地表气温模拟.     

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.     

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 ...     

Albedo enhancement over land to counteract global warming: impacts on hydrological cycle

A recent modelling study has shown that precipitation and runoff over land would increase when the reflectivity of marine clouds is increased to counter global warming. This implies that large scale albedo enhancement over land could lead to a decrease in runoff over land. In this study, we perform simulations using NCAR CAM3.1 that have implications for Solar Radiation Management geoengineering schemes that increase the albedo over land. We find that an increase in reflectivity over land that mitigates the global mean warming from a doubling of CO₂ leads to a large residual warming in the southern hemisphere and cooling in the northern hemisphere since most of the land is located in northern hemisphere. Precipitation and runoff over land decrease by 13.4 and 22.3%, respectively, because of a large residual sinking motion over land triggered by albedo enhancement over land. Soil water content also declines when albedo over land is enhanced. The simulated magnitude of hydrological changes over land are much larger when compared to changes over oceans in the recent marine cloud albedo enhancement study since the radiative forcing over land needed (?8.2?W?m^?2) to counter global mean radiative forcing from a doubling of CO₂ (3.3?W?m^?2) is approximately twice the forcing needed over the oceans (?4.2?W?m^?2). Our results imply that albedo enhancement over oceans produce climates closer to the unperturbed climate state than do albedo changes on land when the consequences on land hydrology are considered. Our study also has important implications for any intentional or unintentional large scale changes in land surface albedo such as deforestation/afforestation/reforestation, air pollution, and desert and urban albedo modification.     

青藏高原MODIS地表反照率和GLASS地表反照率的对比分析

对比分析了青藏高原MODIS地表反照率产品和GLASS地表反照率产品的空间分布连续性、高质量反演结果的比例,应用青藏高原CAMP/Tibet试验期间的高精度观测数据评估了两种产品的精度,通过人工目视解译MODIS地表反射率图像并结合MODIS积雪产品分析了影响两种产品精度的原因,结果表明：1）GLASS地表反照率产品具有比MODIS地表反照率产品更好的空间分布连续性和更高的反演质量;2）绝大多数时段内两种产品都能与地面观测结果保持较好的一致性,能准确地反映地表反照率的异常变化过程;3）局地积雪是影响两种产品精度的重要因素之一;4）积雪条件下,GLASS地表反照率反演算法比MODIS地表反照率反演算法更具优势。研究结果有助于促进人们对地表反照率卫星遥感反演产品的认识,改进青藏高原地表反照率卫星遥感反演算法,提高青藏高原地表反照率卫星遥感反演结果的精度、反演质量和空间分布连续性。     

利用MODIS卫星资料反演中国地区晴空地表短波反照率及其特征分析

利用MODIS地表双向反照率产品(MOD43B1),结合地表海拔高度和地表覆盖类型资料,计算并分析了中国地区晴空反照率的时空分布,以及地表反照率与地形和地表覆盖的关系.首先,利用改则自动气象站的地基观测对MODIS地表反照率进行了对比验证.验证结果表明卫星观测可以较好地反映反照率随时间的变化,MODIS地表反照率与地表实测反照率符合较好.年平均地表反照率与海拔高度有很好的相关,反照率的高值出现在高海拔山区.冬春季节,我国高海拔山区因积雪覆盖成为反照率的高值区;夏秋季节,地表反照率主要受地表土壤湿度和植被盖度的影响,沙地和沙漠地带反照率最高.最后,计算了中国典型地表类型的反照率随时间的变化,结果表明大部分地表类型的反照率具有较大的时间变化,地表反照率在春秋季节较大,夏季反照率较小.     

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。     

CoLM模式地表温度变分同化研究

本文采用变分方法对通用陆面模式 (CoLM) 中的地表温度进行同化.同化伴随约束条件采用CoLM模式中的地表及植被能量平衡方程,调节因子采用裸土及植被蒸发比.采用美国通量网 (AmeriFlux) 中的Bonville站数据对同化方法进行了单点验证,验证结果表明同化后地表温度以及蒸散结果更加接近于实测值.选取中国华北地区对同化方法进行区域验证,结果显示每天仅采用白天一次观测值对地表温度进行同化的方法是有效的.通过对同化前后地表温度误差直方图比较可以发现,在有MODIS观测值的区域,同化后白天地表温度误差大大降低,同时,同化后地表蒸散空间分布图也发生了变化.单点验证以及区域验证结果都表明了变分同化方法是可靠的.变分同化方法可以改进陆面模式模拟结果,对于地表过程研究中的植被生态、水文等研究具有重要意义,同时,陆面模式可以与数值预报模式进行耦合,改进数值预报结果.     

2000~2016年青藏高原地表反照率时空分布及动态变化

应用MODIS地表反照率产品MCD43C3,结合青藏高原自然带数据、积雪覆盖率和植被指数数据,采用一元线性回归方法分析了2000~2016年青藏高原地表反照率的分布及变化特征,结果表明:1）高原地表反照率空间分布差异大,整体上东南部低、西北部高,受地形和地表覆盖影响较大。2）高原地表反照率四季的空间分布变化明显,高海拔山脉和高寒灌丛草甸是高原地表反照率年内和年际变化的敏感地区。3）高原地表反照率年变化介于0.19~0.26,一定程度上表现为“双峰单谷”型,与地表覆盖类型的季节变化密切相关。4）高原地表反照率年际变化整体呈缓慢波动减小的趋势,平均变率约为－0.4×10-3 a-1,减小的区域约占高原总面积的66%,川西 —藏东针叶林带的西南部地区减小得最快,减小速率超过1.0×10-2 a-1。5）高原地表反照率减小与冰川消融和积雪减少密切相关,高原植被覆盖改善也是一个重要因素。     

GRAPES NOAH-LSM陆面模式水文过程的改进及试验研究

土壤含水量的计算影响着陆面过程的能量平衡和水量平衡,是陆面模式的核心计算要素之一。目前,GRAPES_Meso模式采用的NOAH-LSM(Noah-Land Surface Model)陆面模式既不能有效地表达径流产源面积的变动情况,也不能完整描述水文循环过程。本次试验针对以上问题对其进行了改进:(1)加入蓄水容量曲线,考虑网格内产流面积的变化及土壤含水量的不均匀性;(2)加入汇流模式,以考虑水平二维水分再分配,提高模式对径流和流量模拟能力。选取2008年8月至9月降水进行模拟试验,研究陆面水循环过程对近地面气象要素的影响。结果表明:改进后的模式模拟土壤湿度、2 m温度等近地面气象要素更接近观测值,并最终对降水量以及降水落区也产生了一定的影响。