北京大学陆面过程模式PKULM(Peking University Land Model)介绍及检验

陆面过程模式是气候模式和天气模式的核心组成部分之一.在土壤—植被—大气耦合模式(Soil-PlantAtmosphere Model,SPAM)的基础上,发展了新一代北京大学陆面过程模式PKULM(Peking University Land Model).本文首先介绍了PKULM的辐射传输、湍流输送、光合作用、土壤水热输送等过程的参数化方案;采用隐式迭代计算框架,发展并应用了一个快速的线性方程组求解算法,提高了模式计算稳定性;提出并使用了二分搜索算法计算气孔阻抗,避免了CLM(Community Land Model)等使用的迭代方法在干旱区不稳定的情况,提高了模式的适用性;采用水势为基础的土壤水分扩散方程,使模式能够模拟土壤饱和区的水分输送过程,为进一步与水文过程模式耦合奠定了基础;还发展了一个地表积水与径流过程的机理模型,提高了模式对地表水分平衡过程的模拟能力;最后,使用"中国西北干旱区陆—气相互作用观测试验"平凉站的资料对模式进行了检验并与NOAH(National Center for Environmental Prediction,Oregon State University,Air Force,and Hydrology Lab model)陆面过程模式的模拟结果进行了比较,结果表明PKULM能够较好地模拟西北半干旱区农田下垫面地气交换过程.     

一种基于数据同化优化陆面过程模式参数化方案的方法

基于数据同化优化陆面过程模式参数,从物理机制上改进和完善陆面过程模式参数化方案,提高模式的区域适应性和模拟能力,对改善大气环流模式(GCM,General Circulation Model)和区域气候模式(RCM,Regional Climate Model)模拟和气候预测能力具有重要的现实意义.本文发展了一种基于数据同化优化陆面过程模式参数化方案的方法,并以优化非饱和土壤水模型为例,发展基于非饱和土壤水模型和扩展Kalman滤波(EKF,Extended Kalman Filter)算法并结合可变下渗能力模型(VIC,Variable Infiltration Capacity Model)的土壤湿度同化方案,以月为同化窗,利用复合形混合演化算法(SCE-UA,Shuffled Complex Evolution-University of Arizona)极小化目标函数,使模拟与同化的土壤湿度按给定的目标函数度量方式达到最佳拟合,优化非饱和土壤水模型参数:饱和水力传导率、饱和土壤湿度、饱和土壤水势、Clapp和Hornberger常数,得到同化时段1986年模型参数的最优值序列,然后用其改进非饱和土壤水模型,最后利用改进后模型进行1986~1993年的数值模拟试验,评估改进后模型的模拟能力,探讨基于数据同化优化陆面过程模式土壤水参数化方案的方法与实现途径.试验结果表明:基于数据同化优化模型参数,从物理机制上改进和完善模型,提高了模型的模拟能力;优化的模型参数在时间上具有较好的移植性,适应性更强,达到了改进模型的目的,因此,本方法是合理、可行的.本文为基于数据同化优化陆面过程模式参数化方案研究提供了范例,具有较好的借鉴作用.     

考虑冻融界面变化的土壤水热耦合模型

土壤的冻结和融化是土壤内部的重要物理过程,其冻融界面位置的移动影响土壤水热特性以及陆面和大气之间的水分能量交换,从而对陆面水热过程产生重要影响.本研究将土壤冻结和融化问题归结为考虑水热耦合的多运动边界问题,利用局部自适应变网格法进行数值离散,发展了考虑冻结和融化界面位置的移动对水热过程影响的土壤水热耦合模型.该模型基于陆面模式分层结构的敏感性试验表明:它能同时连续地追踪多个冻融界面,克服了等温线法在同一土壤层不能同时模拟多个冻融界面的困难,比高分辨率情形下的计算效率提高数倍且计算稳定.利用站点观测对土壤冻融界面的位置、土壤温度和未冻水含量所进行的模拟验证,进一步表明了该模型的合理性以及应用于陆面过程模式的模拟潜力.     

黄土宽梁缓坡丘陵区次降雨对土壤水分补给效率与阈值研究

降水是干旱、半干旱地区的主要水分来源,其对土壤水分的补给直接影响到植被生长和生态系统服务的维持,但由于降雨特征和植被结构影响,有限的降水资源并未得到有效利用.研究次降雨事件对不同植被类型下土壤水分的补给效率和阈值,对于指导植被恢复、提高降水资源利用效率具有重要意义.本研究以半干旱黄土丘陵区天然荒草、小麦、红豆草、沙棘和油松5种典型植被为例,通过不同水文年降雨和土壤水分动态监测,以土层20cm土壤水分动态作为衡量降雨是否得到有效补给的判断依据,研究了次降雨事件对不同植被类型土壤水分的补给效率与阈值.结果表明:(1)降雨补给的延滞时间、补给速率和补给效率与植被类型密切相关,不同植被之间存在较大差异.(2)天然荒草土层20cm处降雨补给的延滞时间为26.4h,其次为小麦27.8h、沙棘41.8h、红豆草50.0h和油松81.8h;降雨补给速率依次为:小麦0.40mm h~(-1)、天然荒草0.30mm h~(-1)、沙棘0.17mm h~(-1)、红豆草0.14mm h~(-1)、油松0.09mm h~(-1);降雨对土壤水分补给的效率依次为:天然荒草35.1%、小麦29.2%、沙棘16.8%、红豆草11.5%、油松4.2%.(3)通过线性拟合得到不同植被具有土壤水分补给作用的降雨有效补给阈值为:小麦6.8mm、天然荒草10.5mm、沙棘20.5mm、红豆草22.6mm、油松26.4mm,由此可知天然荒草地土壤水分对降雨响应较为敏感,油松林地土壤水分则难以得到降水有效补充.     

改进的区域缺水遥感监测方法

植物水分与土壤水分状况密切相关, 提取地表缺水指数是研究区域缺水的一种有效途径. 选择不同退化程度的草地为研究对象, 通过建立基于亚像元尺度的双层蒸散模型, 成功计算了区域的地表缺水指数(SWDI); 考虑到半干旱地区植被冠层水主要由土壤水提供, 但植被供水状况与植被水分实际状况之间存在着一定的“滞后”, 鉴于此, 试图建立地表缺水指数与植被冠层水分含量、表层土壤水分含量(0~20 cm)之间的定量关系, 从而更准确、及时地反演区域的表层土壤水分含量(0~20 cm). 通过本次研究探讨一种直接应用遥感技术研究半干旱地区区域缺水的实用方法.     

通用的土壤水热传输耦合模型的发展和改进研究

一个既真实又简化、且适用于湿润与干旱、冻土与非冻土和均质与非均质多种情景下的通用土壤水热传输耦合模式对于陆面过程的模型发展研究至关重要. 研究首先通过量级估计和模型数值模拟结果的分析, 发展了简化且精度较好的土壤水热传输耦合统一模型. 为了克服该模型计算过程中由于需预估冰水相变速率项产生的误差造成的不确定性, 进一步对该简化的统一土壤模式进行变量变换, 以土壤总焓和土壤水总质量替代温度和体积含水量作为方程预报量, 建立了新的通用土壤模型统一体系, 并设计了一套行之有效、省时的数值计算方案. 此模型既可用于一般情况下的裸土, 也可用于较为难处理的非均质土、冻融土壤和干旱土壤等. 与观测结果相比, 改进后的统一土壤模型能很好地模拟出在湿润与干旱、冻土与非冻土和均质与非均质土壤中的水热传输过程. 且由于它的简化, 也适应当今陆面过程模式发展的需要.     

塔里木河下游荒漠河岸林蒸散规律及其关键控制机制

干旱区内陆河下游荒漠河岸林带蒸散耗水规律及其控制机制是内陆河流域下游水资源管理的重要科学基础.本研究对塔里木河下游两种典型河岸林群落胡杨群落和柽柳群落的地下水、土壤水和地表蒸散过程进行了连续观测.结果发现河岸林带生长季的蒸散过程季节趋势受到植被物候期的控制,非生长季蒸散微弱;蒸散日过程是大气要素综合影响的结果,与参考蒸散显著线性相关;蒸散的空间格局则受到植被叶面积指数的控制,植被盖度越大,蒸散量越大;地下水是地表蒸散的水分来源,浅层土壤水参与水循环微弱;胡杨和柽柳蒸散过程特征一致,但胡杨耗水能力高于柽柳.进一步分析表明,植物蒸腾是地表蒸散的主体,土壤蒸发占地表蒸散的比例很小;地下水位是控制干旱区荒漠河岸林水循环的关键因素,它通过影响植物生长和植被盖度来影响荒漠河岸林带地表蒸散过程和蒸散量;采用地下水位,而不是土壤含水量定量表达荒漠河岸林水分胁迫过程更为合适.基于揭示的水分运动和蒸散规律,系统描绘了一个表达干旱区内陆河下游河岸林带水循环过程控制机制的概化框架,并描述了一个简单实用,能满足内陆河水资源管理需要的荒漠河岸林需水量估算模型.     

半干旱区关键地表参数的估算及其对地气通量模拟的改进

陆面过程模式中有关土壤水热传输、植被冠层和空气动力学等过程的关键参数的不确定性严重制约着地表-大气相互作用模拟能力的提高.本文利用架设在我国吉林通榆和甘肃榆中典型半干旱区陆-气相互作用野外试验站的观测资料,结合大气边界层理论,利用多种方法系统估算了上述试验站地表空气动力学粗糙度(z0m)以及热传输附加阻尼(?B?1)的量值.结果表明,z0m在半干旱区具有明显的季节变化和年际变化特征,且在植被低矮的下垫面与现行通用的陆面模式中的默认值相差较大;而?B?1的日变化和季节变化特征明显.将修正后的z0m和?B?1参数化方案引入陆面过程模式,发现能够明显改善模式对于半干旱区地表感热通量的模拟能力.这些结果说明有必要进一步结合半干旱区的野外观测试验对陆面模式在该地区的缺省参数设置进行更广泛的评估,而基于外场观测试验和大气边界层理论估算的关键地表参数对于改进陆气相互作用的模拟体现出较大的应用潜力.     

鄱阳湖湿地典型中生植物水分利用来源的同位素示踪

水分是维持植物生长、决定种群分布的关键因子，研究植物水分利用来源是揭示水文过程与植被演替作用机制的基础，作为中国最大的淡水湖泊系统，鄱阳湖水文情势的显著改变已直接影响到湿地生态系统的水分补给来源.本文通过测定降水、土壤水、地下水、湖水和植物茎水中δ¹⁸O、δD同位素组成，识别鄱阳湖湿地典型中生植被——茵陈蒿（Artemisia capillaris）群落的土壤水分补给来源，并应用直接对比法和IsoSource多源混合模型估算优势种茵陈蒿的主要吸水区间及水源利用比例.结果发现：（1）与降水同位素相比，湖水和湿地土壤水同位素较为富集，地下水同位素较少发生分馏；（2）湿地地下水主要受历史长期降水和湖水共同补给，土壤水在雨季4—6月和秋季9—10月主要受降水补给，夏季7—8月深层土壤水受湖水侧向入渗和地下水的共同补给，并在蒸发作用下水分向浅层土壤传输；（3）茵陈蒿主要利用0~80 cm深度的土壤水，且能够在不同土层水源间灵活转换.当土壤含水量较高时（4—5月），主要利用0~40 cm浅层土壤水，利用率约49%~68%；当浅层土壤含水量较低时（6—8月），主要利用40~80 cm深层土壤水，利用率高达74%~95%；当植物进入生长后期（9—10月），主要利用0~15 cm表层土壤水，利用率介于41%~70%.总体发现，湖水是鄱阳湖湿地中生植物群落土壤水分的重要补给来源，优势种茵陈蒿能够响应土壤含水量的变化改变吸水深度，具有较强的干旱适应能力.研究结果可为鄱阳湖湿地植被生态系统演变和科学保护提供理论参考.     

考虑冻土的陆面过程模型及其在青藏高原GAME/Tibet试验中的应用

陆面过程的研究对于更好地认识气候和天气系统的演变规律、陆地-大气水热交换过程、人类活动对气候和环境的影响等具有重要意义. 建立了综合考虑土壤冻融、土壤水汽通量、植被覆盖和陆面-大气近地层水热交换的一维冻土-植被-大气连续体模型, 模拟了固液相变、汽态水迁移、土壤水、汽、热耦合迁移等过程, 反映了液态水从未冻区向冻结区迁移、冻结及其引起的潜热迁移的冻土物理本质, 也反映了汽态水分从高温区向低温区迁移所引起的温度及水分场的变化, 并对模型进行了检验. 水分运动方程采用混合Richards方程, 可适应各种边界条件. 土壤水热传输模型求解引入了修正的Picard迭代法, 不仅使计算迭代收敛更快, 而且能更好地保证数值计算过程中的水量平衡. 结合GAME/Tibet实验1998年5月份、7月份的观测数据, 应用该模型对青藏高原安多观测点的水热交换过程进行了模拟分析. 模拟结果表明: 土壤的冻融过程对地温变化会产生负反馈作用; 若净辐射相同, 土壤表层含水量较高的情况下考虑冻结时其地热通量在冰融化时明显增加, 显热通量减少, 而潜热通量变化不大, 但是冻结时各通量的变化不明显; 而土壤发生融化时, 尽管地热通量增加, 但是地表温度仍然减小; 土壤发生冻结时, 尽管土壤负温要比不考虑冻结时高, 但整体上热通量变化不大.     

沙漠陆面过程参数化与模拟

沙漠地区植被稀疏、干旱少雨,其陆面物理过程具有与全球其它地区显著不同的特点.本文利用巴丹吉林沙漠观测资料,分析和计算了地表反照率、比辐射率、粗糙度和土壤热容量、热传导系数等关键陆面过程参数,建立了适合于沙漠地区的陆面过程模式DLSM (Desert Land Surface Model),并与NOAH陆面过程模式的模拟结果和观测资料进行了比较.结果表明:巴丹吉林沙漠地表反照率为0.273,比辐射率为0.950,地表粗糙度为1.55×10^-3 m,土壤热容量和热扩散系数分别为1.08×10⁶ J·m^-3·K^-1和3.34×10^-7 m²·s.辐射传输、感热输送和土壤热传导过程是影响沙漠地区地表能量平衡的主要物理过程.通过对这三种过程的准确模拟检验,DLSM能够较准确地模拟巴丹吉林沙漠地气能量交换特征;短波辐射、长波辐射和感热通量的模拟结果与观测值间的标准差分别为7.98,6.14,33.9 W·m^-2,与NOAH陆面过程模式的7.98,7.72,46.6 W·m^-2的结果接近.地表反照率是沙漠地区最重要的陆面过程参数,地表反照率增大5%,向上短波辐射通量随之增加5%,感热通量则减小2.8%.本文研究结果对丰富陆面过程参数化方案,改进全球陆面过程模式、气候模式具有参考意义.     

水分胁迫对内蒙古羊草草原生态系统光合和呼吸作用的影响

在全球气候变化条件下,全球陆地区域的降水量及其空间/时间分布模式将发生明显改变,这种变化将对中国的陆地生态系统,尤其是干旱地区的温带草地生态系统碳收支产生重要影响.作为中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)的一部分,本研究利用2003至2004年在内蒙古羊草草原的涡度相关通量观测数据,初步探讨了水分胁迫对羊草草原生态系统光合和呼吸作用的影响.研究发现温度和水分是影响该生态系统在生长季(5～9月)的光合和呼吸作用的主要因子.在土壤水分适宜条件下,生态系统呼吸对温度变化的敏感性较大(Q10=2.0),而当土壤含水量降低时生态系统呼吸对温度的敏感性明显降低(Q10=1.6).高温和干旱会显著降低生态系统的光合生产力.生长季的降水量及其季节分配模式的不同对草地生态系统的生物物候有明显的影响,在2003年6月初生态系统就开始净吸收CO2、在7月初出现最大净生态系统CO2吸收量,而因随后发生的干旱和高温胁迫使其在8月就提早进入休眠期;2004年春季的严重干旱导致生态系在7月初才开始净吸收CO2,并在降水丰沛气温适宜的8月出现最大CO2吸收量,水分胁迫导致该草地植物生长发育比2003年推迟1个多月.观测结果显示该草地生态系统在2004年5～9月比2003年同期多吸收30 g CO2·m-2.我国温带草原植被类型复杂多样,要准确估算我国草地生态系统碳收支还需要开展更多的长期联合观带研究.     

基于模拟土壤湿度的中国干旱检测及多时间尺度特征

土壤干旱能够引起土壤-植被-大气系统的物质和能量循环异常,对生态环境和天气气候具有重要的影响,土壤干旱的检测和特征认识,有助于理解陆气相互作用及其评估和减缓影响.本文以观测气候资料驱动陆面模式CLM3.5模拟中国区域的土壤湿度,引入土壤孔隙度参数校正土壤湿度模拟的湿偏差,并检测了历史土壤干旱,分析不同时间尺度干旱的空间分布和变化趋势:1951~2008年40%的月份发生了月尺度的干旱,平均影响面积占我国陆地总面积的54.6%;年内干旱月数的变化呈干旱区显著减少,半干旱、半湿润区显著增加趋势,而湿润区减少但趋势不显著.1951~2008年月尺度干旱呈减少和增加趋势的面积之比为77.3%,总体上中国呈干旱加剧的趋势;平均来看月尺度干旱冬季影响范围最广,夏季最小,分别影响了我国54.3%和8.4%的陆地总面积.持续3个月以上的干旱主要发生在半干旱和半湿润区,发生概率51.7%,部分地区甚至77.6%;持续6和12个月以上的干旱主要发生在半干旱和干旱区,概率较小.     

植被变化对西北地区陆气耦合强度的影响

西北地区地处欧亚大陆腹地,生态系统对于气候变化和人为影响十分敏感,同时该区也是湿润的东亚季风区与干燥的中亚干旱区的过渡区域,陆气相互作用比较强烈.本文对西北地区植被变化对当地的陆气耦合强度及其与之相关的地表水文过程的影响进行了分析研究,并且找出适于增加植被以缓解西北地区荒漠化趋势的最具成效的地区.本文利用美国国家大气科学研究中心(NCAR,National Center for Atmospheric Research)研制的通用大气模式CAM3(Community Atmosphere Model Version 3)对西北地区植被变化的影响进了数值模拟.本文共设计了三个试验,使用正常地表植被覆盖的参考试验,地表下垫面变为裸土的去植被试验和植被增加的生态环境好转试验.首先,本文对西北地区植被变化对于当地降水量、地表水分盈余量、径流量、地表土壤含水量等地表水文变量的影响进行了分析研究.然后对西北地区植被变化对当地的陆气耦合强度的影响进了分析研究,陆气耦合强度是衡量局地陆气相互作用强弱程度的一个新标准,基于计算年降水量与蒸散量的协方差与降水量方差之比而得到.它利用观测数据或模式输出数据,计算起来简便容易,物理意义明确清晰,陆气相互作用越强烈的地区,其陆气耦合强度也越高.最后,本文计算了一个蒸散-水汽通量散度指数来衡量植被变化对局地蒸散与大气水汽通量散度的影响,其在一定程度上反应了植被变化对局地陆气相互作用和大尺度大气环流输送作用的影响,也可以视为一个评估人为生态环境工程效果的指标.西北地区陆气耦合强度由东南向西北递增.去植被之后,西北地区降水与蒸发普遍减少,其中在东南部区域,地表径流增加约10~40mm,渗流量与地表土壤含水量分别减少约40~80mm和5~20mm3·mm-3,陆气耦合强度上升,这有可能导致水土流失,不利于当地植被的恢复.生态环境好转之后,内陆地区降水与蒸发明显增加,但地表盈余水分有所减少,主要原因是蒸散量相较于降水量增加的更多.其中在沙漠戈壁区边缘的新疆南部与内蒙西部,渗流量与地表土壤含水量分别上升约5~20mm和5~20mm3·mm-3,陆气耦合强度降低,蒸散-水汽通量散度指数较高,这可能主要是由于植被变化对局地陆气相互作用的改变而造成的.植被对于西北地区地表水文过程有着明显的影响,植被的存在能加速西北地区地表水文循环过程,减小陆面蒸散的变化,降低陆气耦合强度.在有限的人力与财力条件下,集中力量在在沙漠戈壁区边缘的新疆南部与内蒙西部适当种植灌木与青草并防止过度放牧,能有效降低当地陆气耦合强度,缓解西北地区荒漠化加剧的趋势.本文下一步还需考虑如模式地表植被数据与真实情况的差异性,海洋因素变化对于植被变化的反馈,以及进行集合实验来增加研究结果的可靠性.     

2002年7月黑河流域上游降水以及产、汇流过程的模拟

运用包含土壤、植被陆面过程OSULSM的中尺度大气模式MM5, 将分布式水文模式DHSVM中汇流方案与其耦合, 成功地模拟了2002年7月黑河流域上游的洪水事件, 用数值方法再现了洪水的流动过程. 结果显示: 洪峰到达流经各点的时间不同, 遇到分岔路时, 水流按照地形坡降大小不同, 自动按比例分流, 较大部分从地势坡度大的方向流向低处, 也会有较少部分向坡度较小的方向流去. 坡面汇流方案的加入, 使得大气模式中实现了地表水的再分配.     

青藏高原单点陆面过程模拟试验

利用青藏铁路北麓河试验2002年6月的大气资料作为陆面模式的强迫场, 研究陆面过程模式(NCAR/LSM)在高原地区的模拟能力. 模拟结果表明, 在观测资料的强迫下, NCAR/LSM能够较好地模拟出地表特征量的变化趋势. 在LSM模式中青藏高原地区的地表植被类型描述与实况存在较大差异, 根据实际地表特征, 我们定义北麓河地区草原植被覆盖度为0.6, 叶冠高度为0.15, 位移高度为0.10. 通过对比试验发现, 修正模式参数后, 模拟的地面气温和地表温度日变化更接近于观测值, 对温度峰值模拟有较好改善. 地面通量模拟也有一定改善. 所以, 修正LSM模式中高原地区的地表及植被描述参数, 可以有效地提高陆面过程模式在青藏高原地区的模拟性能.     

青藏高原连续多年冻土区的冻结层上水季节动态及其对活动层土壤冻融过程的响应特征

多年冻土地区的地下水系统中的冻结层上水不仅是寒区能水循环中的一个关键组成部分,而且与寒区生态环境变化关系密切,在寒区水文学和寒区陆面过程研究中具有十分重要的作用,但因其动态过程的复杂性和观测研究的诸多困难,尚缺乏对其运动规律、驱动因素与机制的系统认知.在青藏高原连续多年冻土区风火山左冒西孔曲,选择典型高寒草甸坡面,通过2年坡上和坡下不同观测孔地下水动态连续观测,分析了冻结层上水的季节动态变化及其在坡面上的空间分异规律以及活动层的冻融作用对冻结层上水动态变化的影响作用.结果表明,冻结层上水位的季节动态变化具有与活动层土壤温度和水分相似的冻融过程,活动层土壤温度控制了冻结层上水季节动态格局,深层(60 cm以下)土壤水分和不同地带地下水补给来源决定了冻结层上水水位动态变化的位相和幅度.地温与水位动态之间具有显著的Boltzmann函数关系,但在不同活动层深度与不同坡面位置,土壤温度对地下水位动态影响的阈值范围不同,坡面上冻结层上水位动态具有显著的空间变异性.地表覆盖变化和气候变暖将必然引起冻结层上水动态、地下水与河水间水力关系的变化,从而引起流域整体水文过程的改变.     

鄱阳湖湿地典型植被群落地下水—土壤—植被—大气系统界面水分通量及水源组成

地下水-土壤-植被-大气系统(GSPAC)界面水分传输是湿地生态水文过程研究的关键.本文选取鄱阳湖湿地高位滩地的2种典型植被群落:茵陈蒿(Artemisia capillaris)和芦苇(Phragmites australis)群落为研究对象,运用HYDRUS-1D垂向一维数值模拟,量化了湿地GSPAC系统界面水分通量,阐明了典型丰水年(2012年)和枯水年(2013年)鄱阳湖湿地植被群落的蒸腾用水规律和水源组成.结果表明:(1)茵陈蒿和芦苇群落土壤-大气界面的年降水入渗量为1570~1600 mm,主要集中在雨季4-6月,占年总量的60%;植物-大气界面的年蒸腾总量分别为346~470 mm和926~1057 mm,其中7-8月植被生长旺季最大,占年总量的40%~46%;地下水-根区土壤界面的向上补给水量受不同水文年水位变化的影响显著,地下水年补给量分别为15~513 mm和277~616 mm,主要发生在蒸散发作用强烈和地下水埋深较浅的时段.(2)植被蒸腾用水分为生长初期(4-6月)和生长旺季(7-10月)2个阶段,丰水年植被的整个生长期蒸腾用水充足,枯水年植被生长旺季的蒸腾用水受到严重水分胁迫,实际蒸腾量仅为潜在蒸腾量的一半左右.(3)不同水文年湿地植被生长旺季的水源贡献不同:丰水年茵陈蒿群落以地下水补给为主,芦苇群落以湖水和地下水补给为主;枯水年茵陈蒿群落以降水和前期土壤水储量为主,芦苇群落以地下水补给为主.本研究结果有助于揭示湿地植被的水分利用策略,为阐明湖泊水情变化与植被演替的作用机理提供参考依据.     

考虑次网格变异性和土壤冻融过程的土壤湿度同化方案

集合Kalman滤波以其简单有效的特点在陆面数据同化中广泛应用,通常作为预报模型的陆面过程模式往往要考虑模式次网格变异性和土壤冻融过程,若对此不加考虑而直接对土壤湿度进行同化可能会使得同化结果发生偏差．将双集合Kalman滤波应用于土壤湿度的同化,基于NCAR／CLM陆面过程模式建立了一个考虑次网格变异性和土壤冻融过程的土壤湿度同化方案：在同一个时间步内用状态滤波对模式网格内某片上液态水分含量进行优化,用参数滤波对该片上的固态水分含量和其他片上的液态／固态水分含量进行优化,由此考虑模式次网格变异性和土壤冻融过程的影响,从而实现对整个模式网格上土壤湿度的同化．初步的同化试验表明：其同化效果在有、无土壤冻融阶段都优于一般的不考虑次网格变异性和土壤冻融变化的同化方案;该同化方案不仅能够提高那些有直接观测信息的土壤层的土壤湿度模拟精度,还能在一定程度上改善那些没有任何观测信息的土壤层的模拟效果;另外,土壤湿度同化结果的改善还能在一定程度上提高陆面模式对于土壤温度的模拟精度．     

基于残差重采样粒子滤波的土壤水分估算和水力参数同步优化

陆面数据同化由于能将观测数据和模型模拟有机结合,已逐步发展为地球科学研究的重要方法之一.通过数据同化方法在模型中不断融入新的观测数据,一方面可以有效地校正陆面过程模型的预测轨迹,提高模型状态变量的估算精度,另一方面可以不断减小模型中的不确定因素,优化模型中的相关参数.在众多数据同化算法中,粒子滤波算法不受模型线性和误差高斯分布假设的约束,适用于任意非线性非高斯动态系统,逐渐成为当前数据同化算法研究的热点.本研究基于残差重采样粒子滤波算法发展了一个数据同化方案,将微波亮温数据同化到大尺度半分布式VIC(Variable Infiltration Capacity)陆面水文模型中,对土壤水分进行估算,并对模型中的三个水力参数进行同步优化.最后设计了一系列对比实验并利用美国亚利桑那州在SMEX04(Soil Moisture Experiment 2004)期间获取的一套完整的实验数据对该同化方案进行了验证.结果表明,该同化方案能够大幅度提高土壤水分估算精度,同时模型中的三个水力参数也得到了较好的优化,从而证明了该数据同化方案的有效性.