基于卫星遥感资料的中国区域土壤湿度EnKF数据同化

土壤湿度在陆气相互作用过程中扮演着重要的角色,是气候、水文、农业、林业等研究中重要的地球物理参数之一.土壤湿度影响地面蒸散,径流、地表反射率、地表发射率以及地表感热和潜热通量,从而对气候有重要影响,它对大气的影响在全球尺度上仅次于海面温度,在陆地尺度其影响甚至超过海面温度.本文介绍了基于EnKF及陆面过程模型的中国区域陆面土壤湿度同化系统（CLSMDAS,China Land Soil Moisture Data Assimilation System）,以及该系统应用于中国区域陆面土壤湿度同化试验的结果.CLSMDAS包括以下几个部分：1）陆面模式采用美国国家大气研究中心NCAR的陆面过程模型Community Land Model Version3.0（简写为CLM3.0）;2）大气驱动场数据中的降水和地面入射太阳辐射数据来自FY2静止气象卫星每小时产品;3）陆面数据同化方法采用EnKF（Ensemble Kalman Filter）同化方法;4）观测数据包括AMSR-E卫星反演土壤湿度产品以及地面土壤湿度观测资料.利用CLSMDAS对2006年6~9月的土壤湿度同化试验结果的分析表明：陆面模式模拟和同化结果都能比较合理地反映出土壤湿度时空分布,同化的土壤湿度分布与2006年8月重庆、四川发生建国以来最严重的夏伏旱有非常好的对应关系,与发生在9月的湖北东部、广西南部等地的干旱区也有非常好的对应关系.     

50°S以南海域的感热潜热通量的模式计算

应用美国宇航局Goddard地球观测系统（GoddardEarthObservingSystem简称GEOS）四维资料同化系统（DataAssimilationSystem简称DAS），计算和分析了50°S以南海域夏季的感热、潜热通量．结果表明，在50°S以南海域潜热通量都为正值，感热通量在大部分海域亦为正值，但在有些海域可出现负值．感热和潜热通量随纬向呈高值区和低值区交替分布，通量低值区与海表温度低值槽区往往相符．     

城市地表潜热通量数值模拟方法研究

近年来,中尺度气象模式中城市建筑物影响的数值模拟方法日趋完善,城市地表潜热通量数值模拟方法是目前城市地气耦合研究面临的瓶颈问题之一.采用北京325 m气象塔140 m高度处的能量平衡观测资料,用陆面-单层城市冠层耦合模式进行了一年连续的离线模拟.根据模式对城市下垫面潜热通量模拟的系统性误差较大的特点,基于观测资料研究了城市下垫面潜热通量的数值模拟方法.采用观测分析与城市陆面模式相结合的方法,求出了城市中绿地的绿洲效应系数、城市不透水下垫面水份有效率的时间变化公式以及人为潜热排放的日变化曲线和四季最大值,可直接应用于城市陆面模式,有效提高了模式的整体模拟性能.该方法对其他城市地区有一定的参考意义.     

我国黄土高原地区陆面能量的空间分布规律及其与气候环境的关系

我国黄土高原地区地处夏季风边缘,分布在气候和生态过渡带,气候环境的空间差异很大,对陆面能量的空间分布格局影响非常显著.然而,由于受该地区陆面过程观测站点较少的局限,对整个黄土高原区域陆面能量的空间分布规律及其影响机制的认识十分有限.在对CLM模式模拟的陆面能量平衡分量资料进行试验验证的基础上,利用CLM模式模拟的近30年黄土高原地区陆面能量平衡分量资料,分析了该地区近30年平均陆面能量平衡分量的空间变化特征以及与最干燥年和最湿润年的差异,研究了陆面能量平衡分量空间分布与经、纬度和海拔高度等地理因素及降水和气温等气候因子之间的关系.发现,黄土高原地区陆面能量平衡分量空间差异非常显著,地表净辐射和感热通量由南至北增加,潜热通量和土壤热通量从东南向西北减少;空间最干格点和最湿格点之间的地表感热、潜热和土壤热通量几乎相差1倍左右,地表能量分配由最干格点的感热通量主导转变为最湿格点的感热和潜热平分秋色;年际干湿波动对地表能量平衡分量的影响也相当显著,对感热和潜热通量的改变幅度最大接近30%.而且,经纬度和海拔高度等地理因素及温度和降水等气候要素均与陆面能量平衡分量空间分布有一定的相关性,但地表净辐射与海拔高度和纬度的关系更密切,感热通量与降水和纬度的关系更密切,而潜热和土壤热通量只与降水的关系比较密切.     

CLM4-LISSS模型对太湖多时间尺度水热通量模拟性能的评估

湖泊模型为数值天气预报模型提供热量通量、水汽通量和动量通量等下边界条件,但是不同时间尺度上湖泊水热通量变化的控制因子不同,因此有必要对湖泊模型进行多时间尺度上的离线评估.本文利用2012-2016年太湖中尺度通量网避风港站的气象资料和辐射数据驱动CLM4-LISSS模型(Community Land Model version 4-Lake,Ice,Snow and Sediment Simulator),并与涡度相关观测(Eddy Covariance,EC)结果进行对比,以年平均潜热通量模拟结果最佳为目标调整了模式中的消光系数、粗糙度长度方案,研究了该模型从半小时到年尺度上对湖表温度和水热通量的模拟性能.结果表明:模型对湖表温度的模拟在各时间尺度上均比较理想,但是模拟的日较差较小;从半小时到年尺度上潜热通量的变化趋势都能被很好地模拟出来,但在季节尺度上,潜热通量的模拟出现了秋冬季偏高、春夏季偏低的情况,季节变化模拟不准确.湖表温度和潜热通量模拟偏差的原因可能是消光系数的参数化方案.相比之下,感热通量尽管年际变化趋势的模拟值与观测值一致,但是从半小时到年尺度均被高估.特别地,冷锋过境期间,模型能较好地模拟出潜热通量和感热通量的变化趋势,但对于高风速条件下的感热通量模拟效果不佳.本文的研究结果能为湖泊模式的应用与发展提供有用信息.     

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.     

关中平原麦田干热风过程陆气交换特征的数值模拟

干热风是常发生在中国北方冬小麦产区的高温、低湿、风速较大,并伴随有强热量交换和水分蒸发过程的农业气象灾害.当其发生时如果不能保证作物水分的供给,将严重影响产量.因此,开展干热风发生机理的准确模拟与预报,对指导采取适时的农田管理措施,保障小麦产量至关重要.本文应用中尺度气象模式WRF(Weather Research and Forecasting)输出结果驱动北京大学陆面模式PKULM(Peking University Land Model)的模拟方法,结合气象台站观测与风云3A卫星遥感反演的叶面积指数数据,对关中平原2008-2013六年间干热风过程中农田生态系统温度、湿度、风速、感热通量、潜热通量等陆气交换特征进行了数值模拟.准确模拟出了干热风发生期间的大气温度、相对湿度、风速、土壤温度、土壤含水量及冠层感热通量、总感热通量、冠层潜热通量和总潜热通量等关键要素特征,揭示了本地区干热风的两种形成机制.模拟结果表明:WRF对干热风过程的温度场、湿度场与风场模拟比较准确,PKULM对于植物在干热风过程中、特别是气孔关闭阶段的感热、潜热通量的模拟明显优于WRF-Noah LSM(Noah Land Surface Model)的模拟效果.模拟结果与相应气象要素的观测值数值接近、变化趋势一致,在实际干热风发生时间段内的各要素模拟值均达到干热风指标,因此使用本模式系统模拟预报干热风灾害是可行的.     

基于微波亮温及集合Kalman滤波的土壤湿度同化方案

基于集合Kalman滤波及SCE-UA(shuffled complex evolution)算法发展了能够直接同化微波亮温的土壤湿度同化方案. 该方案以陆面过程模式CLM 3.0中的土壤水模型作为预报算子, 以辐射传输模型作为观测算子. 整个同化过程分为参数优化和土壤湿度同化两个阶段, 利用SCE-UA算法优化辐射传输模型中难以确定的植被光学厚度参数和地表粗糙度参数, 并利用优化参数作为观测算子的模型参数进行同化. 通过人工理想试验表明该同化方案可以明显改善表层土壤湿度的模拟精度, 并且对深层土壤湿度的模拟也有一定程度的改善; 利用AMSR-E亮温(10.65 GHz垂直极化)所进行的实际同化试验表明顶层(0~10 cm)土壤湿度同化结果与观测的均方根误差(RMSE)由模拟的0.05052减小到0.03355, 相对减小了33.6%, 而较深层(10~50 cm)平均减小了20.9%. 这些同化试验显示该同化方案的合理性.     

沙漠绿洲陆面物理过程和地气相互作用数值模拟

利用一个已发展的陆面物理过程参数化方案与大气边界层数值模式耦合, 模拟了半干旱区沙漠绿洲非均匀下垫面的陆面物理过程及其与大气边界层的相互作用过程, 成功地模拟了局地气候效应和地表温度、净辐射、感热和潜热通量特征并与实测资料进行了比较. 给出“绿洲效应”这一自然现象的垂直剖面上更为清晰准确和细致的结构特征, 结果表明: “绿洲效应”具有明显的“冷岛效应”和“湿岛效应”; 它表现为在绿洲区域比戈壁沙漠区域环境温度低、湿度大、湍流动能输送弱, 具有下沉气流而导致与周围戈壁沙漠区域产生水平输送环流. 这些结果对于深入了解绿洲气候的形成和绿洲的维持机理具有重要的意义.     

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.     

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．     

基于简化参数方法的蒙古干旱区土壤湿度被动微波遥感

卫星被动微波遥感土壤湿度,是准确分析大空间尺度上陆表水分变化信息的有效手段.美国航天局(NASA)发布的基于AMSR-E观测亮温资料的全球土壤湿度反演产品,在蒙古干旱区的实际精度并不令人满意.本文基于对地表微波辐射传输中地表粗糙度和植被层影响的简化处理方法,采用AMSR-E的6.9 GHz,10.7 GHz和18.7 GHz之V极化亮温资料,应用多频率反演算法,并以国际能量和水循环协同观测计划(The Coordinated Energy and Water Cycle Observations Project)即CEOP实验在蒙古国东部荒漠地区的地面实验资料作为先验知识,获取被动微波遥感模型的优化参数,以期获得蒙古干旱区精度更高的土壤湿度遥感估算结果.分析表明,本文方法反演的白天和夜间土壤湿度结果与地面验证值之间的均方根误差(RMSE)接近0.030 cm³/cm³, 证明所用方法在不需要其他辅助资料或参数帮助下,可较精确地反演干旱区表层土壤湿度信息,能够全天候、动态监测大空间尺度的土壤湿度变化,可为干旱区气候变化研究及陆面过程模拟和数据同化研究提供高精度的表层土壤湿度初始场资料.     

城市化对四川盆地夏季气温变化影响的观测和模拟研究

城市化引起的气温上升是土地覆盖变化影响区域气候的重要体现.本文采用“观测资料减去再分析”(Observation Minus Reanalysis,OMR)的方法估计四川盆地和周边地区下垫面城市化改变对夏季地面2 m气温变化趋势的影响.设计了不同城市化下垫面扩展变化的WRF模拟试验,对1998—2012年四川盆地及周边区域夏季逐日平均温度和日最高最低气温进行模拟.在检验模式模拟性能的基础上,利用OMR方法类似的思路定量探讨城市化下垫面对地面气温变化趋势的可能影响.结果显示,(1)基于站点观测资料的OMR分布表明成都、重庆地区的城市下垫面对夏季升温的影响可达0.1℃·a^-1;(2)WRF试验模拟的结果与实际观测接近,能较合理刻画出该地区夏季温度的平均分布及时间变化特征,可以用于该地区城市化区域气候效应的研究;(3)不同城市化进程的模式模拟试验中气温变化趋势的差值与基于站点观测的OMR方法计算得到的结果类似,都证明了重庆和成都的城市下垫面对地面2 m温度的升高具有显著影响,其中在日内低温的表现尤为突出.     

玉米生育期地表能量平衡的多时间尺度特征分析及不平衡原因的探索

能量不闭合是几乎所有地表通量观测研究中存在的问题．在能量平衡估算中,人们往往关注有效能量（感热和潜热之和）系统低于可利用能量（净辐射与土壤热通量之差）的统计结果,而忽视了有效能量大于可利用能量的“过闭合”样本存在及其对整体能量闭合率的贡献．利用2004年华北玉米生育期的观测资料,探讨了能量分量的时间同步性,认为各能量分量与净辐射的时间不同步是导致“过闭合”现象系统出现的原因．将有效能量位相提前半小时与可利用能量进行相关分析,有效减少了能量比率大于1和小于0．5的样本,提高了不同尺度的能量利用率．多种时间尺度的能量分配与转化规律分析显示,潜热在不同时间尺度上都是主要的能量消耗方式,能量闭合差随玉米的生长不断增大,长达7旬的时间超过感热,表明热量储存和光合耗能在玉米生育期能量平衡中具有重要作用．     

TOGA-COARE IOP期间的海气通量观测结果

在TOGA－COAREIOP期间用涡度相关法对海气热通量进行了船载直接观测．对垂直风速、温度和湿度湍流脉动观测数据的谱分析显示它们在高频区基本满足"－2／3次方律"．对船体简谐震荡影响的讨论从理论上证明该影响在热通量计算中可被忽略．根据以此方法得到的通量求出了中性层结条件下感热和潜热的整体输送系数分别为2．25×10（－3）和1．26×10（－3）．对海气边界层特性的分析表明该海域的近海层主要呈中性或弱不稳定层结．海气通量的变化与背景环流形势密切相关,潜热通量主要受海面风场强度的影响,而感热通量变化除了风场的影响外,层结变化也是一个重要因素．用整体输送法计算TOGA－COAREIOP期间以及TOGA期间8个航次的通量结果而得到的Bowen比约为0．1,显示潜热通量是暖池大气的主要热源．     

沙漠绿洲地区夏季地表能量收支的数值模拟

本文在MSPAS(Modified Soil-Plant-Atmosphere Scheme)的基础上,引入了一个有效的晴天大气辐射传输方案,建立了一个能在物理上真实地模拟陆气相互作用及其反馈机制的二维模式MLAIM（Modified Land Atmosphere Interaction Model）.本文利用HEIFE实验的观测资料对MLAIM的模拟结果进行了检验,对其中不合理的部分进行了分析,指出了在干旱半干旱区陆面过程参数修正的必要性,对干旱半干旱区土壤水分传输以及大气近地面层湍流输送的参数化方案进行了改进.改进后的模式能够较好地模拟夏季连续晴天条件下沙漠的地表能量收支,因此,本文利用MLAIM研究了绿洲对其周围沙漠地表能量收支的影响,并对地表能量收支各分量之间的相互作用进行了分析.结果表明,绿洲向其下风向沙漠的水汽输送是导致其上下风向沙漠间地表能量收支差异的最重要的因子.     

陇东黄土高原下垫面不均匀性指标的建立及其对大孔径闪烁仪(LAS)观测感热通量的影响

目前定量研究下垫面不均匀性对大孔径闪烁仪(LAS)、涡动相关仪(ECS)观测感热通量差异的影响还比较少.本文利用黄土高原庆阳观测站2012年6、7月典型晴天两主风向范围E-SE和SW-W的陆面过程数据,在建立了下垫面不均匀性定量化指标的基础上,分析了下垫面不均匀性与地表温度变率的关系及其对LAS、ECS观测感热通量差异的影响.结果表明:庆阳站下垫面不均匀性大小η和地表温度变率г具有很好的相关性,相关系数达到0.566以上,证明了新建立指标的合理性.下垫面不均匀性大小η和LAS、ECS观测的感热通量差异HLAS-HECS具有很好的一致性,相关系数达到0.634.下垫面不均匀性对LAS和ECS的感热通量差异影响显著,下垫面越不均匀LAS和ECS测量的感热通量差异越大.对两主风向分别进行分析,在E-SE风向范围η和HLAS-HECS的相关系数为0.430,HLAS和HEC拟合的线性趋势系数为1.279,在SW-W风向范围η和HLAS-HECS的相关系数为0.680,HLAS和HEC拟合的线性趋势系数为1.297.下垫面不均匀性的影响程度越大,LAS和ECS观测的感热通量差异越大.     

三种下垫面温度及结冰预报模型研究

应用地表热量平衡方程,考虑太阳短波辐射、大气和地面的长波辐射、潜热、感热传输等能量之间的平衡,并考虑水汽、气溶胶、浮尘以及云等对太阳短波辐射的吸收和散射,建立了一种较实用的下垫面温度预报模型.应用湖北省恩施和金沙2009年冬季2月对土壤、水泥、沥青三种不同下垫面温度和自动气象站的常规气象要素观测进行模拟分析,并与该时段...     

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.     

辐射参数化对海南岛海风雷暴结构模拟的影响

本文利用高分辨率WRF模式探讨了两组短波、长波辐射参数化方案(Dudhia+RRTM、RRTMG+RRTMG)对海南岛一次海风雷暴模拟的影响及其可能的物理机制.结果表明,辐射参数化能影响大气的加热程度和近地面能量,决定海陆温差和气压差,改变海南岛的海风特征,最终影响海风雷暴的发生发展.Dudhia+RRTM方案模拟的短波、长波综合加热率、感热通量以及潜热通量都大于RRTMG+RRTMG方案,造成了前者模拟的近地面能量偏高,大气层结也表现得更加不稳定,进而使得该方案下的海陆温差和气压差相对较大,Dudhia+RRTM方案模拟的海风明显强于RRTMG+RRTMG方案,能提供更好的水汽输送和抬升条件,有利于海风雷暴的发生发展,因此其模拟的雷暴活动范围和对流中心强度都要大于RRTMG+RRTMG方案.