三个陆面过程模式在西北半干旱区的模拟性能对比

利用NOAH(The Community Noah Land Surface Model)、SHAW(Simultaneous Heat and Water)和CLM(Community Land Model)3个不同的陆面过程模式及兰州大学(Semi-Arid Climate Observatory and Laboratory,SACOL)2007年的观测资料,对黄土高原半干旱区的陆面过程进行了模拟研究。通过与观测值间的对比,考察不同陆面过程模式在半干旱区的适用性。研究结果表明:3个模式在半干旱区的模拟性能有较大差异。其中,CLM模式模拟的20 cm以上的浅层土壤温度最优,SHAW模式模拟的深层土壤温度最优;SHAW模式模拟的土壤含水量与观测值最为接近,而NOAH和CLM模式模拟值有较大偏差;3个模式均能较好地模拟地表反射辐射,其中SHAW模式模拟值与观测值的偏差最小;对地表长波辐射的模拟,CLM模式的模拟最优;3个模式均能较好地反映感热、潜热通量的变化趋势,其中CLM模式对感热的模拟性能优于其他两个模式,在有降水发生后的湿润条件下,CLM模式对潜热的模拟性能最优,而无降水的干燥条件下,CLM模式的模拟偏差最大,NOAH模式对冬季潜热的模拟最优。总体而言,CLM模式能够更好地再现半干旱区地气之间的相互作用,但模式对土壤含水量及干燥条件下的潜热通量的模拟较差,模式对半干旱区陆气间的水文过程还有待进一步的研究和改进。     

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。     

陆面过程模式TBLSHAW的设计及其在黄土高原地区的模拟研究

为了改善陆面过程模式在半干旱地区的模拟能力,在SHAW(Simultaneous Heat and Water Model)模式和CoLM(Common Land Surface Model)模式参数化方案基础上,结合黄土高原SACOL站(Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University)得到的部分土壤和近地层的研究结果,利用SHAW模式的动力框架,发展了一个新的陆面过程模式TBLSHAW(Two-Big-Leaf-SHAW)。该模式由一层植被、多层土壤和湍流边界层构成。在植被层主要采取双大叶模型计算能量平衡;土壤层利用水热耦合传输模型计算土壤温度和湿度,并包含了冻融、蒸发及降水渗透等物理过程;湍流边界层采取莫宁—奥布霍夫理论计算湍流通量。最后利用SACOL站获取的观测资料,对TBLSHAW模式进行了模拟检验。结果表明,TBLSHAW模式能够合理地模拟半干旱地区各项陆面过程特征的变化趋势;模拟的土壤温度和土壤湿度与观测值的偏差较小,模式效率和相关系数较高;模拟的净短波辐射及向上长波辐射较好;但是模拟的感热通量、潜热通量与观测值偏差较大,这可能与该地区的能量闭合度较低有关,还有待进一步研究。     

青藏高原那曲地区冻融过程的数值模拟研究

利用中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站冻融期(2013年3月1日至6月1日)的气象和土壤观测资料,通过陆面模式Co LM对那曲地区土壤冻融过程进行了数值模拟。模拟结果表明,Co LM模式对土壤温度、感热通量和潜热通量的模拟与观测较吻合,但对土壤湿度的模拟偏差较大,而模式冻融参数化方案的不足是造成这一较大偏差的主要原因。根据热力学平衡下土壤水势与温度之间的关系以及Clapp-Hornberger经验公式对冻融参数化方案进行了优化,优化冻融参数化方案后,模式能够更真实地模拟出土壤冻融过程特征,尤其是对土壤湿度偏低的现象改进较大。     

青藏高原地区不同下垫面陆面过程的数值模拟研究

利用陆面过程模式Common Land Model(CoLM),选取青藏高原上3个不同下垫面观测站(藏东南站、纳木错站和珠峰站)的观测资料,对这3个野外观测站进行了单点数值模拟试验。根据3个测站的试验数据,对模式中土壤孔隙度和饱和导水率进行了优化,针对青藏高原地区土壤层薄的特点,对模式中土壤分层方案进行了调整。结果表明,调整分层方案后的CoLM模式对3个测站土壤湿度的模拟性能较原分层方案有明显提高,平均偏差均减小0.014以上。但是与观测值相比,藏东南站土壤湿度的模拟整体偏低,纳木错站和珠峰站则整体偏高。对土壤温度而言,3个测站模拟与观测的相关系数都达到了0.9以上,珠峰站偏差较大,调整分层方案后模拟的偏差有一定的改进。模式较好地模拟了3个测站的净辐射、感热通量和潜热通量的日变化和季节变化情况,调整分层方案后潜热通量的改进最为明显。     

典型干旱区陆面模式模拟检验

利用2000年9月至2001年8月"我国西北干旱区陆-气相互作用试验(NWC-ALIEX)"敦煌站的陆面过程观测资料,基于已有的参数化结果,模拟了敦煌主要陆面特征。结果表明:典型干旱区敦煌夏季感热通量与潜热通量差异显著,感热几乎是潜热的4倍,冬季二者都很小。模式对地表温度模拟较好,但高估了浅层土壤湿度峰值;对向上辐射模拟较好,但对净辐射的模拟存在较大偏差;同时高估了地表能量的峰值。模式结果表明参数化方案对干旱区陆面过程模式具有一定的改进作用。     

Noah-MP陆面模式对干旱区不同下垫面水热通量模拟评估

陆面水热通量的准确模拟可为气候模式提供高质量的下边界条件，对气候模拟和预测具有重要意义。本研究基于干旱区张掖国家气候观象台2021年1月-2022年6月和大满灌区绿洲农田站2020年1-12月的观测数据，评估Noah-MP模式对干旱区荒漠和农田两种下垫面的水热通量的模拟性能。结果表明：Noah-MP模式模拟的干旱区荒漠下垫面辐射及感热和潜热通量的变化特征、峰谷值与观测值总体一致，模拟效果较好；模拟的5 cm土壤湿度对降水过程有明显的响应，表现出明显的冷暖季差异，但其模拟性能仍有待改进。Noah-MP模式对干旱区农田下垫面辐射通量及各层土壤温度的模拟效果较理想，但模拟的潜热通量及各层土壤湿度较观测值偏低，尤其在生长季模拟性能并不理想。总体而言，Noah-MP模式对干旱区荒漠下垫面水热通量的模拟性能优于农田下垫面，优化和发展模式水文过程的参数化方案，在模式中考虑人为作用，是提高干旱区陆面过程模式模拟能力的重要方向。     

基于陆面模式Noah-MP的不同参数化方案在半干旱区的适用性

针对陆面模式Noah-MP对兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）2009年8月地表热通量模拟值偏差大的问题,通过分析相关物理过程和模拟试验来探究偏差的来源,并确定合适的参数化方案:采用Chen97方案计算感热输送系数可以改善感热通量的模拟;采用Jarvis气孔阻抗方案能增大植被蒸腾,改进模式对潜热通量的模拟效果,同时也使热通量在感热和潜热间的分配比例合理;采用LP92方案可减小土壤蒸发阻抗并有利于土壤蒸发,使得模式对潜热通量的模拟效果变好。不同参数化方案的组合试验表明:同时采用2组或3组新的参数化方案组合可以进一步减小模拟的地表感热和潜热通量的均方根误差,但是土壤湿度和温度的模拟效果并没有同步改善。     

西北干旱区荒漠戈壁陆面过程的数值模拟

首先利用“中国西北干旱区陆 气相互作用试验”2 0 0 0年 5～ 6月在甘肃敦煌进行的陆 气相互作用野外试验的观测资料 ,确定了西北干旱区荒漠戈壁的陆面过程参数 ,并用这些参数改进了已有的陆面过程模式。然后用该陆面过程模式对敦煌陆 气相互作用野外试验荒漠戈壁上的大气感热通量、潜热通量、摩擦速度以及净辐射、地表和土壤温度、土壤水份等重要陆面变量进行了模拟 ,结果表明 ,模拟值与观测值非常接近 ,这说明改进后的模式对干旱区陆面过程有较强的模拟能力     

陆面过程模式CoLM和NCAR_CLM3.0对中国典型森林生态系统陆气相互作用的模拟 I. 不同模式模拟结果的初步分析

CoLM(Common Land Model)和NCAR_CLM3.0(NCAR Community Lanol Model 3.0)是目前国际上广为应用的两个发展比较完善的陆面过程模式.本研究利用中国陆地生态系统通量观测研究网络(Chi-naFLUX)在长白山温带混交林和千烟洲亚热带人工针叶林观测站点的长期连续强化观测资料,对这两个模式在上述地区的模拟性能进行了初步评估.同观测资料的对比表明,两个模式均能较好地模拟出观测站点地表能量和水分平衡的基本特征,其中,CoLM对潜热通量的模拟性能更好.以对潜热通量为期1年的日均值的模拟为例,COLM和CLM3.0在长白山观测站模拟值和观测值时间序列的相关系数分别为0.80和0.65,在千烟洲站分别为0.69和0.64,均通过了0.01的信度检验;两个模式对全年平均的模拟与观测日平均值的比值在长白山分别为1.21和0.86,在千烟洲分别为0.83和0.60.研究结果表明,这两个陆面过程模式可以作为研究这两种典型森林生态系统陆气交换的基本工具.同时,对模式模拟性能差异的深入分析将有助于进一步改进陆面模式的参数化过程,为相关研究奠定更坚实的基础.     

Noah-MP陆面模式在东疆黑戈壁的适用性

新疆东部黑戈壁作为气候恶劣、人迹罕至及黑色砾石下垫面的生态脆弱区,陆面过程参数化方案不易确定。利用东疆哈密戈壁陆气相互作用站观测数据集,开展Noah-MP陆面模式离线模拟试验,找出适合戈壁区域的最佳参数化方案,并给出了土壤湿度对戈壁区域陆气热交换的影响。结果表明：（1）针对感热通量、潜热通量、净辐射通量和土壤地表温度均表现为第二种参数化方案组合的模拟误差最小,模式效率最高。（2）模式针对土壤湿度的模拟效果均不好,模式预报土壤湿度偏干,第七种方案的模式效率指数较高。（3）针对土壤10 cm温度,第一种方案虽预报效率指数最高,但误差达1.2 ℃左右,第二种方案是模拟和实测误差最小的一种方案,模式预报结果比实测低0.4 ℃。综上所述,第二种方案在东疆黑戈壁地区的普适性最高。（4）Noah-MP在RMAPS-CA系统中在线耦合后,2 m温度的预报效果整体要优于离线Noah模式。     

青藏高原夏季土壤有机质及砾石影响水热 传输特性的数值模拟

本文针对青藏高原部分地区土壤有机质和砾石含量较高的特点,在前人工作的基础上,发展了一个新的参数化方案以描述土壤有机质和砾石对土壤导热率、导水率的影响。通过对通用陆面模式CoLM中的土壤水、热参数化方案以及地表蒸发阻抗三方面的逐步改进,对青藏高原藏东南站和纳木错站两种不同下垫面进行单点数值模拟分析。对比原方案与最终优化方案的模拟结果表明:采用新方案的CoLM模式对藏东南站土壤湿度模拟性能明显提高,平均偏差减小到0.04,而对纳木错站浅层20 cm以上土壤湿度的模拟偏差略微增大。新方案在藏东南站对土壤内部温度的模拟改善较为显著,平均偏差减小了0.2℃;而在纳木错站40 cm以上有所改进。新参数化方案较好地模拟了两个观测站表面能量通量的时间变化,纳木错站7、8月份的潜热通量改进尤为明显,比原方案减少大约20 W m-2,与观测结果较为接近。     

三个陆面模式对新疆地区陆面过程模拟的对比研究

利用实测的大气观测数据建立陆面模式驱动场, 分别驱动Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme（BATS）, Land Surface Model（LSM）, Common Land Model（CoLM）三个陆面模式, 对新疆地区99个测站的陆面热力过程进行了off-line模拟研究, 对比分析了三个模式模拟结果的异同, 并利用观测的土壤温度检验了各个模式的模拟性能。结果表明： 三个模式对所吸收的太阳辐射、 地表感热通量、 地表潜热通量和Bowen比的模拟结果有明显差别, 其中CoLM模拟的太阳辐射、 感热通量和土壤温度比BATS和LSM大。用观测的土壤温度对三个模式模拟性能的检验表明 BATS模拟的土壤温度最接近观测值, 大约偏低1℃, 而LSM和CoLM的模拟结果偏高, CoLM模拟的年际变化趋势与观测值相关性达到0.877, 高于另外两个模式的模拟; BATS在天山以北模拟值偏低, CoLM在天山以南模拟结果偏高, LSM模拟的区域分布状况与实际观测最一致。这些结果为研究陆面模式在新疆地区的应用提供了一些参考, 对于深入了解新疆地区的陆面过程具有重要意义。     

考虑碳氮水过程的动态根系方案在陆面模式SSiB4中的应用及效果评估

根系是植被重要组成部分,根系的动态变化可以通过调节根系吸水量改变土壤湿度,进而影响土壤蒸发等物理过程及植被蒸腾、光合作用等生化过程,最终改变生态系统物质循环和水热循环。本研究考虑土壤水分胁迫及土壤养分(氮)胁迫,模拟根系碳量在不同土壤层中的动态分配过程,用根系碳量比例表征根系的动态变化。基于SSiB4模式在亚马逊地区BRSa3站点、中国江西千烟洲CN-Qia站点进行单点模拟试验,研究动态根系方案对土壤湿度及陆气通量模拟结果的影响。结果表明:根系动态分布使更多深层土壤水分被吸收利用,改善了浅层土壤湿度的模拟效果,进而提高二氧化碳通量、感热及潜热通量的模拟精度。其中,BRSa3站点和CN-Qia站点浅层土壤湿度日平均的观测值与模拟值的相关系数分别提高了0.02和0.04,二氧化碳通量的相关系数分别提高了0.76和0.13,均通过99%显著性水平检验;改进了BRSa3站点干旱季和CN-Qia站点夏季碳吸收能力,二氧化碳通量的绝对偏差的改进幅度分别为33%和106%,二氧化碳通量日平均的观测值与模拟值的相关系数,分别提高了0.17和0.26,均通过99%显著性水平检验。总体而言,模拟时间段内各变量都更接近观测值,土壤湿度和二氧化碳通量的改进效果比感热通量和潜热通量的改进效果更加显著,土壤湿度通过土壤物理作用对感热通量和潜热通量的间接影响方式可能是造成差别的原因。各变量在BRSa3站点的改善更明显一些,不同植被覆盖类型的根系深度与结构可能是造成结果差别的主要原因。     

黄河源区土壤湿度时空分布的模拟研究

利用1961-2010年普林斯顿大学每3 h一次、1°×1°的大气强迫场数据驱动公用陆面模式CLM4.0(Common Land Model,version4.0)对黄河源区土壤湿度的时空分布进行了模拟试验,合理优化了CLM 4.0中土壤有机质和土壤质地属性参数,将模拟结果与荷兰自由大学AM SR-E土壤湿度产品进行了对比分析,并利用玛曲土壤湿度观测站点的观测数据对模拟结果进行了验证。结果表明,CLM4.0模式能较好的模拟黄河源区土壤湿度的空间分布及变化趋势,在优化陆面有机质和土壤质地数据参数后,模拟的土壤湿度空间分布更合理,但CLM4.0模拟的土壤湿度比地面观测值和AMSR-E土壤湿度产品的土壤湿度偏低。     

干旱区陆面过程参数改进对气候模拟结果的影响

利用改进的我国西北地区陆面过程参数的大气环流模式CCM3与原CCM3模式分别做了数值模拟并加以对比分析。结果表明,改进后的模式较原模式对东亚季风和西北干旱区降水的模拟能力有一定提高,对西北部分地区感热、潜热通量的模拟有所改进。这说明通过观测改进陆面过程模式的参数是提高CCM3气候模式模拟能力的一种重要途径。     

SHAW模式对青藏高原中部季节冻土区土壤温、湿度的模拟

利用水热耦合模式(Si multaneous Heat and Water,SHAW)及"全球协调加强观测计划之亚澳季风青藏高原试验(CAMP/Tibet)"中那曲地区BJ站2002年8月1日—2003年8月31日的观测资料,对青藏高原中部季节冻土区的土壤温湿特征进行了单点模拟研究。SHAW模式能较好地模拟BJ站不同深度土壤温度,模拟值与观测值的相关系数在0.97以上,平均偏差在1℃以内。随着土壤深度增加,土壤温度的模拟效果变好,100 cm以下土壤温度的观测值和模拟值基本吻合。由于净辐射和土壤热通量在冬、春季的模拟值较观测值略偏大,使得模拟的土壤温度在冬、春季也略微偏大。就模拟结果而言,60 cm以上土壤温度对降雪是比较敏感的。模拟的土壤湿度基本上能够再现土壤未冻水含量随时间的实际变化趋势,除4 cm土壤层外,其他层的模拟值与观测值差异较大。由于影响土壤湿度的因素较多及其本身具有较复杂的相态变化,陆面模式中对其进行合理的参数化仍是难点之一。     

稀疏植被地表反照率日变化对通量模拟效果的影响分析——以内蒙古荒漠草原感热和潜热通量为例

基于Noah陆面过程模式,利用内蒙古荒漠草原陆—气通量长期定位观测资料,模拟了地表反照率日变化对该荒漠草原感热和潜热通量的影响。结果表明,地表反照率的日变化将改善Noah陆面过程模式对内蒙古荒漠草原感热通量的模拟,但对受水分制约的潜热通量的改善效果不明显,表明准确地模拟地表反照率的日变化对模拟稀疏植被的感热通量至关重要。     

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。     

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。