多层土壤温度模拟及其检验

对陆面过程模式(BATS)土壤温度模拟进行了改进,提出了一个利用气象站资料模拟土壤温度的模式。研究结果表明：采用热扩散方程模拟多层土壤温度,可与观测站的资料直接比较;模式能很好地模拟各层土壤温度的年变化、季变化、日变化。冬季下层土壤温度高于上层土壤温度,夏季上层土壤温度高于下层土壤温度,上下层温度的转换时间大约在3月份和10月份,这与实测土壤温度的年变化非常一致;模式较准确地模拟了各层土壤温度垂直方向变化的时滞效应。     

CoLM模式在西北干旱区和青藏高原区的适用性研究

运用CoLM(CLM3.0)模式对典型干旱区(张掖站)和青藏高原区(安多站、MS3478站)进行了off-line验证试验,检验了CoLM模式在典型干旱区和青藏高原区的性能。结果表明:CoLM模式对典型干旱区绿洲灌溉农业的陆面过程模拟较好,土壤各层温度的日变化趋势和季节变化趋势都能较准确地模拟出来,模拟的地表温度与观测值相关系数为0.885,均方差为0.873;模拟的5 cm土壤温度值与实测值的相关系数为0.944,均方差为0.891。在高原地区能量平衡分量的模拟中,净辐射、感热模拟效果较好,潜热分量模拟值偏大,故将CoLM模式用于高原地区还有待进一步改进。     

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。     

不同陆面过程模式对半干旱区通榆站模拟性能的检验与对比

随着全球气候变化和伴随而来的日益严重的干旱化问题,干旱/半干旱地区的陆气相互作用引起了越来越多的重视。利用国际协同强化观测期(CEOP)观测资料对3个不同的陆面过程模式BATS、LSM和CoLM在半干旱区通榆站进行了模拟检验与对比,考察了不同陆面过程模式对半干旱地区的模拟性能。结果表明,3个模式都可以较好地模拟出半干旱地区地气间的能量通量的季节和日变化,但模拟性能存在较大差异。对于地表温度和出射长波辐射的模拟,BATS表现最优;而对于感热和潜热通量的模拟,CoLM和LSM要好于BATS,其中CoLM的表现最好。各模式的模拟性能随着季节不同存在着很大的差异,夏季的模拟要好于冬季,3个模式都不能很好地模拟冬季该地区的潜热通量,说明对半干旱地区冬季地表过程的刻画还有待进一步提高。     

一种单层城市冠层模式的建立及数值试验研究

本文在引进先进的城市地表能量平衡方案 (Town Energy Balance, 简称TEB) 的基础上建立了一个单层城市冠层模式, 并对南京市典型居民区1 km2范围内的局地尺度地表能量平衡各分量进行离线模拟, 将模拟结果与同期观测值作了比对, 发现: TEB方案对城市地表能量平衡各分量的模拟效果良好, 而该方案的模拟性能受建筑物表面材料反照率取值的影响较大。在离线研究的基础上, 本文又将TEB方案成功耦合到南京大学区域边界层模式 (NJU－RBLM) 中, 作为该模式的地表能量平衡参数化方案之一, 分别选取该边界层模式中原有的地表能量平衡参数化方案SVAT (Soil－Vegetation－Atmosphere－Transfer model) 和新引入的TEB方案对冬夏两季不同个例进行模拟, 以常规近地面气温观测资料和Landsat卫星观测的地表反照率资料对模拟结果进行比较, 结果表明: TEB方案对原大气边界层模式的模拟效果有明显改善, 对近地面热力场的改善效果尤为明显, 可以很好地模拟出城市冠层中的“陷阱效应”。     

对RIEMS模式中陆面过程的一个改进

中尺度区域气候模式RIEMS中陆面过程使用BATS模式,其缺点是土壤内部过程较为简单,本文把10层土壤模式引入BATS,代替原来的二层土壤模式,并采用了TOPMODEL水文模式中的一些处理方法,使土壤温度、水文的计算更为合理,模拟二个个例,每个例均为夏季一个月的模拟,表明在降水、气压场、流场上均较原RIEMS模式为优,因而是对原RIEMS模式一个改进。     

陆面模式SSiB耦合TOPMODEL对流域水文模拟影响的数值试验

为了检验陆面模式SSiB耦合TOPMODEL模型对流域水量平衡模拟结果的影响,用原始SSiB与TOPMODEL按饱和区和非饱和区两种方案耦合的耦合模型(下称SSiBT)进行长江下游青弋江流域水文的数值试验,通过耦合模型与原始SSiB模式模拟结果的比较,并利用流域实测逐日流量和水量平衡资料,揭示了流域水文模拟结果对SSiB耦合TOPMODEL的响应和原因.结果表明:(1)与原始SSiB的模拟结果相比,SSiBT增加了土壤湿度的模拟结果和各层土壤湿度之间的差异,流域蒸散发增加而总径流减小.(2)原始SSiB不能准确地将径流在地表径流和基流之间分配,对于较小的土壤饱和导水率,原始SSiB产生过多的地表径流和洪峰流量;对于较大的土壤饱和导水率又产生过多的基流和明显偏小的洪峰流量.(3)即使土壤饱和导水率大到不会产生超渗产流,由于饱和区的存在,SSiBT在洪水期间也能产生足够大的地表径流,从而形成洪峰流量.由于考虑了地形引起的土壤湿度空间非均匀形成的饱和区产流,SSiBT改善了雨季逐日流量的模拟结果.     

区域气候模式中径流计算方案的数值试验

采用由曼宁方程推导而来的动力波方程来改进陆面模式BATS中的径流计算方案，并将改进径流方案后的BA偈模式应用到区域气候模式RegCM2中。利用1998年6—8月T106资料做边界场，对改进后的区域气候模式在中国东部地区进行检验。模拟结果表明，改进后的方案在夏季6—8月内模拟的径流值达到80—500mm左右，较原方案模拟的径流量（30—80mm）更加接近径流实况（50—500mm），体现了径流的大尺度平流效应。取单站（武汉）的模拟结果与原模式进行比较，发现模拟场的平均气温与实况场的误差较原模式减小了0．66℃，几次明显的降水过程也有很好的模拟。文中还分析了气温、降水、土壤含水量、蒸发等量的模拟情况。     

区域气候模式(RegCM2)与水文模式耦合的数值试验

建立不均匀的地表径流算法，修改RegCM2的径流方案，设计了一个适合与气候模式RegCM2耦合、能模拟水文站流量的汇流模式，模拟了1998年6、7、8月降水的空间分布，分析了该径流方案对降水、地表热量通量、地表径流、土壤湿度产生的影响。结果表明：（1）该方案在模拟1998年长江流域降水空间分布上有一定的合理性，在一定程度上改善了降水量的模拟，其影响大致是总降水量的10％；（2）地表径流方案改变了地面向大气输送的热量通量，这种作用随时间发生变化，这种变化与地表水分的再分配有关；（3）本方案计算的土壤渗透率较强，在暴雨初期，产生径流较少，而在暴雨后期土壤湿度增大，产生的地表径流较大，这一点更符合洪水形成的特点；（4）水文一气候耦合模式模拟了两个长江水文站的流量，模拟值基本反映了实测值的变化趋势，也表明耦合模式基本能反映1998年夏季长江流域大暴雨期间的地表水文过程。     

一种陆面过程模式对径流的模拟研究

径流在陆面模式水量平衡计算中占有重要地位,它不但与土壤水的动态变化有关,而且会影响感热、潜热等其他通量的计算结果.作者针对陆面过程模式AVIM(Atmosphere VegetationInteraction Model)对产流描述的不足,改进模式中对径流的参数化方法.并将改进后的模式用于内蒙古的锡林河流域,以检验模式对径流的模拟能力.1991～1994年的径流模拟结果表明,改进后的模式对径流的模拟有较好的改善.     

The coupling of the Common Land Model (CLM0) to a regional climate model (RegCM)

Summary We replace the existing land surface parameterization scheme, the Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme (BATS), in a regional climate model (RegCM) with the newly developed Common Land Model (CLM0). The main improvements of CLM0 include a detailed 10-layer soil model, the distinction between soil ice and water phases, a linked photosynthesis-stomatal conductance model, a multilayer snow model, and an improved runoff parameterization. We compare the performance of CLM0 and BATS as coupled to the RegCM in a one year simulation over East Asia. We find that the RegCM/CLM0 improves the winter cold bias present in the RegCM/BATS simulation. With respect to the surface energy balance, lower CLM0 albedos allow the absorption of more solar radiation at the surface. CLM0 tends to simulate higher sensible heat and lower latent heat fluxes than its BATS counterpart. The surface water balance also changes considerably between the two land surface schemes. Compared to BATS, CLM0 precipitation is reduced overall and surface runoff is increased, thereby allowing less water to enter the soil column. Evapotranspiration is lower in CLM0 due to lower ground evaporation, which leads to a wetter surface soil in CLM0 in spite of less precipitation input. However, transpiration is greater in CLM0 than BATS, which has an overall effect of less surface storage during the summertime. Comparison with station observations indicates that CLM0 tends to improve the simulation of root zone soil water content compared to BATS. Another pronounced difference between the two schemes is that CLM0 produces lower snow amounts than BATS because of different snow models and warmer CLM0 temperatures. In this case, BATS snow cover amounts are more in line with observations. Overall, except for the snow amounts, CLM0 appears to improve the RegCM simulation of the surface energy and water budgets compared to BATS.     

全球变化下澜沧江-湄公河流域水量平衡模拟

流域水文模型是区域水资源评价的重要工具,基于普林斯顿全球气象驱动数据集和澜沧江-湄公河流域（简称：澜湄流域）八个水文站实测资料,分析了澜湄流域不同区间的水文特性,采用RCCC-WBM模型（Water Balance Model developed by Research Center for Climate Change,RCCC-WBM）开展了区间径流及水量平衡模拟研究。结果表明：1）澜湄流域不同区间气候水文差异显著,上游气温低且年内变幅大,下游气温高年内变幅小;尽管不同区间降水、径流的年内分配特征总体一致,但径流的年内分布峰值大多滞后降水峰值一个时段。2）RCCC-WBM模型能够较好地模拟出澜湄流域不同区间的径流过程,率定期和验证期的月径流模拟效率系数（Nash-Sutcliffe Efficiency,NSE）均在60%以上,总量模拟误差（Relative Error,RE）也均控制在±10%以内,模型具有较好的区域适应性。3）模拟的土壤含水量都具有先衰减后增加再衰减的年内分配特征;不同季节径流和蒸发耗散的水源不同,降水是汛期水分耗散的主要来源,而土壤含水量是非汛期径流和蒸发消耗的主要水源。     

陆面过程模型CoLM与区域气候模式RegCM3的耦合及初步评估

陆面过程通过影响陆面和大气之间物质（如,水分）和能量的交换影响气候, 其参数化方案对数值天气预报、全球及区域气候模拟有重要影响。本研究利用对生物物理、生物化学过程考虑更全面的陆面模式Common Land Model(CoLM) 替代区域气候模式RegCM3原有的陆面模式BATS, 发展了耦合区域气候模式C－RegCM3; 将其应用于东亚地区典型洪涝年份夏季气候模拟以进行评估, 结果表明新耦合的模式C－RegCM3能合理模拟大尺度环流场、近地表气温和降水的分布特征, 对西北半干旱地区降水模拟比RegCM3有所改进。通过利用区域气候模式C－RegCM3及RegCM3对地表能量和水文过程模拟结果的比较, 发现在半干旱、半湿润过渡区C－RegCM3模拟的潜热增大、感热减小; 模拟的地表吸收太阳辐射差异较明显的地区位于模式模拟的主要雨区; C-RegCM3在上述过渡区模拟的夏季地表土壤湿度比RegCM3偏干, 这与它在过渡区降水模拟偏少、蒸散发模拟偏大相对应, 体现了该模式在半干旱、半湿润过渡带模拟出比RegCM3更明显的局地土壤湿度－降水－蒸散发之间的正反馈作用。     

土壤湿度年际异常对中国春、夏季气候模拟的影响

基于NCAR大气模式CAM3.1模式,设计了有、无土壤湿度年际异常两组试验对中国区域近40a(1961-2000年)气候进行了模拟。从气候态和年际变率的角度,通过分析两组试验的差值场来探讨土壤湿度年际异常对气候模拟的影响,并初步探讨了影响的可能机制。结果表明:模式模拟的温度和降水对土壤湿度的年际异常非常敏感,土壤湿度的年际变化对中国春夏季气候及其年际变率均有显著影响。当不考虑土壤湿度年际异常时,模式模拟的春夏季平均温度、最高温度、最低温度在我国大范围内降低,春夏季降水在东部大部分地区明显减少,西部增加。而模式模拟的春夏季温度、降水年际变率在中国大部分地区减弱。但当考虑土壤湿度的年际变化,则能在一定程度上提高模式对气候年际变率的模拟能力。在进一步分析表明土壤湿度年际异常时,主要通过改变地表能量通量和环流场,对温度、降水产生影响。当不考虑土壤湿度年际异常时,地表净辐射通量减少,地表温度降低,感热通量减少。感热通量差值场的空间变化和温度差值场的空间变化一致,感热通量对温度有一定影响。而潜热通量差值场的空间变化和降水的差值场的空间变化一致,可见降水受地表潜热通量的影响。土壤湿度年际异常引起的环流场的变化也是导致气候变化的原因之一,地表能量和环流场年际变率的改变对春夏季气候年际变率存在一定影响。     

10层陆面过程模式及其Offline独立试验

利用西伯利亚地区的一个试验点资料和1998年中国淮河流域试验（HUBEX）的加密观测资料，对一个新发展的陆面过程模式进行了模拟检验。西伯利亚地区的单点试验表明，不同时间间隔的边界强迫对地表吸收的净短波辐射和释放的潜热影响较大。淮河流域的模拟结果表明，模式能够较好地模拟出我国夏季半湿润地区陆面特征量的变化趋势。由于模式模拟的地温偏低、净短波辐射偏小。所以模拟的感热和潜热值偏小。对该模式在淮河流域的植被、土壤等参数的合理选取可能会提高模式的模拟效果。     

Modeling the hydroclimatology of the midwestern United States. Part 1: current climate

An ensemble of six 22-year numerical experiments was conducted to evaluate the ability of Regional Climate Model version 3 (RegCM3) to simulate the energy and water budgets of the midwestern United States. RegCM3 was run using two surface physics schemes: Integrated Biosphere Simulator (IBIS) and Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme 1e (BATS1e), and two convective closure assumptions: Fritsch & Chappell (FC80) and Arakawa & Schubert (AS74). Boundary conditions were provided by the National Centers for Environmental Prediction-Department of Energy Reanalysis 2 dataset and the ECHAM5 general circulation model. A companion paper examines the American Midwest under future climate scenarios. Overall, the model that reproduces the observed seasonal cycles of the midwestern United States climate system best is RegCM3 using IBIS and the AS74 convective closure assumption. IBIS simulates shortwave radiation more accurately, while BATS1e simulates longwave radiation more accurately. Summer two-meter air temperature is overestimated by the combination of IBIS and the FC80 convective closure assumption. All models contain a wet bias and overestimate evapotranspiration during the spring. Total runoff, surface runoff, groundwater runoff, and root zone soil moisture are best simulated by RegCM3 using IBIS and the AS74 convective closure assumption. While BATS1e does capture the seasonal cycle of total runoff, gross errors in the partitioning of total runoff between surface runoff and groundwater runoff exist. The seasonal cycle of root zone soil moisture simulated by RegCM3 using IBIS and the AS74 convective closure assumption is dry, but agrees with observations during the summer. The rest of the models underestimate root zone soil moisture.     

Customization of regional climate model (RegCM4) over Indian region

The regional climate model (RegCM4) is customized for 10-year climate simulation over Indian region through sensitivity studies on cumulus convection and land surface parameterization schemes. The model is configured over 30° E–120° E and 15° S–45° N at 30-km horizontal resolution with 23 vertical levels. Six 10-year (1991–2000) simulations are conducted with the combinations of two land surface schemes (BATS, CLM3.5) and three cumulus convection schemes (Kuo, Grell, MIT). The simulated annual and seasonal climatology of surface temperature and precipitation are compared with CRU observations. The interannual variability of these two parameters is also analyzed. The results indicate that the model simulated climatology is sensitive to the convection as well as land surface parameterization. The analysis of surface temperature (precipitation) climatology indicates that the model with CLM produces warmer (dryer) climatology, particularly over India. The warmer (dryer) climatology is due to the higher sensible heat flux (lower evapotranspiration) in CLM. The model with MIT convection scheme simulated wetter and warmer climatology (higher precipitation and temperature) with smaller Bowen ratio over southern India compared to that with the Grell and Kuo schemes. This indicates that a land surface scheme produces warmer but drier climatology with sensible heating contributing to warming where as a convection scheme warmer but wetter climatology with latent heat contributing to warming. The climatology of surface temperature over India is better simulated by the model with BATS land surface model in combination with MIT convection scheme while the precipitation climatology is better simulated with BATS land surface model in combination with Grell convection scheme. Overall, the modeling system with the combination of Grell convection and BATS land surface scheme provides better climate simulation over the Indian region.