三江平原土壤湿度记忆性及其与水热气候条件的关系

利用1982—2020年三江平原19个国家气象观测站土壤湿度及同期降水、气温数据, 基于相关系数和自相关系数统计方法, 分析了黑龙江省三江平原土壤湿度记忆性及与降水、气温之间的关系。结果表明: 春、夏季三江平原土壤湿度记忆时间均在10—40 d, 各层土壤湿度记忆性的空间分布以中间层(10—20 cm)土壤湿度平均记忆时间最长, 呈上下层递减的趋势; 春季三江平原10—20 cm土层土壤湿度的记忆时长平均20 d, 夏季平均17 d; 夏季土壤湿度记忆性强度大于春季, 空间分布以三江平原西部的记忆性较强, 随着土层的增加土壤湿度记忆性有增大的趋势。降水是三江平原土壤湿度主要来源, 受降水和气温协同作用的影响, 夏、秋季土壤湿度与同期降水量、温湿指数均存在显著的正相关关系; 春季土壤湿度与前期秋冬季降水亦呈显著正相关, 与前期温湿指数呈负相关, 前期秋冬季气温的升高会促进土壤的融冻, 从而使当年春季土壤水分增加。     

土壤湿度初始异常对东亚区域气候模拟影响的敏感性试验

利用耦合了CLM3.5陆面模式的区域气候模式RegCM4.0,通过敏感性试验,探讨了人为减小春季初始土壤体积水含量对短期时间尺度东亚夏季气候模拟的可能影响。结果表明:较低的初始土壤湿度场能够明显改变区域的地表能量平衡,引起地表净长波辐射和感热通量的显著增加,进而加强了地表对大气的加热,因而引起东亚大范围地区特别是中国东部、印度北部和中亚地区地表温度、气温的升高。与气温不同,初始土壤湿度场对降水的影响很小而且有较大的不确定性,同时偏暖的下垫面使得对流层中高层出现暖高压异常,但这些影响均不显著。综合来看,土壤湿度初始场的初始异常,对RegCM4.0 模式东亚气候模拟的结果有一定影响,特别是在地表温度、气温和能量平衡方面,应在以后的模拟中加以考虑。     

植被覆盖异常变化影响陆面状况的数值模拟

利用NCAR最新的公用陆面模式CLM3．0，通过数值模拟初步研究了植被叶面积指数（LAI，leafareaindex）异常变化对陆面状况的可能影响，结果表明，植被LAI的异常变化能够引起地表能量平衡、地表水循环等陆面状况的异常。（1）植被LAI的异常变化主要影响太阳辐射在植被与地表之间的分配，以及地表的感热、潜热通量。植被LAI增大，能够引起植被吸收的太阳辐射增加，而到达土壤表面的太阳辐射减小，并导致植被的蒸发、蒸腾潜热通量增加，造成地表的蒸发潜热和感热通量不同程度的减小。（2）植被LAI增大时，植被对降水的拦截和植被叶面的蒸发增大，植被的蒸腾作用也明显增强；植被LAI增加会使得热带地区各个季节的土壤表面蒸发、地表径流减小，而土壤湿度有所增加；LAI增加造成中高纬度地区土壤蒸发的减少主要出现在夏季；LAI增加还能够引起中高纬地区冬、春积雪深度不同程度的增加，造成春末、夏初地表径流的增加。（3）植被LAI增加能够使得叶面和土壤温度有所下降，但植被LAI的变化对叶面、土壤温度的影响相对较小。     

陆面过程模式CLM4.5在半干旱区退化草原站的模拟性能评估

利用国际协同强化观测期(CEOP)在中国半干旱区退化草地站——通榆站的观测资料,对一个较为完善的陆面过程模式NCAR_CLM4.5(Community Land Model 4.5)的模拟性能进行检验。模拟结果与观测资料的对比表明,CLM4.5能很好地模拟出观测站点的辐射通量、水热交换、土壤温湿的空间分布和时间变化特征。但地表吸收的辐射模拟值略低,土壤湿度偏低,地表吸收的辐射及土壤温度等日变化略大;大气强迫变量处于某些特定的形势下时,模拟存在较大误差,如8月底的模拟。此外,冬季辐射通量、水热交换以及土壤温湿的模拟均存在较大误差,说明CLM4.5模式在冬季地表物理过程的参数化方案上需要进一步改进。     

CLM4.5模式对青藏高原土壤湿度的数值模拟及评估

本文利用1981～2016年的CRUNCEP资料（0.5°×0.5°）作为大气驱动数据,驱动CLM4.5（Community Land Model version 4.5）模式模拟了青藏高原地区1981～2016 年的土壤湿度时空变化。将模拟数据与台站观测资料、再分析资料（ERA-Interim和GLDAS-CLM）和微波遥感FY-3B/MWRI土壤湿度资料对比验证,表明了CLM4.5模拟资料可以合理再现青藏高原地区土壤湿度的空间分布和长期变化趋势。而且基于多种卫星遥感资料建立的较高分辨率（0.1°×0.1°）的青藏高原地表数据更加细致地刻画了土壤湿度的空间变化。对比结果表明:CLM4.5模拟土壤湿度与各个台站观测的时空变化一致,各层土壤湿度的模拟和观测均显著相关,且对浅层的模拟优于深层,但模拟结果比台站观测系统性偏大。模拟与再分析资料和微波遥感资料土壤湿度的空间分布具有一致性,均表现为从青藏高原的西北部向东南部逐渐增加的分布特点,三江源湿地和高原东南部为土壤湿度的高值区,柴达木盆地和新疆塔里木盆地的沙漠地区为低值区,土壤湿度由浅层向深层增加。土壤湿度的长期变化趋势基本表现为“变干—变湿”相间的带状分布,不同层次的土壤湿度变化趋势基本一致。模拟资料也合理地再现了夏季土壤湿度逐月的变化:高原西南地区的土壤湿度明显大范围增加,北部的柴达木盆地的干旱范围也明显的向北收缩,高原南部外围土壤湿度也明显增加,CLM4.5模拟土壤湿度比再分析资料和微波遥感资料更加细致地描述了夏季逐月土壤湿度空间分布及其变化特征。     

河西走廊中部干旱区陆面水分和辐射特征研究

利用河西张掖试验站2005年11月—2006年10月的陆面过程观测资料,研究了河西中部干旱区土壤温度、土壤湿度、降水量、地表反照率、地表辐射分量和土壤热通量等物理量的年变化和日变化特征及其影响机制,分析了土壤湿度与降水量的相关关系、地表反照率与降水量及土壤湿度的相关关系。结果表明:干旱荒漠地区土壤温度对太阳加热的响应比较迅速,而且年较差和日较差也比较大。地表层土壤主要受蒸发和降水的影响,土壤湿度变化响应得较快,而深层土壤湿度基本不受地表影响,在冬季土壤湿度变化对降水的响应要滞后1~2个月。降水量与5 cm土壤湿度的相关最好,与深层50cm的土壤湿度相关最差。地表反照率的起伏变化与降水过程对应的比较好,反照率的谷值正好对应降水过程比较集中的时段。地表反照率随土壤湿度的增大是减小的,两者的相关系数达到了0.7346。干旱荒漠区辐射分量年变化幅度普遍比较大,年平均日变化特征表现为非常典型而平滑的日循环形态。土壤冬季向大气输出热量而夏季转变为大气向土壤输入热量,且输入的热量要大于输出。随着季节变化,土壤热通量的日最大值冬季出现最晚、夏季最早,与20 cm土壤温度的变化趋势基本一致。     

利用GLDAS资料分析黄土高原半干旱区土壤湿度对气候变化的响应

利用GLDAS资料分析了1948~2010年黄土高原半干旱区气温、降水和土壤湿度的变化趋势,并重点讨论了气温和降水对土壤湿度的影响和相对贡献。结果表明:近60 a来黄土高原半干旱区整体呈现暖干化趋势,增温速率明显高于全球平均增温速率;不同深度的土壤湿度的长期变化均呈减小趋势,且年际间变化明显。不同深度的土壤湿度和气温呈负相关关系,并随着土壤加深,两者的相关性加强;土壤湿度和降水则呈正相关关系,相关关系最大出现在表层土壤。通过分析气温和降水在不同季节对土壤湿度的相对贡献发现,春季和冬季气温对土壤湿度的相对贡献较降水显著,秋季恰好相反,夏季气温和降水对土壤湿度的相对贡献大小相当。对比不同深度层降水、气温对土壤湿度的相对贡献得出,降水对浅层土壤湿度有显著作用,而气温对深层土壤湿度的作用更明显。     

土壤湿度异常对区域短期气候影响的数值模拟试验

用区域气候模式 (RegCM_NCC) 对江淮流域地区春季初始土壤湿度异常导致的区域气候效应进行了数值模拟分析, 结果表明:土壤湿度异常变化对区域降水的影响非常显著, 土壤湿度的正异常使得异常区域内降水增大, 地面空气增湿、蒸发加大, 与此相应, 地表气温迅速降低, 土壤湿度的负异常有与之相反的结果, 这种区域气候响应是通过改变地表辐射平衡及地-气系统能通量而实现的; 区域土壤湿度异常对短期气候的影响在一个月之内较明显, 它的影响可持续至以后的几个月, 但强度逐渐减弱; 区域土壤湿度异常的气候响应不仅仅局限于异常区域内部, 而且可以通过次级环流影响到其他区域的降水、温度等变化。     

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.     

内蒙古地区极端降水事件分布特征

基于内蒙古地区94个气象站1961—2007年逐日降水量资料,利用累积频率法,分析了极端降水事件变化特征。结果表明：（1）近50年内蒙古地区极端降水事件和极端强降水事件发生的强度和出现的频次均呈现出增多趋势,尤其在1977年降水发生突变之后,增加趋势更为明显。（2）近50年内蒙古地区最长连续无降水日数和最长连续降水日数持续时间缩短,表明连续性干旱和降水的持续性减弱,尤其是进入本世纪后,最长连续无降水日数陡升和最长连续降水日数陡降,气候湿润程度下降,加之全球气候变暖,使内蒙古地区进入本世纪后暖而干的气候特征更为明显,这对农牧业生产和生态环境保护极为不利。（3）内蒙古地区近50年小雨和暴雨日数的减少,降水强度的加大,使全区降水不稳定性增加,降水有极端化发展趋势,尤其是在1987年气温发生突变之后,降水强度变化更大。     

EFFECTS OF SPRING SOIL MOISTURE IN THE INDOCHINA PENINSULA ON SUMMER PRECIPITATION OVER THE SOUTH CHINA SEA AND ITS SURROUNDING AREAS: A SIMULATION STUDY FOR 1999

Using the regional climate model RegCM4.4.5, coupled with the land model CLM4.5, we investigated the effects of springtime soil moisture in the Indochina Peninsula on summer precipitation over the South China Sea and its surrounding areas in 1999. Results have indicated that there exists positive correlation between soil moisture and summer precipitation over the western Pacific Ocean and negative correlation between soil moisture and summer precipitation over the eastern Indian Ocean. Summer precipitation in the South China Sea and its surrounding areas responds to springtime soil moisture in the Indochina Peninsula (the northwest region is critical) because general atmospheric circulation is sensitive to the near-surface thermodynamic state. Increased (decreased) soil moisture would result in decreased (increased) local surface temperatures. Latitudinal, small-scale land–sea thermal differences would then result in northeasterly wind (southwesterly wind) anomalies in the upper layer and southwesterly wind (northeasterly wind) anomalies in the lower layer, which strengthen (weaken) monsoon development. As a result, precipitation would enter the Western Pacific region earlier (later), and water vapor over the eastern Indian Ocean would enter the South China Sea earlier (later), causing a precipitation reduction (increase) in the eastern Indian Ocean and increase (reduction) in the Western Pacific.     

青藏高原及其典型区域土壤湿度的分布和变化特征

基于土壤湿度融合分析产品及气象观测资料,分析了青藏高原及其典型区域的土壤湿度分布特征以及影响因素.结果表明：青藏高原土壤湿度与高原降水季节有较好的对应关系,降水量多的季节对应大的土壤湿度,反之亦然,即夏季土壤湿度最大,春季和秋季次之,冬季最小;高原外围土壤相对较湿,中部较干,夏季土壤高湿度区从藏东南向西北、塔里木盆地向藏东北扩展,冬季土壤高湿度区向藏东南和塔里木盆地收缩;土壤湿度垂直层次呈现出浅层和深层低、中间层高的特点,从浅层到深层土壤湿度的变化幅度逐渐减小;高原典型区域土壤湿度逐日变化规律与高原区域平均的土壤湿度时间演变接近一致,降水量的多少和湿润区、半干旱区土壤湿度高低值有较好的对应关系,湿润区垂直梯度大,干旱区和半干旱区垂直梯度小;蒸发量、风速、气温以及植被状况均会影响到土壤湿度的分布特征.     

陆面模式中土壤湿度影响蒸散参数化方案的评估

本文将四个常见陆面模式CLM3.5（Community Land Model Version 3.5）、Noah_LSM（The Noah Land Surface Model）、VIC（Variable Infiltration Capacity）以及SSiB（The Simplified Simple Biosphere Model）中土壤湿度影响蒸散的参数化方案进行简化,并利用实验观测资料对不同参数化方案进行评估,探究不同陆面模式对土壤湿度与蒸散关系的模拟差异,从而为提高模式的模拟能力提供依据。结果表明,（1）CLM与SSiB中计算土壤湿度影响裸土蒸发的参数化方案较Noah_LSM和VIC更接近真实的物理过程,同时CLM与SSiB模式中土壤湿度对蒸发的影响程度较Noah_LSM和VIC大;而对于下垫面有植被条件下的蒸散而言,CLM中包含了植被光合作用、呼吸作用等生物物理学过程,与实际情况更为接近,并且CLM与SSiB中土壤湿度对植被蒸散的影响程度大于VIC,Noah_LSM最低;（2）根据干旱区、半干旱区、半湿润区以及湿润区各站点的分析可知,CLM、SSiB与Noah_LSM中土壤湿度影响蒸散的参数化方案的拟合效果较VIC好,同时在部分站点CLM与SSiB的参数化方案稍优于Noah_LSM。区域之间比较说明,四个模式对干旱半干旱区的模拟效果明显较半湿润区和湿润区好。     

中国近20 a卫星遥感土壤湿度的季节变化及其验证

分析了欧洲空间局最近基于多颗卫星微波资料研发的ECV土壤湿度产品的季节性干湿变化,并与国家气象局提供的站点资料做了对比验证。研究发现:主动与被动遥感土壤湿度的干湿季节变化在中国东部季风区有显著的不一致性。在中国东部季风区,被动遥感土壤湿度的干湿季变化和站点观测一致,均表现出夏季是干季、冬季是湿季的特征;而主动遥感的数据则存在较大的空间差异,华北地区与被动遥感数据较为一致,华南地区则呈现夏季为湿季、冬季为干季的反位相特征。两者的不一致性说明,针对欧洲空间局开发ECV土壤湿度产品的过程,融合主动遥感和被动遥感资料,研制长序列土壤湿度产品的思路在中国东部季风区不可行。     

Trends and scales of observed soil moisture variations in China

A new soil moisture dataset from direct gravimetric measurements within the top 50-cm soil layers at 178 soil moisture stations in China covering the period 1981-1998 are used to study the long-term and seasonal trends of soil moisture variations, as well as estimate the temporal and spatial scales of soil moisture for different soil layers. Additional datasets of precipitation and temperature difference between land surface and air (TDSA) are analyzed to gain further insight into the changes of soil moisture. There are increasing trends for the top 10 cm, but decreasing trends for the top 50 cm of soil layers in most regions. Trends in precipitation appear to dominantly influence trends in soil moisture in both cases. Seasonal variation of soil moisture is mainly controlled by precipitation and evaporation, and in some regions can be affected by snow cover in winter. Timescales of soil moisture variation are roughly 1-3 months and increase with soil depth. Further influences of TDSA and precipitation on soil moisture in surface layers, rather than in deeper layers, cause this phenomenon. Seasonal variations of temporal scales for soil moisture are region-dependent and consistent in both layer depths. Spatial scales of soil moisture range from 200-600 km, with topography also having an affect on these. Spatial scales of soil moisture in plains are larger than in mountainous areas. In the former, the spatial scale of soil moisture follows the spatial patterns of precipitation and evaporation, whereas in the latter, the spatial scale is controlled by topography.     

ＣＬＭ３０对中国区域陆面过程的模拟试验及评估（Ⅱ）：土壤湿度

利用CLM3.0及普林斯顿大学的全球大气外强迫场资料,对中国地区1948—2001年的土壤湿度进行了off-line模拟,进一步评估了CLM3.0对中国地区土壤湿度的模拟能力。结果表明:模式基本能揭示土壤湿度的空间分布型,即华北干、东北和东南湿二湿一干的分布特征,但模拟值较观测值普遍偏高;就年际变化而言,在5个分区中,云贵地区模拟的年际变化与观测的相关性最好,东北区域次之,模拟的东部中纬度区域的年际变化较差,全区范围内7月的模拟好于4月;模式对于土壤湿度倾向有一定程度的模拟能力,基本能模拟出4月东北东部区域的干化趋势,但模式模拟的变化幅度较观测值偏小很多,其中以黄淮江淮地区模拟的趋势最差。     

The soil moisture of China in a high resolution climate-vegetation model

1. Introduction The soil moisture plays an important role in in- fluencing the climate change by altering the surface albedo, soil heat capacity and the heat flux between air and land (Ma et al., 2001). Near-surface soil mois- ture controls the partitioni…     

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。