北京郊区草地夏季能量收支平衡的数值模拟

北京郊区地表能量分配可能影响北京地区的天气和气候。为了进一步检验陆面过程模式对北京郊区具有代表性的稀疏草地地表能量分配的模拟能力,利用原版和改进版简化生物圈模式(SiB2,Simple Biosphere Model 2)模拟了2010年7月22日-8月5日期间北京郊区阳坊镇坦克打靶场草地的辐射平衡、能量收支以及地表热通量。并将模拟结果与实际测量的数据进行对比,结果表明:1)原版SiB2低估净辐射11.32%,改进版SiB2则低估净辐射5.81%,主要原因是改进版SiB2更新了土壤热传导率计算方法,从而提高了土壤温度(包括地表温度)模拟结果的精度,进而改善了地表向上的长波辐射模拟结果的准确性;2)改进版SiB2同时改善了感热通量和潜热通量的模拟结果,但是原版SiB2和改进版SiB2均低估了土壤热通量。     

SiB2和SiB3对高寒草甸和茶树地表能量通量模拟的比较

运用简单生物圈模式第2版(SiB2)和第3版(SiB3),分别模拟青藏高原两个观测站(那曲、安多)和长江三角洲苏州东山观测站的近地面能量收支,并与相应观测数据进行比较研究,分析SiB2、SiB3模拟结果和观测资料产生差异的原因,以此来认识上述地区地表能量收支特点。结果表明,SiB2和SiB3模拟的近地面能量通量与观测数据有较好的一致性。对感热通量,那曲和安多站SiB3比SiB2模拟的结果更接近观测资料,但苏州站SiB2模拟的结果与观测资料更吻合;对潜热通量,SiB3比SiB2模拟的日变化与观测资料更一致,SiB3的模拟结果与观测资料(除苏州站外)相关系数都在0.8以上;对地表土壤热通量,SiB2和SiB3模拟结果与观测数据相关系数都在0.8以上;对净辐射通量,SiB2和SiB3模拟结果与观测资料相关系数接近1.0。与SiB2相比,SiB3引用通用陆面模式的土壤描述并增加对冠层空间层温度、湿度和痕量气体的预报,使其能够改善潜热通量和土壤热通量的模拟,但对复杂下垫面的感热和净辐射通量模拟能力提高不明显。     

利用简单生物圈模式SiB2模拟青藏高原地表能量收支

利用简单生物圈模式SiB2模拟了西藏短草大草原安多观测站1998年7月15日至9月10日期间的地表能量分配、 地表有效辐射温度和土壤湿度。季风期, 平均冠层高度和叶面积指数大约分别为0.05 m和0.5。实验地点基本代表了夏季藏北高原大面积特征。所用资料为全球能量与水循环实验GEWEX (Global Energy and Water Cycle Experiment) 亚洲季风实验GAME (Asian Monsoon Experiment) 的西藏观测期间安多观测站微气象实地测量。采用这些资料确定SiB2所需要的参数和初始值后, 由该资料中半小时一次的太阳短波辐射、大气长波辐射、水汽压、气温、水平风速和降水驱动SiB2, 最后将模拟结果与实际测量的湍流通量、 地表温度和土壤湿度进行了对比, 进一步检验SiB2对季风期间青藏高原稀疏草原地表能量分配的模拟能力。对比结果表明: (1) 当模式低估净辐射0.2%时, 模式分别高估感热、 潜热和土壤热通量4%、 13%和8%; (2) 模式得出的地表温度偏高5%; (3) 土壤湿度估计合理。总的来说, SiB2对辐射分量模拟结果的偏差相对较小, 相关程度普遍比感热通量、 潜热通量和土壤热通量的模拟结果高。     

利用生物圈模型 (SiB2) 模拟青藏高原那曲草原近地面层能量收支

模式所需要的参数被合理地设置之后, 根据GAME/ Tibet (GEWEX亚洲季风试验/青藏高原试验) 那曲近地层观测站的资料, 将大气强迫变量代入SiB2(Simple Biosphere model version2), 文章模拟了该观测站地表能量收支。结果表明:SiB2能够较好地模拟青藏高原的能量收支情况, 净辐射、潜热通量和土壤热通量的模拟值和观测值吻合, 它们的相对误差分别为8% (低估)、6% (低估) 和3 %(低估)。同时, SiB2高估感热通量达40%。文章还给出了能量各分量的详细比较分析。     

SiB3对不同下垫面的模拟试验与验证

首先介绍简单生物圈模式版本3(Simple Biosphere Model 3,SiB3)相比SiB2的改进之处以及相应的参数化方案。为了检验SiB3模式能否模拟不同下垫面的地气之间水分和能量交换,本文在全球选择3个代表高、中、低纬度的典型实验站点(青藏高原安多站点、亚马逊流域的Km34站点和美国中西部的WLEF站点),利用SiB3进行模拟分析和实验验证。研究结果表明,SiB3能够较好地模拟出不同下垫面的地表感热通量、潜热通量和净辐射通量随时间的变化率以及变化趋势,模式模拟值和测量值的相关系数达到080左右。但与实测相比,SiB3模拟的感热通量值仍偏高。在安多站点,模式模拟的地表土壤水分比较干燥,且模拟的地表温度较测量值偏高。     

不均匀地表产生的中尺度通量的数值试验

采用北京大学三维的复杂地形中尺度模式,结合陆面过程模式(SiB),模拟了草原和沙漠并存的下垫面的边界层大气运动.利用SiB模式计算了地表辐射、感热、潜热通量,并且预报地表温度.中尺度模式则模拟了沙漠地区受热抬升,形成的辐合运动,垂直速度的分布,不同高度上水平流场的变化以及中尺度动量和热量通量,把中尺度通量跟湍流通量进行了比较,以确定这种中尺度运动在GCM模式的参数化过程中的重要性.试验表明中尺度通量尤其是热量通量要比湍流通量大很多.     

水稻不同生长期稻田能量收支、CO2通量模拟研究

利用国家自然科学基金重大项目“长江三角洲低层大气物理化学过程与生态系统的相互作用”野外观测资料，将1999年常熟稻田水稻四个不同生长期（插秧、拔节、抽穗和成熟）的太阳辐射、水汽压、气温和水平风速及降水作为简化生物圈（SiB2）模式的5个强迫变量，在合理设计模式参数的前提下，分别模拟了上述四个阶段的能量收支、CO₂通量。模拟结果表明:在水稻不同生长阶段的感热、潜热和下垫面热通量占净辐射的比例不同；CO₂通量的模拟结果与1996年国际稻田试验结果相似。该研究为利用自动气象站网的资料估计各站能量收支、CO₂通量、土壤水分平衡、以及土壤温度廓线提供了新证据。     

锡林浩特草原CO2通量特征及其影响因素分析

利用锡林浩特国家气候观象台开路涡度相关系统、辐射土壤观测系统,测得的长期连续通量观测数据,对锡林浩特草原2009—2011年期间的CO₂通量观测特征进行了分析。结果表明:CO₂通量存在明显的年际、季节和日变化特征。3 a中NEE年际变率达到200 g·m^-2,季节变率最大达到460 g·m^-2,日变化幅度生长季最大达到0.25 mg·m^-2·s^-1。通过不同时间尺度碳通量与温度、水分、辐射等环境因子的分析,认为CO₂通量日变化主要受温度和光合有效辐射影响,而季节变化和年变化主要受降水和土壤含水量的影响。降水强度及时间分布是制约牧草CO₂吸收的关键因素,大于15%的土壤含水量有利于促进牧草生长。     

基于卫星遥感的新疆地表太阳总辐射估算

为了实现地表太阳总辐射合理的精细化模拟,本文尝试将天文辐射分布式理论模型和总辐射气候学经验模型相结合,引入重采样后的FY-2G卫星遥感总云量资料,建立了基于卫星遥感数据的地表太阳总辐射估算模型,并以气象站点稀疏的新疆为例,完成年、季地表太阳总辐射的精细化空间模拟,同时对模拟结果进行分析和检验。结果表明:(1)新疆区域年天文辐射量由南向北递减,大致以天山为界,天山以南区域的年天文辐射量高于10 000 MJ·m^-2,天山以北低于9750 MJ·m^-2,三大山脉对天文辐射的影响非常明显;(2)基于条带状重采样后的FY-2G总云量建立的日照百分率模型,其模拟的新疆区域平均绝对误差14.4%,且空间分布更加客观;(3)新疆"单站单月式"地表太阳总辐射气候学估算模型中,相关系数在夏半年较高,冬半年略有下降,且a、b系数的互补关系较为稳定;(4)从地表太阳总辐射检验结果来看,全区地表太阳总辐射的均方根误差年平均3.08 MJ·m^-2,模拟结果夏半年好于冬半年,南疆好于北疆,其中乌鲁木齐误差最大;(5)新疆年地表太阳总辐射整体表现为由西北向东南逐渐增加的空间分布,南疆盆地的总辐射量高于北疆盆地,天山山区西部为低值中心,而春、夏季总辐射由西向东呈经向分布,秋、冬季则呈纬向分布。     

干旱区农田、草地和荒漠下垫面辐射收支平衡的对比分析

主要利用架设在黑河流域中游绿洲和荒漠区的3套自动气象观测系统在2003年9月1日—2004年8月31日的同期观测资料,对比分析了干旱区农田、草地和荒漠生态系统的辐射收支及其变化特征。结果表明:荒漠和草地太阳辐射相差不大,分别为6238.7 MJ.m-2和6135.8 MJ.m-2,农田生态系统为5889.0 MJ.m-2,比荒漠地区小4%。随着植物覆盖度的增大,草地和农田的地面反射逐渐减弱,荒漠地区反射辐射和地表反射率明显高于绿洲地区。大气逆辐射在3个地区相差不大,平均约为280 W.m-2。地表放射辐射和地表有效辐射在不同季节表现出较大的差异性。总体上讲,农田和草地地表有效辐射要低于荒漠,特别是在作物或牧草的主要生长季节。荒漠、草地和农田年总净辐射量分别为1705.8,2150.7和2458.2 MJ.m-2,农田和草地分别高出荒漠44%和26%,农田和荒漠净辐射差值主要由地表有效辐射差异引起。     

Simulation of Non-Homogeneous CO_2 and Its Impact on Regional Temperature in East Asia

Carbon dioxide(CO_2) is an important greenhouse gas that influences regional climate through disturbing the earth's energy balance. The CO_2 concentrations are usually prescribed homogenously in most climate models and the spatiotemporal variations of CO_2 are neglected. To address this issue,a regional climate model(RegCM4) is modified to investigate the non-homogeneous distribution of CO_2 and its effects on regional longwave radiation flux and temperature in East Asia. One-year simulation is performed with prescribed surface CO_2 fluxes that include fossil fuel emission, biomass burning, air-sea exchange, and terrestrial biosphere flux. Two numerical experiments(one using constant prescribed CO_2 concentrations in the radiation scheme and the other using the simulated CO_2 concentrations that are spatially non-homogeneous) are conducted to assess the impact of non-homogeneous CO_2 on the regional longwave radiation flux and temperature. Comparison of CO_2 concentrations from the model with the observations from the GLOBALVIEW-CO_2 network suggests that the model can well capture the spatiotemporal patterns of CO_2 concentrations. Generally, high CO_2 mixing ratios appear in the heavily industrialized eastern China in cold seasons, which probably relates to intensive human activities. The accommodation of non-homogeneous CO_2 concentrations in the radiative transfer scheme leads to an annual mean change of -0.12 W m~(-2) in total sky surface upward longwave flux in East Asia. The experiment with non-homogeneous CO_2 tends to yield a warmer lower troposphere.Surface temperature exhibits a maximum difference in summertime, ranging from -4.18 K to 3.88 K, when compared to its homogeneous counterpart. Our results indicate that the spatial and temporal distributions of CO_2 have a considerable impact on regional longwave radiation flux and temperature, and should be taken into account in future climate modeling.     

Simulation of the Bare Soil Surface Energy Balance at the Tongyu Reference Site in Semiarid Area of North China

The performance of a 1-D soil model in a semiarid area of North China was investigated using observational data from a cropland station at the Tongyu reference site of the Coordinated Enhanced Observing Period (CEOP) during the non-growing period, when the ground surface was covered with bare soil. Comparisons between simulated and observed soil surface energy balance components as well as soil temperatures and water contents were conducted to validate the soil model. Results show that the soil model could produce good simulations of soil surface temperature, net radiation flux and sensible heat flux against observed values with the RMSE of 1.54oC, 7.71 W m-2 and 27.79 W m-2, respectively. The simulated volumetric soil water content is close to the observed values at various depths with the maximal difference between them being 0.03. Simulated latent heat and ground heat fluxes have relatively lower errors in relative to net radiation and sensible heat flux. In conclusion, the soil model has good capacity to simulate the bare soil surface energy balance at the Tongyu cropland station and needs to be further tested in longer period and at more sites in semiarid areas.     

上海城市精细化地表温度分布模拟

本文引入了一种模拟城市复杂下垫面地表温度的方法,该方法基于地表辐射参数化方案（NARP）计算城市净辐射通量,然后利用客观滞后模型OHM计算地表储热通量,再利用强迫恢复法计算表面温度。通过上海地区高分辨率卫星资料获取不同地表类型覆盖比例,以每个格点中各地表覆盖类型所占面积比例为权重计算格点的平均地表温度,并对2013年8月12日上海地区地表温度进行模拟。结果表明：上海城市下垫面与其他类型下垫面相比,地表温度白天升高较快,而夜间下降较慢。模拟结果与MODIS陆面温度及地面观测资料进行比较,模拟的上海地表温度分布结构更精细,与气象站观测值较接近。     

长波区间太阳辐射对气候模拟的影响

长波区间的太阳辐射在气候模式中往往被忽略。利用国家气候中心BCC_AGCM2.0.1大气环流模式,采用矩阵算子辐射传输算法,研究了长波区间太阳辐射对气候模式辐射通量和温度模拟结果的影响。结果表明,以ISCCP和CERES辐射资料为标准,考虑长波区间太阳辐射后,长波区间晴空大气地表向下辐射通量平均误差减小2.05 W/m2,均方根误差减少1.29 W/m2;长波区间晴空大气模式顶向上辐射通量平均误差减小0.70 W/m2,均方根误差减小0.21 W/m2;长波区间有云大气地表向下辐射通量平均误差减小1.38 W/m2,均方根误差减小1.03 W/m2;长波区间有云大气模式顶向上辐射通量平均误差减小0.99 W/m2,均方根误差减小0.30 W/m2。以ECMWF再分析资料为标准,考虑长波区间太阳辐射后,赤道地区上对流层—下平流层区域温度的冷偏差得到改善,对流层顶温度平均误差减小0.27 K,均方根误差减小0.25 K。     

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。     

海-陆-气全球耦合模式能量收支的误差

通过分析GOALS模式两个版本GOALS 1.1和GOALS 2的能量收支 ,并与观测对比 ,结果表明 :模式模拟的地表净短波辐射通量在高纬地区偏低 ,而净长波辐射通量又偏高 ,导致极地表面温度偏低 ,感热通量在高纬地区为很高的负值。而在陆地上感热加热作用显著偏强 ,使地表有较大的向上净能量给大气 ,引起陆地上有些暖中心也偏强 ,这也解释了模式模拟地表面空气温度场的误差原因。海洋上潜热通量偏低 ,特别是在副热带洋面上偏少更明显。陆地上的欧亚和北美大陆大部分地区潜热通量仍偏低。这也是模式降水在大部分地区偏少的重要原因。两模式大气顶OLR偏低的模拟主要是在中低纬度 ,大气顶净短波辐射通量的模拟在中低纬度虽然与NCEP结果接近 ,但与地球辐射收支试验ERBE资料比较仍偏小较多 ,说明改进中低纬度云 辐射参数化方案对改进全球能量收支的模拟有重要意义。GOALS 2模式中诊断云方案模拟的云量除赤道地区外普遍偏小 ,尤以中纬度为甚 ,造成那里能量收支出现大的误差 ,这表明了更好的云参数化方案的引入是今后模式发展的重要任务之一     

青藏高原中部季节冻土区地表能量通量的模拟分析

利用“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日的观测资料作为水热耦合模式(Simultaneous Heat and Water, SHAW)的强迫场,对青藏高原中部季节冻土区地表能量通量特征进行了单点模拟研究。通过对实测值与模拟结果的对比分析,发现SHAW模式能较成功地模拟该地区地表能量通量特征, 短波净辐射和长波净辐射的模拟值与观测值吻合较好, 净辐射和土壤热通量在夏半年的模拟值与观测值也吻合,但相对夏\, 秋季而言,它们在冬\, 春季的模拟值较观测值略偏大。模拟的感热和潜热通量的季节变化比较合理,由模拟的感热和潜热通量计算的Bowen比能较好地解释不同季节太阳辐射的能量转化。     

Simulation of Non-Homogeneous CO<Subscript>2</Subscript> and Its Impact on Regional Temperature in East Asia

Carbon dioxide (CO₂) is an important greenhouse gas that influences regional climate through disturbing the earth’s energy balance. The CO₂ concentrations are usually prescribed homogenously in most climate models and the spatiotemporal variations of CO₂ are neglected. To address this issue, a regional climate model (RegCM4) is modified to investigate the non-homogeneous distribution of CO₂ and its effects on regional longwave radiation flux and temperature in East Asia. One-year simulation is performed with prescribed surface CO₂ fluxes that include fossil fuel emission, biomass burning, air–sea exchange, and terrestrial biosphere flux. Two numerical experiments (one using constant prescribed CO₂ concentrations in the radiation scheme and the other using the simulated CO₂ concentrations that are spatially non-homogeneous) are conducted to assess the impact of non-homogeneous CO₂ on the regional longwave radiation flux and temperature. Comparison of CO₂ concentrations from the model with the observations from the GLOBALVIEW-CO₂ network suggests that the model can well capture the spatiotemporal patterns of CO₂ concentrations. Generally, high CO₂ mixing ratios appear in the heavily industrialized eastern China in cold seasons, which probably relates to intensive human activities. The accommodation of non-homogeneous CO₂ concentrations in the radiative transfer scheme leads to an annual mean change of–0.12 W m^–2 in total sky surface upward longwave flux in East Asia. The experiment with non-homogeneous CO₂ tends to yield a warmer lower troposphere. Surface temperature exhibits a maximum difference in summertime, ranging from–4.18 K to 3.88 K, when compared to its homogeneous counterpart. Our results indicate that the spatial and temporal distributions of CO₂ have a considerable impact on regional longwave radiation flux and temperature, and should be taken into account in future climate modeling.