一个陆面过程参数化模式与 MM5的耦合

在法国陆面过程模式的基础上,为了表示冠层叶片遮挡对水分蒸发阻抗的影响,在植被覆盖部分引入了遮盖因子,然后将这个修正的陆面过程参数化模式耦合到MM5模式中。耦合后的模式模拟出了因为降水造成土壤湿度变化和植被覆盖动态作用对地面通量的影响,而原MM5模式模拟结果则没有反映上述动态变化对地面通量的作用。原MM5模式和耦合模式模拟了1993年8月17日到20日以内蒙古半干旱草原为中心的中尺度区域的气象场,模拟结果和IMGRASS预观测资料进行了对比,对比说明新的陆面过程模式提高了MM5模式对地面通量和边界层各物理量（风、温、湿）的模拟精度。     

一个简单的陆面过程模式

本模式为针对大气环流模式所发展的一个简单的陆面过程模式，它包含:（1）地表温度计算，（2）冠层叶面贮水量和土壤湿度计算，（3）陆面与大气之间的水分和能量交换。对于表面温度和含水量的计算，采用的是联立求解计算方案，即耦合计算。植被冠层叶面的辐射特性和冠层形态对冠层中的辐射交换的影响得到有效和尽可能简单的模拟。另外，植被的气孔阻抗、表面与大气之间的水热交换通量和土壤中的水热输导作了较为细致的描写。利用此模式开展了对两个不同覆盖类型的陆面过程的模拟，模拟和观测的表面通量、温度和湿度较为相近。     

黄土高原自然植被下垫面陆面过程参数研究

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站的观测资料,分析了黄土高原自然植被下垫面陆面过程相关物理参数.研究了总体输送系数的不同季节平均日变化和频率分布特征,考察了地表粗糙度的变化趋势以及降水的影响.降水正常年份的总体粗糙度为0.009 m,偏干年份总体粗糙度为0.006 m,月平均粗糙度变化与正常年份相比较为平缓,降水通过增加植被覆盖和生长高度,使地表粗糙度增大.对总体输送系数与粗糙度以及总体理查森数的关系分别进行了讨论,在中性层结下黄土高原地区动力输送作用占主导地位,发现动量总体输送系数和奈曼流动沙丘下垫面很接近,而感热输送系数与戈壁下垫面接近.分析了反照率和太阳高度角以及土壤湿度的关系,并拟合得到以这两个物理量为因子的参数化公式.总体上,黄土高原自然植被下垫面的反照率比敦煌荒漠小,而大于长白山松林下垫面,这与3个地区植被覆盖和土壤质地的不同有关.通过对参数化公式模拟效果的检验,发现低太阳高度角下的反照率对土壤湿度和太阳高度角以外的其他因素敏感,而对应高太阳高度角的反照率受土壤湿度和太阳高度角的控制较强.最后,计算了土壤热传导率和热扩散率等土壤热力参数,相同湿度的热传导率比敦煌荒漠要大,并拟合得到热传导率以土壤湿度为自变量的参数化公式.     

藏北高原土壤温、湿度变化在高原干湿季转换中的作用

通过1997年和1999年藏北高原沱沱河观测站土壤温、湿度变化和对应降水变化的分析,表明与高原冻融过程相联系的土壤湿度变化和高原干湿季转换及湿季降水存在联系。土壤融冻引起土壤增湿的时间比高原雨季降水开始的时间约早20天,春季高原土壤温、湿度的增加在高原地表感潜热的变化中有重要贡献。春末夏初高原土壤冻融过程引起的土壤湿度变化,在高原局地尺度的水分循环中为高原湿季开始提供了有利的水汽条件。因此,在青藏高原陆气相互作用过程中,与冻融过程相联系的土壤湿度变化在高原季节转换中是一个不可忽视的因子。     

青藏高原复杂下垫面能量和水分循环季节变化特征分析

为深入认识青藏高原能量和水分循环季节变化,利用GSWP(Global Soil Wetness Project)、GLDAS(Global Land Data Assimilation System)、AMSR-E(Advance Microwave Scanning Radiometer-EOS)土壤湿度以及台站观测资料等多种数据,采用滑动t检验初步分析高原下垫面各物理量季节变化特征。结果表明:各物理量季节变化特征明显且联系密切。高原下垫面净短波辐射和感热通量在1月中旬显著开始增加,5~6月达到全年最高值。净长波辐射5月表现为高值,夏季表现为低值。地表潜热通量在1月显著开始增加,在夏季达到全年最高值。表层土壤3月开始输送热量到大气,9月大气开始向土壤表层传递热量;融雪3~5月加快,雪盖减少。降水和1 cm植被含水量在2月显著开始增加,1 cm土壤显著开始加湿,5~6月降水陡增,1 cm土壤湿度表现为峰值。1 cm植被含水量、植被蒸腾、总蒸散与降水在7~8月达全年最高值,1 cm土壤湿度在7月表出现为谷值,9月达全年第二峰值。10月下垫面温度转冷后,雪盖增加,土壤湿度逐渐减小。     

地表反照率动态参数化对陆-气通量模拟的影响：以东北玉米农田为例

利用考虑了生物因子(叶面积指数)和环境因子(太阳高度角、表层土壤湿度)影响的地表反照率α动态参数化方案对BATS1e模型进行改进,基于2008年玉米农田生态系统的通量、气象及生物因子的连续观测资料,研究α动态参数化对玉米农田生态系统与大气间通量交换的影响.结果表明,引入α动态参数化方案后,模型实现了地表反照率α的日、季动态模拟,模型效率系数提高0.65,误差明显减小,使陆气通量交换热力作用的模拟准确性有所提高,其中,净入射短波辐射模拟改进最为明显,全年改进量为81772 kJ/m2,占年总辐射的1.7％;表层土壤温度的年均改进量为0.62 K,多数月份的改进量在1 K以上.另外,模型改进实现了叶面积指数和植被覆盖度等决定下垫面性质各参数的动态变化,使各种通量交换过程更接近于实际,感热和潜热模拟的模型效率系数分别提高0.516和0.1,模拟值对实测值的解释能力在生长季分别提高6％和9％,大于非生长季.     

陆面参数化方案对两例不同类型暴雨可预报性的影响

以2003年7月3～4日淮河流域平流型暴雨和2003年8月2～3日江西蒸发型暴雨个例为例, 采用模式试验方法, 研究了陆面参数化方案对两种不同类型暴雨的模式可预报性的影响。关闭陆气通量的试验表明, 陆气通量对淮河流域暴雨的贡献很小, 模式预报结果之间的差异较小, 平流型暴雨具有较高的模式可预报性; 而陆气通量对热对流暴雨的贡献很大, 其误差对暴雨的分布和强度影响也较大, 蒸发型暴雨的模式可预报性相对较低。不同陆面过程参数化方案的比较试验表明, 陆气通量误差引起的能量误差仅在特定区域发展。当陆气通量误差超过一定的临界值, 能量误差将在降水区和风速大值区 (急流区) 迅速发展, 能量误差和不稳定能量同源且同时增长。从陆气通量影响天气过程的角度来讲, 模式预报启动时间选择在夜间, 能量误差发展相对缓慢, 可以延长预报时效。     

陆面水文过程研究进展

本文回顾了近年来中国科学院大气物理研究所在陆面水文过程的观测、模式发展以及陆气相互作用研究等方面所取得的重要研究成果。首先概述了近年来在中国区域所开展的陆气相互作用野外观测试验,通过资料分析揭示了国际上现有陆面模式对干旱／半干旱地区陆气相互作用模拟的偏差,指出典型干旱／半干旱区陆面过程参数修正的必要性;随后重点描述了陆面过程模式中积雪覆盖度和冻土参数化方案的发展,中国区域土壤湿度的时空分布特征及其对区域气候的影响,以及中国区域大尺度水文模式的研制和应用等;最后给出了陆面水文过程研究的趋势和发展方向的展望。     

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。     

不同下垫面水分与能量传输模式

首先从简单生物圈模式（Simple Biosphere Model） 的物理模型出发,对其控制方程进行了修改。土壤温度使用求解热传导方程得到,土壤湿度使用了水汽扩散方程、Darcy的水流方程同时求解得到,目的是使简单生物圈模式既能在有植被下垫面使用,又能扩展到考虑水汽运动的沙漠地区使用。为了检验修改后的模式能适用于计算不同下垫面的地气之间水分和能量交换,选择了草原、森林和沙漠三种类型,在4个不同的实验点得到的资料,进行了单点模式（OFF LINE）检验。结果表明,修改后的简单生物圈模式模式可使用于不同下垫面地气之间水分和能量交换,尤其是解决了沙漠地区水热传输的模拟问题。     

初值对中国东部初夏土壤湿度可预报性影响

土壤湿度是影响天气和气候非常重要的因子之一,但目前针对土壤湿度可预报性的研究报道相对较少。该文在对BCC_CSM模式进行了适合的陆面初始化的条件下,设计了两组在中国东部地区采用不同土壤湿度初值的回报试验研究该地区土壤湿度的可预报性及初值对其可预报性影响问题。试验结果表明:BCC_CSM模式在真实的外场强迫下可以模拟出相对合理的土壤湿度;土壤湿度的可预报性在表层约为3候,随着深度的增加,土壤湿度的可预报性持续时间增加,在中层预报性甚至能达到月尺度以上;初值对于土壤湿度的预报存在影响,在表层影响时间约为2~3候,影响时间随着深度增加;浅层土壤湿度受降水的影响较大,浅层土壤湿度变化滞后降水变化约1~2 d,中层土壤湿度变化与降水变化存在5 d左右的滞后关系。     

基于MODIS的广东省植被指数序列构建与应用

植被指数是衡量植被长势的重要指标,植被指数序列有助于准确地认知植被覆盖、土地利用和土壤水分的时空变化规律,以及进行干旱和植被生长监测.利用2004-2006年的MODIS数据,选择RVI、NDVI和EVI三种植被指数,采用最大值合成法进行广东省植被指数序列构建.按照不同植被覆盖对三种植被指数的年际变化规律进行分析,并通过NDVI进行植被覆盖度计算以及植被覆盖等级分类来分析植被的空间分布.结果表明,建立的植被指数序列能真实地反映植被生长规律,植被覆盖度和广东地区的植被实际分布状况一致.说明建立植被指数序列是动态监测广东省植被长势的及植被环境的变化的有效方法.     

Simulating evapotranspiration in a semi-arid environment

Summary In this work, simulations with the mesoscale meteorological model FOOT3DK for a semi-arid research site in southern morocco are presented. The main aim of this study is to introduce two different ways to improve the soil moisture distribution towards a more realistic pattern. One of them resembles the availability of groundwater resources below the lower boundary of the soil part of the model, the other one resembles irrigation practices in the region. Additionally, we introduce a newly derived land use/land cover data set obtained from analysis of LANDSAT data and compare the simulation results to those obtained with the USGS GLCC data. To evaluate the results with the refinements in soil moisture and land use/land cover, we focus on evapotranspiration, as the quantity which is most tentative to the changes in soil moisture and is an important part of the local hydrological cycle. To evaluate the importance of sub-grid scale surface heterogeneity in soil moisture and land use/land cover, we present simulations with enhanced surface resolution. Simulation results are compared to point measurements at different sites in the research area for validation.The results show, that a deep groundwater table and irrigation of parts of the research area can be represented by the methods we used. Simulated transpiration is overestimated compared to measured values, but this is due to the maximum approach used in this work. Finer tuning of the artificial enhancement of soil moisture with the two methods presented here are expected to lead to realistic distributions of evapotranspiration and related quantities, therewith drastically enhancing simulation accuracy for this site. As uncertainties of soil moisture distribution and restricted representation of soil moisture dynamics in meteorological models is a common problem especially for arid and semi-arid sites, we expect our results to be useful for meteorological simulations in other arid or semi-arid areas as well.     

Sensitivity study and validation of a land surface parameterization using the HAPEX-MOBILHY data set

A simple parameterization of land surface processes, amenable to the structure of a two-layer soil model, including a representation of the vegetation, has been designed for use in meteorological models. Prior to implementation in a mesoscale model, it is necessary to check the components and to verify the good working order of the parameterization as a whole. The aims of this paper then are: (i) evaluation and a sensitivity study of the various components of the model, specifying the needed accuracy for the parameters; (ii) micrometeorological validation of the model against the HAPEX-MOBILHY data set.First, we present the basic scheme. The focus is on the parameterization of surface resistance, and especially on its relationship with soil moisture.A sensitivity study is then performed through a set of one-dimensional simulations which allow a full interaction between the ground and the atmosphere. Above bare ground, it is shown that both soil texture and initial moisture greatly influence the outcome of the simulation. Latent heat flux ranges from that associated with potential evaporation through a switch-like behavior to that of dry soil. Next, the effects of transpiring vegetation canopies on the physical processes involved and the surface energy balance are examined. The sensitivity of the latent heat flux to changes in the soil and canopy parameters is emphazised; the major influence of the initial mean soil moisture and of the vegetation cover is pointed out. Finally, the evolution of the boundary layer in response to various surface conditions is studied.A validation of the land surface scheme is conducted through daily cycles during cloudless days. Simulated turbulent fluxes are successfully compared to micrometeorological measurements over a maize field at different growth stages. Over a pine forest, the correct simulation of the turbulent fluxes is obtained with an adequate parameterization of the surface resistance accounting for the atmospheric moisture deficit.     

2001～2010年中国区域土地利用/覆盖变化对陆面过程影响的模拟研究

基于2001年和2010年中分辨率成像光谱仪MODIS（MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer）土地覆盖数据,利用公共陆面模式（Community Land Model, CLM）模拟真实的土地利用/覆盖变化（Land Use/Cover Change, LUCC）对地表能量平衡和水分循环过程的影响。研究表明:1）在2001～2010年,中国LUCC最明显的区域位于干旱半干旱区过渡带、半干旱半湿润区过渡带和南方地区;中国区域荒漠减少0.92%,草地减少0.01%,农田增加0.77%,森林增加2.86%,植被覆盖度整体增加。2）在2001年和2010年两种土地利用/覆盖背景下,LUCC使大部分地区感热通量增加,植被蒸腾、蒸发潜热通量增加,土壤表面蒸发潜热通量减小。3）LUCC使大部分地区地表径流减小;中国西北东部、华北和东北地区土壤湿度减小,其他地区土壤湿度增加,仅干旱半干旱过渡带上的土壤湿度发生了显著变化。4）当典型过渡带区域由荒漠变为草地后,感热通量增加1.11 W m?2,潜热通量增加0.14 W m?2;冠层蒸腾和蒸发分别增加0.039 mm d?1、0.009 mm d?1。土壤湿度平均减小0.01 m3 m?3,且随深度增加变干更明显,这是由于根系吸收了较多深层土壤水分,以满足植被显著增加的蒸腾而产生的结果。当草地变为灌木时,其能量通量和水分循环的变化与上述结果类似。     

利用MODIS卫星资料反演中国地区晴空地表短波反照率及其特征分析

利用MODIS地表双向反照率产品(MOD43B1),结合地表海拔高度和地表覆盖类型资料,计算并分析了中国地区晴空反照率的时空分布,以及地表反照率与地形和地表覆盖的关系.首先,利用改则自动气象站的地基观测对MODIS地表反照率进行了对比验证.验证结果表明卫星观测可以较好地反映反照率随时间的变化,MODIS地表反照率与地表实测反照率符合较好.年平均地表反照率与海拔高度有很好的相关,反照率的高值出现在高海拔山区.冬春季节,我国高海拔山区因积雪覆盖成为反照率的高值区;夏秋季节,地表反照率主要受地表土壤湿度和植被盖度的影响,沙地和沙漠地带反照率最高.最后,计算了中国典型地表类型的反照率随时间的变化,结果表明大部分地表类型的反照率具有较大的时间变化,地表反照率在春秋季节较大,夏季反照率较小.     

陆面生态过程的一维数值模拟

建立了一个研究大气、植被、土壤相互作用的传播模式。模式是由多层大气模式、多层土壤模式和植被模式通过界面上能量、水汽传输平衡方程耦合而成。对植被和土壤的不同性质,进行了一系列的数值试验。结果表明,不同的植被覆盖以及降水等因子会对大气、植被、地表界面上能量、水汽传输以及热状态产生显著的影响。此模式还可以耦合进中尺度模式用以研究非均匀区域陆面过程和大气的相互作用。