Ensemble simulation of land evapotranspiration in China based on a multi-forcing and multi-model approach

In order to reduce the uncertainty of offline land surface model(LSM) simulations of land evapotranspiration(ET), we used ensemble simulations based on three meteorological forcing datasets [Princeton, ITPCAS(Institute of Tibetan Plateau Research, Chinese Academy of Sciences), Qian] and four LSMs(BATS, VIC, CLM3.0 and CLM3.5), to explore the trends and spatiotemporal characteristics of ET, as well as the spatiotemporal pattern of ET in response to climate factors over mainland China during 1982–2007. The results showed that various simulations of each member and their arithmetic mean(Ens Mean) could capture the spatial distribution and seasonal pattern of ET sufficiently well, where they exhibited more significant spatial and seasonal variation in the ET compared with observation-based ET estimates(Obs MTE). For the mean annual ET, we found that the BATS forced by Princeton forcing overestimated the annual mean ET compared with Obs MTE for most of the basins in China, whereas the VIC forced by Princeton forcing showed underestimations. By contrast, the Ens Mean was closer to Obs MTE, although the results were underestimated over Southeast China. Furthermore, both the Obs MTE and Ens Mean exhibited a significant increasing trend during 1982–98; whereas after 1998, when the last big EI Ni ?no event occurred, the Ens Mean tended to decrease significantly between 1999 and 2007, although the change was not significant for Obs MTE. Changes in air temperature and shortwave radiation played key roles in the long-term variation in ET over the humid area of China, but precipitation mainly controlled the long-term variation in ET in arid and semi-arid areas of China.     

土壤质地对中国区域陆面过程模拟的影响

利用陆面过程模式(CLM3.5)和中国区域两种土壤质地数据(分别来自第二次中国土壤调查SNSS和联合国粮食农业组织FAO),研究了土壤质地变化对于模式模拟的陆表水热变量的影响。结果显示,土壤质地对土壤水文学变量的影响远大于对土壤热力学变量的影响,尤其是对于饱和土壤含水量和饱和水力传导率的影响。对于模式的输出,土壤质地影响比较明显的有土壤湿度、总径流和土壤渗透等水文学变量以及地表潜热、地表感热和土壤热通量等热力学变量,而影响相对较小的有地面吸收的太阳辐射和地表反照率。同时,发现基于SNSS模拟的土壤湿度与站点观测值更加接近。因此,本研究认为基于SNSS土壤质地数据可以有效地改进模式模拟结果,建议以后在陆面模式试验中尽可能使用以观测为基础的SNSS土壤质地数据。     

北京地区夏季边界层结构日变化的高分辨模拟对比

使用WRF中尺度数值模式, 分别选用两种不同的边界层参数化方案 (MYJ, YSU) 和3种陆面参数化方案 (SLAB, Noah, RUC), 对2004年7月1日08:00—7月4日20:00 (北京时) 北京地区夏季边界层结构进行1 km的高分辨模拟。对比分析了近地面层风场、温度场以及边界层的日变化特征, 结果发现:WRF模式基本模拟出了北京夏季边界层的日变化特征; 在边界层方案中, MYJ方案描述的边界层结构较YSU方案合理; Noah陆面模式较好地反映了城市的热岛效应; 无降水时, 风速及边界层高度对于陆面过程不敏感, 而降水发生后, 陆面过程对于边界层结构的影响增大; 各方案模拟的城区风速明显偏大, 这是因为没有充分考虑城市建筑物的阻力作用。     

耦合不同陆面方案的WRF模式对2007年7月江淮强降水过程的模拟

利用WRF模式, 分别选用不同陆面参数化方案 (SLAB、 RUC、 NOAH、 UCM) 对2007年7月7～8日的江淮暴雨进行数值模拟试验, 模拟结果的对比分析表明: 虽然主要雨带的基本位置和大致走向受陆面方案的影响并不大, 但是降水强度的分布对陆面物理过程是敏感的, 耦合陆面方案比不耦合陆面方案的模拟效果更接近实况; 不同陆面方案模拟的降水量均较实况偏小, 然而由于考虑的要素和物理过程存在一定差异, 它们对降水的中心落点、 雨量值、 降水日变化、 降水类型以及降水条件的模拟各有所长; 特别值得指出, TRMM资料与4种方案的模拟结果均反映出本次降水日变化过程中夜间的峰值特征, 这是短时降水 (1～3 h) 和持续性降水 (≥6 h) 的综合反映, 而凌晨后的降水则主要由持续性降水造成; 在各种试验的综合比较中, NOAH方案较其他方案的模拟结果显得更稳定与合理, UCM方案针对城市下垫面的模拟有一定优越性。     

干旱区陆面过程参数改进对东亚区域气候影响的数值模拟

为了进一步检验裸土参数化的气候模拟性能,本文在文献[1,2]的基础上,利用NCEP再分析资料和Xie等全球降水资料与CCM3模拟结果进行了对比。结果表明：加入裸土参数化方案的CCM3能较好地再现冬季东亚和中国地区区域气候的主要特征,模式较原CCM3能更好地模拟地表温度和东亚及中国西北地区的降水,对东亚季风环流的模拟也较接近实际。同时,该方案在CCM3中的加入改进了青藏高原冬季降雪带及夏季高原东南部降水中心的模拟,提高了模式对高原冬夏季降水的模拟能力,从而再次说明利用观测资料对模式参数修正及参数化方法的改进是提高数值模式模拟能力的一个重要途径。     

应用风云气象卫星及融合降水资料改进地表参数模拟

气象卫星资料不仅对天气、气候研究非常重要, 对于地表参数模拟和预报也具有重要意义。本文首次将全国自动站观测、卫星降水估计和地面观测融合降水资料(CMORPH)以及风云二号D星(FY-2D)积雪覆盖率数据应用到了高分辨率陆面资料同化系统(u-HRLDAS)。融合降水资料用于驱动u-HRLDAS, 同时用于计算雪水当量;积雪覆盖率资料作为u-HRLDAS强迫变量。区域模拟结果表明, 积雪覆盖率对于地表反照率、地表温度以及地气交换通量模拟有极其重要的影响。密云站土壤湿度模拟结果表明, 融合降水资料准确度优于全球陆面资料同化系统(GLDAS)再分析资料。小汤山站单点验证结果表明, 应用融合降水资料及卫星积雪覆盖率资料可以改进地表温度及地气交换通量的模拟。     

根系吸水过程参数化方案对青藏高原陆面过程模拟的影响研究

根系吸水过程对地表能量平衡和水循环起着重要作用，目前不同的根系吸水过程参数化方案对青藏高原陆面过程模拟的影响尚不明确，探讨相关参数化方案的影响，可以为今后建立陆面过程模式根系参数化方案提供参考。本文利用2010年6月1日至9月30日青藏高原玛曲站的观测资料作为大气强迫资料，驱动BCC_AVIM模式（北京气候中心陆面模式）引入不同的根系吸水过程参数化方案，对玛曲站2010年6月1日至9月30日时段感热通量、潜热通量、土壤温度、土壤含水量等要素进行数值模拟，分析根系吸水过程参数化方案对青藏高原地区陆面过程的影响。模式中有关根系吸水过程的参数化方案主要分为根分布模型和土壤水分对根系有效性函数两类，根分布模型用Jackson方案、Schenk方案替换，土壤水分对根系有效性函数用Li方案、LSM1.0方案、CLM4.5方案替换。对比结果表明:不同的根系吸水过程参数化方案对土壤温度、土壤含水量的模拟影响较小，对感热通量、潜热通量模拟影响较大，尤其对冠层蒸腾量模拟差异显著，相关参数化方案的变动直接影响冠层蒸腾量。两类方案模拟的差异受降水的影响，在多雨期，根分布对比方案与原模式方案模拟的感热、潜热通量间存在较大差异；在少雨期，土壤水分对根系有效性函数对比方案与原模式方案模拟的感热、潜热通量间存在较大差异。     

改进的CLDAS降水驱动对中国区域积雪模拟的影响评估

积雪因为其特定的属性在气候变化和水文循环中扮演着重要角色,在大气和陆面之间起到了调节能量和水交换的显著作用,而陆面驱动数据的质量直接决定着模式对积雪的模拟效果。本文采用CLDAS(CMA Land Data Assimilation System)和改进后的降水驱动(CLDAS-Prcp)分别驱动Noah3.6陆面模式对积雪变量进行模拟,并对中国主要的积雪区东北区域、新疆区域、青藏高原区域的积雪覆盖率、雪深、雪水当量的模拟效果进行了评估。结果表明,CLDAS-Prcp改善了原有驱动在冬季由于低估降水所造成的模拟积雪量偏少的情况;东北区域模拟结果与观测的时间变率最为一致,积雪覆盖率、雪深、雪水当量的相关系数分别为0.42,0.78,0.93;而雪水当量的改进效果最明显,均方根误差和偏差分别减小了54.8%和83.1%,相关系数提高了0.47;同时,CLDAS-Prcp不仅能反映积雪变量的年际变率,而且能够较准确地反映出强度较大的突发降雪事件。     

陆面过程对全球变暖的响应及可能机制—基于CMIP3的多模式集合分析

利用“国际耦合模式比较计划” (Phase 3 of the Coupled Model Intercomparison Project, CMIP3) 12个模式对20世纪 (The Twentieth-Century Climate in Coupled Models, 20C3M) 和21世纪SRES (Special Report on Emissions Scenarios) A1B 情景下的模拟结果, 通过21世纪 (2001～2099年) 与20世纪 (1901～1999年) 陆面能量和水文变量的对比分析, 揭示了陆面过程对全球变暖响应的基本特征, 并探讨了其可能的响应机制。结果表明, 与20世纪相比, 21世纪全球陆面平均的表面温度、 地表净辐射、 潜热通量明显增加; 而感热通量有所减小。降水、 径流、 蒸发等地表水循环分量也表现出不同程度的增加, 而土壤含水量有减小趋势。通过分析近地层主要大气强迫变量与陆面变量之间的联系, 发现陆面能量平衡过程对全球变暖的响应主要受向下长波辐射和气温变化的影响, 而温度的变化对陆面水文过程的影响起决定性的作用。进一步分析表明, 陆面过程对全球变暖的响应存在明显的区域性差异, 陆面温度和感热对全球变暖响应最显著的区域位于北半球中高纬, 而净辐射和潜热对全球变暖的响应在亚洲中部和非洲大陆最显著。相对于20世纪, 21世纪主要是长波辐射和温度对陆面能量平衡过程的贡献重要。对于陆面水文过程, 径流和土壤含水量对全球变暖的响应在亚洲中部以及北美最显著。在全球变暖背景下, 21世纪相对于20世纪, 温度对陆面水循环的影响更加显著, 主要体现在北半球中纬度地区。     

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。     

Mapping near-surface air temperature,pressure, relative humidity and wind speed over Mainland China with high spatiotemporal resolution

As part of a joint effort to construct an atmospheric forcing dataset for mainland China with high spatiotemporal reso- lution, a new approach is proposed to construct gridded near-surface temperature, relative humidity, wind speed and surface pressure with a resolution of 1 km× 1 km. The approach comprises two steps： （1） fit a partial thin-plate smoothing spline with orography and reanalysis data as explanatory variables to ground-based observations for estimating a trend surface; （2） apply a simple kriging procedure to the residual for trend surface correction. The proposed approach is applied to observations collected at approximately 700 stations over mainland China. The generated forcing fields are compared with the corresponding components of the National Centers for Environmental Predic- tion （NCEP） Climate Forecast System Reanalysis dataset and the Princeton meteorological forcing dataset. The comparison shows that, both within the station network and within the resolutions of the two gridded datasets, the interpolation errors of the proposed approach are markedly smaller than the two gridded datasets.     

淮河流域陆面水文过程的数值模拟

采用生物-大气传输模式（BATS模型）模拟了淮河流域山丘区和平原区在1998年汛期的暴雨洪水过程,从陆地-大气间水量交换的角度揭示了径流量、土壤含水量、土壤质地、植被分布的内在联系。结果表明：对于山丘区和平原区而言,根系层土壤含水量、土壤质地以及土壤颜色的变化对径流量的影响具有相似性,但是敏感性不同;而山丘区和平原区深层土壤含水量和植被覆盖率变化对径流量影响的作用正好相反。这些结果显示,由于山丘区与平原区的不同气候和下垫面条件,而造成两者水文性质的差异性,反映了大气-水文之间关系与作用的不同特征。     

Systematic Hydrological Evaluation of the Noah-MP Land Surface Model over China

We evaluate water budget components—namely, soil moisture, runoff, evapotranspiration, and terrestrial water storage (TWS)—simulated by the Noah land surface model with multi-parameterization options (Noah-MP) in China, a large geographic domain challenging for hydrological modeling due to poor observational data and a lack of one single parameterization that can fit for complex hydrological processes. By comparing the model simulations with multi-source reference data, we show that Noah-MP can generally reproduce the overall spatiotemporal patterns of runoff and evapotranspiration over six major river basins, with the annual correlation coefficients generally greater than 0.8 and the Nash–Sutcliffe model efficiency coefficient exceeding 0.5. Among the six basins evaluated, the best model performance is seen over the Huaihe River basin. The temporal trend of the modeled TWS anomalies agrees well with GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) observations, capturing major flood and drought events in different basins. Experiments with 12 selected physical parameterization options show that the runoff parameterization has a stronger impact on the simulated soil moisture–runoff–evapotranspiration relationships than the soil moisture factor for stomatal resistance schemes, a result consistent with previous studies. Overall, Noah-MP driven by GLDAS forcing simulates the hydrological variables well, except for the Songliao basin in northeastern China, likely because this is a transitional region with extensive freeze–thaw activity, while representations of human activities may also help improve the model performance.     

On the potential application of land surface models for drought monitoring in China

The potential of using land surface models (LSMs) to monitor near-real-time drought has not been fully assessed in China yet. In this study, we analyze the performance of such a system with a land surface model (LSM) named the Australian Community Atmosphere Biosphere Land Exchange model (CABLE). The meteorological forcing datasets based on reanalysis products and corrected by observational data have been extended to near-real time for semi-operational trial. CABLE-simulated soil moisture (SM) anomalies are used to characterize drought spatial and temporal evolutions. One outstanding feature in our analysis is that with the same meteorological data, we have calculated a range of drought indices including Standardized Precipitation Index (SPI), Standardized Precipitation-Evapotranspiration Index (SPEI), Palmer Drought Severity Index (PDSI). We have assessed the similarity among these indices against observed SM over a number of regions in China. While precipitation is the dominant factor in the drought development, relationships between precipitation, evaporation, and soil moisture anomalies vary significantly under different climate regimes, resulting in different characteristics of droughts in China. The LSM-based trial system is further evaluated for the 1997/1998 drought in northern China and 2009/2010 drought in southwestern China. The system can capture the severities and temporal and spatial evolutions of these drought events well. The advantage of using a LSM-based drought monitoring system is further demonstrated by its potential to monitor other consequences of drought impacts in a more physically consistent manner.     

耦合不同陆面方案的WRF模式对“8.8”舟曲暴雨过程的模拟

利用NCEP每6 h一次的1°×1°格点资料和中尺度模式WRF(V3.2),选用不同的陆面参数化方案,对2010年8月7—8日发生在甘肃舟曲的一次西北地区特大暴雨天气过程进行数值模拟试验。结果表明,此次暴雨过程数值模拟的准确率对陆面参数化方案的选择比较敏感。在WRF模式中,耦合陆面方案比不耦合陆面方案对暴雨的模拟效果更好,耦合陆面方案所模拟的降水分布、地表通量以及地面气象要素都与实况更加接近。耦合不同的陆面方案模拟的降水以及感热通量、潜热通量都存在较大的差别,但是采用不同的陆面方案模拟的地表温度和水汽差别并不大。总体而言,采用PX陆面方案对降水的模拟效果比采用其他方案都合理,与实况最接近。     

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。     

Test of a simple two-layer parameterisation to simulate the energy balance and temperature of a snow pack

Summary  Reasonably simple yet realistic modelling schemes simulating the heat and mass balance within a snow pack are required to provide the necessary boundary conditions for meteorological and hydrological models. An improvement to a one-layer snow energy balance model (UEB, Tarboton etal., 1995) is proposed to better simulate snow surface and snow pack temperatures and, as a result, snowmelt. The modified scheme is assessed against measured snow data from the WINTEX field campaign during spring 1997 in northern Finland, and compared with results from a complex multi-layer snow energy balance scheme. The results show that separation of a one-layer representation into two snow layers and a soil layer enables a more realistic simulation of soil and snow temperatures as well as of the snow surface temperature. The two-layer and the multi-layer snow schemes yielded comparable results for internal processes in the snow whenever the simulation was carried out under similar boundary forcing. The modified scheme is proposed for use as a sub-scheme in meteorological or hydrological models, or as a tool for simulating spatially-variable snowmelt and the surface energy balance during seasonal snow cover. Received November 18, 1999 Revised June 17, 2000     

青藏高原地表特征时空分布

通过利用地理信息数据库、卫星反演参数、气象观测数据,分析了我国青藏高原地区地表植被覆盖、地表反照率分布、地表蒸发分布、地表积雪分布.结果显示,随着青藏高原地表年平均气温的显著升高,青藏高原部分区域地表覆盖特征也发生了改变.在青藏高原南缘湿润大区降水充分地区,地表反照率相对较低,潜热蒸发量最大,1982～2000年期间地表植被覆盖呈明显增加趋势.青藏高原地区积雪覆盖在各个气候区域也呈现同步变化特征,自1970～1989期间,降雪量呈持续增加趋势,但之后至2000年期间,全区降雪量呈下降趋势,其中积雪覆盖变化最强烈的时段发生在10月～4月之间,变化幅度最大的区域位于青藏高原的东南部区域.     

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。