基于陆面模式基准平台ILAMB对陆面模式CoLM的评估

模式评估是模式发展中不可或缺的重要一环。本文利用最新版陆面模式评估软件—ILAMB（International Land Model Benchmarking）对通用陆面模式 (The Common Land Model, CoLM)进行客观评估,并与NCAR陆面模式CLM5(Community Land Model version 5)结果进行比较。作为一个陆面模式评估软件,ILAMB能对参与评估的模式变量自动生成诊断图形并对模式性能进行评分。评估结果表明,CoLM总体性能良好,模拟结果与基准数据较为接近。与CLM5相比,CoLM在总初级生产力及水文方面的表现略微逊色,在辐射方面则表现相当,对部分变量如地表向上长波辐射、地表净辐射等的模拟甚至优于CLM5。通过对比CRUNCEPv7和GSWP3v1两种强迫资料发现,它们在气候平均态上具有一定的差异,模式在GSWP3v1强迫下的表现相对较好。CoLM和CLM5在CRUCNEPv7强迫下模拟的潜热通量在亚马逊平原、亚洲东部和南部地区以及北美东部一带正偏差显著,而在GSWP3v1强迫下的模拟则有明显改善。这两个模式对感热通量的模拟在非洲北部、亚洲中部一带均明显偏高。在辐射方面,CoLM模拟的地表向上短波辐射在全球以偏高为主,这在一定程度上造成了地表净辐射的模拟偏低。各组试验模拟的地表向上长波辐射得分相差不大,但在具体的空间分布上有一定的差别。     

藏北高原陆面过程的模拟试验

利用NCAR陆面过程模式(Land Surface Model)和1998年"青藏高原能量与水分观测实验"加强观测期(GAME/Tibet IOP)的观测资料对青藏高原地区陆面过程进行了模拟研究.结果表明,在观测资料的强迫下模式能够较好地模拟出地表特征量的变化趋势,深层的土壤温度的模拟对初始场在0℃左右的变化敏感.模拟的感热通量、潜热通量以及地表反射的太阳辐射较观测值偏大.在高原地区地表类型分布状况的真实描述及植被、土壤参数的选取可能是提高该地区效果的首要问题;草地下垫面的陆面特征有待进一步研究;对土壤水热运动的真实描述,及冻土过程的加入对大气环流模式(GCM)跨季节的数值模拟会有所改进.     

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。     

青藏高原地区不同下垫面陆面过程的数值模拟研究

利用陆面过程模式Common Land Model(CoLM),选取青藏高原上3个不同下垫面观测站(藏东南站、纳木错站和珠峰站)的观测资料,对这3个野外观测站进行了单点数值模拟试验。根据3个测站的试验数据,对模式中土壤孔隙度和饱和导水率进行了优化,针对青藏高原地区土壤层薄的特点,对模式中土壤分层方案进行了调整。结果表明,调整分层方案后的CoLM模式对3个测站土壤湿度的模拟性能较原分层方案有明显提高,平均偏差均减小0.014以上。但是与观测值相比,藏东南站土壤湿度的模拟整体偏低,纳木错站和珠峰站则整体偏高。对土壤温度而言,3个测站模拟与观测的相关系数都达到了0.9以上,珠峰站偏差较大,调整分层方案后模拟的偏差有一定的改进。模式较好地模拟了3个测站的净辐射、感热通量和潜热通量的日变化和季节变化情况,调整分层方案后潜热通量的改进最为明显。     

CoLM模式对青藏高原中部BJ站陆面过程的数值模拟

利用公共陆面模式Common Land Model(CoLM)及"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Bujiao(BJ)站2002—2004年的观测资料对该地区进行了单点数值模拟试验。通过比较模拟与观测的地表能量通量,表明CoLM较成功地模拟了该地区的能量分配。模式对向上的短波辐射、向上的长波辐射、净辐射及土壤热通量模拟得较好,但冬季存在偏差。进一步比较了模拟和观测的土壤温度及土壤湿度,发现浅层60 cm土壤温度模拟较好,深层存在偏差,表现为土壤温度变化滞后于实际变化。土壤湿度总体偏小,尤其是冬季冻结期,土壤冻融过程中忽略了土壤液态水在温度0℃以下仍能存在,含冰量模拟偏高。     

城市陆面模式设计及检验

针对城市冠层模式(Urban Canopy Model,UCM)的各种局限性,本文首次提出整体城市陆面模式(Bulk Urbanized Land Surface Model,BULSM)的概念,即在现有先进的陆面模式的基础上直接构建城市陆面模式。本文在通用陆面模式(Common Land Model,CoLM)基础上构建整体城市陆面模式,根据城市的特点对CoLM进行了发展和重新参数化。模式采用高分辨率地表分类数据;改进了模式的地表能量平衡方程与水分平衡方程;对反照率、城市地表粗糙度、城市大气廓线、城市人为热、不透水面水分蒸发及积水深度等进行了重新参数化。模式保留了CoLM在自然下垫面的全部特性,加强了CoLM在城市或人为下垫面的模拟和预报能力。区域验证以及与CoLM对比结果表明整体城市陆面模式模拟结果能够显示出北京城区各参数的空间精细化分布情况,能够反映出地表分类对模拟结果的影响。单站点验证以及与CoLM和高分辨率城市陆面同化系统(u-HRLDAS)对比结果表明整体城市陆面模式地表温度模拟结果与CoLM相比有很大提高;和u-HRLDAS相比大部分站点地表温度模拟结果也有一定的改进。     

三个陆面过程模式在西北半干旱区的模拟性能对比

利用NOAH(The Community Noah Land Surface Model)、SHAW(Simultaneous Heat and Water)和CLM(Community Land Model)3个不同的陆面过程模式及兰州大学(Semi-Arid Climate Observatory and Laboratory,SACOL)2007年的观测资料,对黄土高原半干旱区的陆面过程进行了模拟研究。通过与观测值间的对比,考察不同陆面过程模式在半干旱区的适用性。研究结果表明:3个模式在半干旱区的模拟性能有较大差异。其中,CLM模式模拟的20 cm以上的浅层土壤温度最优,SHAW模式模拟的深层土壤温度最优;SHAW模式模拟的土壤含水量与观测值最为接近,而NOAH和CLM模式模拟值有较大偏差;3个模式均能较好地模拟地表反射辐射,其中SHAW模式模拟值与观测值的偏差最小;对地表长波辐射的模拟,CLM模式的模拟最优;3个模式均能较好地反映感热、潜热通量的变化趋势,其中CLM模式对感热的模拟性能优于其他两个模式,在有降水发生后的湿润条件下,CLM模式对潜热的模拟性能最优,而无降水的干燥条件下,CLM模式的模拟偏差最大,NOAH模式对冬季潜热的模拟最优。总体而言,CLM模式能够更好地再现半干旱区地气之间的相互作用,但模式对土壤含水量及干燥条件下的潜热通量的模拟较差,模式对半干旱区陆气间的水文过程还有待进一步的研究和改进。     

陆面过程模式TBLSHAW的设计及其在黄土高原地区的模拟研究

为了改善陆面过程模式在半干旱地区的模拟能力,在SHAW(Simultaneous Heat and Water Model)模式和CoLM(Common Land Surface Model)模式参数化方案基础上,结合黄土高原SACOL站(Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University)得到的部分土壤和近地层的研究结果,利用SHAW模式的动力框架,发展了一个新的陆面过程模式TBLSHAW(Two-Big-Leaf-SHAW)。该模式由一层植被、多层土壤和湍流边界层构成。在植被层主要采取双大叶模型计算能量平衡;土壤层利用水热耦合传输模型计算土壤温度和湿度,并包含了冻融、蒸发及降水渗透等物理过程;湍流边界层采取莫宁—奥布霍夫理论计算湍流通量。最后利用SACOL站获取的观测资料,对TBLSHAW模式进行了模拟检验。结果表明,TBLSHAW模式能够合理地模拟半干旱地区各项陆面过程特征的变化趋势;模拟的土壤温度和土壤湿度与观测值的偏差较小,模式效率和相关系数较高;模拟的净短波辐射及向上长波辐射较好;但是模拟的感热通量、潜热通量与观测值偏差较大,这可能与该地区的能量闭合度较低有关,还有待进一步研究。     

基于FLUXNET数据集对陆面模式CoLM能量通量的单点评估

模式评估是模式发展中的重要一环。本文利用来自FLUXNET2015数据集的30个站点的涡动相关系统观测数据,重点关注能量通量,对通用陆面模式（Common Land Model version 2014,CoLM2014）在不同典型下垫面的模拟能力进行评估。结果表明,模式总体上能抓住感热、潜热和净辐射通量在日、季节和年平均等不同时间尺度上的变化特征,对感热、潜热和净辐射通量都有较好的模拟能力,净辐射的模拟效果最好,潜热通量次之。季节变化模拟中,感热、潜热通量在夏季不同植被型下站点的空间离散程度大于冬季,不同站点间模拟效果相差较大,净辐射多站点标准差变化幅度要小于感热、潜热,不同站点间模拟效果偏差较小。CoLM在常绿针叶林、稀树林地、草地、农田模拟感热、潜热通量的效果相对较好,在永久湿地、落叶阔叶林下模拟感热通量较差。本研究对CoLM2014在未来的改进和发展中提供了有用的参考。     

青藏高原西部冻融期陆面过程的模拟分析

利用CAMP/Tibet中CEOP-EOP3改则站2002年10月—2003年9月的观测资料作为强迫场,运用陆面过程模式CoLM(Common Land Model),对青藏高原西部陆面特征的模拟研究表明,在高原西部地表能量平衡过程中,冬半年,感热通量占主要地位,潜热通量较小;尤其在冻结期,潜热通量几乎等于零。但在高原西部的融冻期,潜热通量有显著变化。在干季向湿季转化时段的5月中下旬,表层土壤由于融冻而引起的频繁水分相变,使得潜热通量随之变化并开始增加,Bowen比由大变小。地表有效通量的变化与降水及土壤表层频繁的冻结—消融相联系。     

一个区域地气耦合柱状模式的发展及其对半干旱区的模拟

在现有的区域气候模式的基础上构建了用于研究地气耦合模拟的区域柱状模式,其中包括了详细的物理过程,可以作为研究半干旱区地气相互作用过程的工具。通过区域柱状模式与不同陆面模式的耦合,检验了不同陆面模式在非耦合和耦合两种情况下对半干旱区的模拟性能。结果表明,陆面模式在耦合后对感热的模拟偏差放大,而潜热的模拟效果得到了改进,不同的陆面模式对区域柱状模式的模拟性能影响较大,耦合了CoLM后的区域柱状模式对地表气象要素的模拟得到了较大的改进。     

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。     

A warm-season comparison of WRF coupled to the CLM4.0, Noah-MP,and Bucket hydrology land surface schemes over the central USA

In climate modeling studies, there is a need to choose a suitable land surface model (LSM) while adhering to available resources. In this study, the viability of three LSM options (Community Land Model version 4.0 [CLM4.0], Noah-MP, and the five-layer thermal diffusion [Bucket] scheme) in the Weather Research and Forecasting model version 3.6 (WRF3.6) was examined for the warm season in a domain centered on the central USA. Model output was compared to Parameter-elevation Relationships on Independent Slopes Model (PRISM) data, a gridded observational dataset including mean monthly temperature and total monthly precipitation. Model output temperature, precipitation, latent heat (LH) flux, sensible heat (SH) flux, and soil water content (SWC) were compared to observations from sites in the Central and Southern Great Plains region. An overall warm bias was found in CLM4.0 and Noah-MP, with a cool bias of larger magnitude in the Bucket model. These three LSMs produced similar patterns of wet and dry biases. Model output of SWC and LH/SH fluxes were compared to observations, and did not show a consistent bias. Both sophisticated LSMs appear to be viable options for simulating the effects of land use change in the central USA.     

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。     

Testing and improving the performance of the Common Land Model: A case study for the Gobi landscape

Land surface processes take place on the interface between the earth and atmosphere, exerting significant influences on the weather and climate. Correct modeling of these processes is important to numerical weather forecast and climate prediction. In order to obtain a more thorough understanding of the land surface processes over the Gobi landscape, we evaluated the performance of the Common Land Model (CoLM) at Dunhuang station in Gansu Province of China to determine whether the model formulation, driven by observational data, is capable of simulating surface fluxes over the underlying desert surface. In comparison with the enhanced observation data collected at Dunhuang station over the period 22–28 August 2008, the results showed that the surface albedo simulated by CoLM was larger than that in the observation, and the simulated surface temperature was lower than the observed. After the measured values were used to correct the surface albedo, the solar radiation absorbed by the ground surface was more consistent with the measurements. A new empirical relationship of the surface thermal exchange coefficient r_ah was used to modify the thermal aerodynamic impedance. The simulated soil surface temperature became significantly closer to the observed value, and the simulated surface sensible heat as well as net radiative fluxes were also improved.