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。     

CoLM模式在中国温带混交林和亚热带人工针叶林的水热通量模拟性能评估

利用中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)在长白山温带混交林观测站点和千烟洲亚热带人工针叶林观测站点的强化观测资料,考察了一个较为完善的陆面过程模式(Common LandModel,CoLM)在这两种不同植被类型下垫面的模拟性能,特别是其对潜热通量的模拟。模拟结果与强化观测资料的对比表明,CoLM能较好地模拟出实验站点地表能量平衡的基本特征以及潜热通量的日变化和季节变化。其中长白山站和千烟洲站潜热通量日平均的观测值与模拟值的相关系数分别为0.804和0.692,均通过了0.001的显著性水平检验。总体而言,CoLM在长白山站的模拟效果更好一些,模式对不同植被覆盖类型的土壤—植被—大气间水热传输过程的处理可能是造成差别的原因。     

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。     

典型干旱地区陆面特征的模拟及分析

运用NCAR -LSM (Landsurfacemodel)模式对典型干旱区—沙漠站进行了独立试验 (Off line) ,检验了LSM模式在典型干旱地区的性能 ,并分析了典型干旱地区的陆面特征。结果表明 :LSM模式对干旱地区有较好的模拟性能。在不同的季节 ,典型干旱地区的感热和潜热有着不同的特征 ,4月份的感热通量较大 ,约为 4 0 0W·m-2 ;1月和 8月相对较小 ,约为 2 30W·m-2 。 1月和 4月的潜热通量很小 ,约为 4～ 6W·m-2 ,可以忽略 ;但 8月份的潜热通量大 ,平均最大约为 12 0W·m-2 ,当有降水发生时 ,潜热通量可达 5 70W·m-2 ,与感热通量相当。     

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CoLM和NCAR_CLM3.0对中国典型森林生态系统陆气相互作用的模拟 I. 不同模式模拟结果的初步分析

CoLM(Common Land Model)和NCAR_CLM3.0(NCAR Community Lanol Model 3.0)是目前国际上广为应用的两个发展比较完善的陆面过程模式.本研究利用中国陆地生态系统通量观测研究网络(Chi-naFLUX)在长白山温带混交林和千烟洲亚热带人工针叶林观测站点的长期连续强化观测资料,对这两个模式在上述地区的模拟性能进行了初步评估.同观测资料的对比表明,两个模式均能较好地模拟出观测站点地表能量和水分平衡的基本特征,其中,CoLM对潜热通量的模拟性能更好.以对潜热通量为期1年的日均值的模拟为例,COLM和CLM3.0在长白山观测站模拟值和观测值时间序列的相关系数分别为0.80和0.65,在千烟洲站分别为0.69和0.64,均通过了0.01的信度检验;两个模式对全年平均的模拟与观测日平均值的比值在长白山分别为1.21和0.86,在千烟洲分别为0.83和0.60.研究结果表明,这两个陆面过程模式可以作为研究这两种典型森林生态系统陆气交换的基本工具.同时,对模式模拟性能差异的深入分析将有助于进一步改进陆面模式的参数化过程,为相关研究奠定更坚实的基础.     

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。     

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。     

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。     

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。     

东亚中纬度干旱/半干旱区降水年际变化及其可能成因

基于NOAA的全球陆地降水资料(PREC/L)1948～2003年56年的月平均降水资料、NCEP/NCAR月平均再分析资料以及英国气象局哈德莱中心的海温(Sea Surface Temperature,SST)资料,并根据多年降水平均图选定了东亚中纬度干旱/半干旱区,对该区域夏季(6～8月)降水进行了经验正交分解(Empirical Orthogonal Function,EOF)。EOF第一模态呈现出全区一致的变化类型,第二模态则呈现出以100°E为界东西相反的分布类型。通过分析干旱/半干旱区以及以100°E为界的东西两部分降水异常年的环流形势和海温并加以对比,结果表明:在环流场上,对应于东亚中纬度干旱/半干旱区降水偏多年,对流层中下层环流异常在中高纬度呈现为一个东西向波列,乌拉尔山东侧为正的高度异常,贝加尔湖附近乃至以东地区为低压槽所控制;不同的是,对应于100°E以西的干旱/半干旱区夏季降水偏多年,波列有所东移,并且西太平洋副热带高压有显著北抬;而对应于100°E以东干旱/半干旱区夏季降水偏多年,环流形势异常基本与整个干旱/半干旱区降水偏多年一致,只是在里海附近有一高度负异常。在200hPa纬向风场上可以看到,当西亚副热带急流偏南加强时,对应于100°E以西的干旱/半干旱区降水偏多;而当东亚、西亚风急流都有显著北抬且加强时,对应于100°E以东干旱/半干旱区的夏季降水偏多,这可能与急流所激发的次级环流有关。进一步对SST的分析表明,海温与100°E以东或以西干旱/半干旱区降水异常的关系也不一样。当前冬、前春赤道中东太平洋都有正的海温异常,而到夏季转换为负的海温异常,且南太平洋在前冬和前春呈现显著负海温异常时,整个干旱/半干旱区夏季降水偏多;当赤道中东太平洋海温在前冬、前春有正的海温异常并一直减弱,但能维持到夏季,并且北印度洋海温也存在类似的海温异常时,100°E以西的干旱/半干旱区夏季降水偏多;而当前冬中东太平洋海温较暖但其南部海域偏冷,到了前春这些异常维持,并发展到同期为大范围弱的异常冷海温时,有利于100°E以东的干旱/半干旱区夏季降水偏多。比较的结果还揭示出,对应于干旱/半干旱区以及100°E以东干旱/半干旱区的降水异常年,海温异常分布大致是一致的;而对应于100°E以西干旱/半干旱区的降水异常年,海温异常分布及时间演变则有较大差异。     

我国干旱半干旱区气候变化特征及其对干湿波动的影响

气候干湿状况是表征区域气候特征的重要指标,是在全球气候变暖背景下,水循环与陆面蒸散发作用的综合结果。本文从湿润度指数入手,结合降水与潜在蒸散的时空变化,分析了我国干旱半干旱区气候特点与干湿变化特征及对土壤湿度的影响。分析发现：近50年来,我国干旱与半干旱区均呈变湿趋势。干旱区与半干旱区潜在蒸散与降水月差值在年内出现时间上存在不一致,且干旱区明显大于半干旱区;3～9月为干旱气候区潜在蒸散与降水差值大值期,3～6月半干旱区潜在蒸散明显大于降水,7月起差值明显减小。作用分析表明,在干旱区,降水对湿润度指数的影响更大,而对于半干旱区,降水与潜在蒸散作用相当。长期以来,我国整个干旱与半干旱区大部分土壤湿度在逐渐变干,尤其是农业耕作层的浅层土壤,几乎全区域一致呈现变干趋势,说明我国干旱半干旱区农牧业生产存在较大的潜在干旱风险。     

干旱半干旱区太阳辐射特征

Climatic characteristics of broadband solar radiation （Rs） in Chinese arid and semi-arid areas are reported in this study. The annual average daily Rs in the arid and semi-arid areas is 16.3 ±5.77 and 15.3 ± 5.16 MJ m^-2 d^-1, respectively. The highest value （17.2 ± 5.84 MJ m^-2 d^-1） appears in an arid area at Linze. The lowest value appears in the semi-arid area of Ansai. Pronounced seasonal variation of Rs is observed with the highest value in summer and the lowest in winter. The clearness index showed similar seasonal pattern at most sites, with the minimum observed in the summer and the highest values in winter at both arid and semi-arid areas. The seasonal variation of the ratio of Rs to its extraterrestrial value Kt in the arid area is more significant than that observed in the semi-arid region, and it is caused by the different range of variation of water vapor between arid and semi-arid areas. The seasonal fluctuations in Rs and Kt are mainly controlled by the water vapor content in these areas. The aerosol particles have significant influence on Rs and Kt at stations with higher aerosol burden.     

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。     

中国不同气候区的高温危险性分析

高温危险性评价是高温灾害风险评价的重要组成部分和基础工作。基于过去60年(1961—2020年)的日最高温度数据,选择高温日数、最高温度、高温强度三个指标,逐站点使用核密度函数估算三个高温指标的概率密度函数,计算了四个重现期(即五年一遇、十年一遇、二十年一遇和五十年一遇)下的三个指标的取值,进而通过K-means非监督聚类得到各指标下的高温危险性等级分布图,然后将各指标叠加,对我国不同气候区的综合高温危险性进行了评估。研究表明：(1)从高温日数来看,发生高温可能性最大的地区位于我国西北干旱(半干旱)区和华中、华南地区的交界部分;(2)从最高温度来看,发生高温可能性最大的区域是西北干旱(半干旱)区和华北地区,华中地区的最高温度在不同重现期下的增强最显著;(3)从高温强度来看,发生高温可能性最大的区域是西北干旱(半干旱)区,西南地区和青藏高原地区内不同区域的高温强度差异较大,需局部防范高温灾害;(4)随着重现期年限的增长,不同高温指标值均明显增长,高值区域面积逐渐增加。全国高温综合高危险性等级地区主要位于西北干旱(半干旱)地区、华北地区南部、华中地区、华南地区和西南地区北部,其余气候区少量...     

RegCM3.0与RegCM4.0对中国区域多雨年夏季气候模拟的对比分析

采用RegCM3.0和RegCM4.0模式,利用NCEP/DOE Reanalysis II数据、NOAA的周平均海温资料以及BATS、CLM3.5两种陆面过程方案,对我国4个典型多雨年(1998、2003、2007、2010年)的夏季气候进行模拟试验。结果表明,RegCM4-BATS1e模拟的降水量和雨带位置都与观测事实更为接近,尤其是对东南沿海地区强降水带的模拟,模式两个版本对湿润区的降水模拟均偏少,对干旱半干旱、湿润半湿润区的降水模拟则偏多;对于气温的模拟,其模拟结果均存在负偏差,但都能够模拟出位于东南沿海及新疆沙漠地带的温度高值区,RegCM4-CLM3.5模拟温度的量值更准确,而RegCM4-BATS1e模拟的温度空间分布型态与实际最为接近。     

Progress in Semi-arid Climate Change Studies in China

This article reviews recent progress in semi-arid climate change research in China.Results indicate that the areas of semiarid regions have increased rapidly during recent years in China,with an increase of 33%during 1994-2008 compared to 1948-62.Studies have found that the expansion rate of semi-arid areas over China is nearly 10 times higher than that of arid and sub-humid areas,and is mainly transformed from sub-humid/humid regions.Meanwhile,the greatest warming during the past 100 years has been observed over semi-arid regions in China,and mainly induced by radiatively forced processes.The intensity of the regional temperature response over semi-arid regions has been amplified by land-atmosphere interactions and human activities.The decadal climate variation in semi-arid regions is modulated by oceanic oscillations,which induce land-sea and north-south thermal contrasts and affect the intensities of westerlies,planetary waves and blocking frequencies.In addition,the drier climates in semi-arid regions across China are also associated with the weakened East Asian summer monsoon in recent years.Moreover,dust aerosols in semi-arid regions may have altered precipitation by affecting the local energy and hydrological cycles.Finally,semi-arid regions in China are projected to continuously expand in the 21st century,which will increase the risk of desertification in the near future.     

中国干旱半干旱区洪涝灾害的初步分析

中国干旱半干旱区的洪涝灾害是一个尚未引起人们重视的重大科学问题,这主要是因为干旱半干旱区对洪涝灾害的防范意识比较薄弱。而极端降水事件的次数、强度和持续时间与干旱半干旱区的洪涝灾害有密切联系,直接影响该区域洪涝灾害及其次生地质灾害的次数与严重程度。以干旱半干旱区的极端降水事件为切入点,分析了中国干旱半干旱区的极端降水事件次数和极端降水量的变化特征,旨在为干旱半干旱区的洪涝灾害研究提供科学依据。结果表明,进入21世纪以来,中国110°E以西的干旱半干旱区极端降水事件的日数有所增多,而110°E以东的区域日数都有所减少。干旱半干旱区极端降水量的变化也呈现出西增东减的分布,大部分干旱半干旱区的极端降水量变化占总降水量变化的40%以上,一部分地区能达到50%,甚至100%-200%。从季节变化来看,春季天山以北、新疆南部、甘肃敦煌和内蒙古包头以北地区极端降水量增加较多,夏季110°E以西的干旱半干旱区极端降水量均增大明显,秋季陕西榆林、内蒙古鄂尔多斯、包头和呼和浩特等地极端降水量增大较明显。