陆面模式CLM4.5对青藏高原高寒草甸地表能量交换模拟性能的评估

利用中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站2013年9月1日至2014年8月31日一个完整年的观测资料,对陆面过程模式CLM4.5在青藏高原(下称高原)高寒草甸下垫面地表能量交换的模拟性能进行了评估。模拟结果表明,CLM4.5能够较好的模拟高原春季、夏季和秋季非冻结期地面长波、反射辐射和地表净辐射、感热和潜热通量以及地表土壤热通量等的季节变化和日循环特征。但对冬季冻结期地表温度的模拟偏低,导致模拟与观测的感热反相,对地面反射辐射模拟偏大。截断冬季降水的敏感性试验进一步指出,模式冬季反射辐射偏大主要是由于积雪引起的地表反照率偏高造成,进而造成地表温度以及感热通量的模拟偏低。因此,高原积雪参数化方案以及与积雪相关的反照率参数化方案还需进一步改进和完善。     

中国东部春季极端降水与同期欧亚大陆地表感热的可能联系

利用1960~2010年ERA-20C再分析资料和中国东部站点降水观测资料,探讨了我国东部春季极端降水与欧亚大陆地表感热通量的联系和可能影响途径。结果发现,当春季欧亚大陆中纬度巴尔喀什湖以西及贝加尔湖以南区域地表感热通量偏弱（强）,我国东部沿海地区地表感热通量偏强（弱）时,我国东部春季极端降水呈现南少（多）北多（少）的反相分布特征。当春季欧亚大陆中纬度关键区地表感热偏弱,低纬度关键区地表感热通量偏强时,春季副热带西风急流偏弱、位置偏北,我国东部北方地区大气斜压不稳定和对流不稳定偏强,北方地区极端降水偏强,而南方地区大气斜压不稳定和对流不稳定偏弱,南方地区极端降水偏弱。当春季欧亚大陆中纬度关键区地表感热偏强,低纬度关键区地表感热通量偏弱,我国东部极端降水的情况大致相反。     

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。     

青藏高原感热通量的变化及与江淮流域降水异常的关系

利用1979—2010年NCEP-R2再分析资料和全国586站降水资料, 对青藏高原感热通量进行小波变换和EOF分析, 并研究了它与江淮流域降水的关系。结果发现:高原感热通量具有2 a和8 a的变化周期。空间分布上主要有东、西反相变化和南、北反相变化以及全区一致性变化3种形态。高原感热通量与江淮流域降水异常的同期相关中, 1998年以来, 春季高原东部的感热通量偏小, 其他地区偏大, 与此同期江淮流域降水偏少;夏季西藏西部的感热通量偏小, 其他地区偏大, 与此同期江淮流域降水偏多。两者超前相关中, 江淮流域降水对春季的感热通量变化最敏感。1998年以来, 当春季高原东南部的感热通量偏小, 其他地区偏大时, 江淮流域的夏季降水偏多, 秋季降水偏少;当春季高原感热通量东部偏小, 西部偏大时, 江淮流域的冬季降水以长江为界南多北少, 次年春季降水偏少。     

欧亚中高纬春季地表感热异常与长江中下游夏季降水的可能联系

利用国家气候中心提供的中国区域753站降水观测资料、ECMWF逐月地表感热通量再分析资料和NECP/NCAR再分析资料,讨论了欧亚大陆中高纬春季地表感热异常与长江中下游夏季降水之间的联系及其相关的物理机制。分析发现欧亚大陆中高纬春季地表感热异常与长江中下游地区夏季降水存在显著的正相关:感热偏强期,长江中下游夏季降水偏多;感热偏弱期,长江中下游夏季降水偏少。春季感热异常偏强时,夏季东亚副热带西风急流主体位置偏东、强度偏强、范围偏大,长江中下游地区主要受辐合上升气流控制,水汽输送条件好,降水异常偏多。而春季感热偏弱时,情况大致相反,则夏季降水异常偏少。研究表明欧亚大陆中高纬春季地表感热通量异常变化对我国长江中下游夏季降水预测具有一定的指示意义。     

CMIP6全球气候模式对青藏高原中东部地表感热通量模拟能力评估

利用青藏高原（以下简称高原）气象台站常规观测资料、国家青藏高原科学数据中心的青藏高原地气相互作用过程高分辨率（逐小时）综合观测数据集（2005～2016）、国际耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）的历史模拟试验数据和卫星辐射资料,定量评估了12个全球气候模式对1979～2014年高原中东部地表感热通量的模拟能力,并对其模拟偏差进行了成因分析。结果表明,CMIP6模式可较好地重现高原地表感热通量的年循环和季节平均的空间分布型,但数值较计算感热通量偏低,主要表现为对感热通量大值区严重低估。区域平均而言,12个模式模拟的春季高原中东部感热通量的时间演变序列整体较计算感热通量偏低,其中偏差最大的模式为MIROC6,其多年均值仅为计算值的1/3左右。进一步分析发现多模式模拟的春季高原10 m高度处风速和地气温差分别偏强和偏弱,说明CMIP6模拟的春季高原感热通量偏低可主要归因于地气温差的模拟冷偏差。地气温差的模拟冷偏差在高原中东部地区普遍存在,且地表温度和空气温度均存在明显冷偏差,尤其地表温度偏差更大,这很大程度上可能与CMIP6多模式模拟的春季高原降水偏强有关。     

通用陆面模式CLM在东亚不同典型下垫面的验证试验

利用野外观测资料,考察了通用陆面过程模式(CLM)对东亚地区3种典型下垫面(高原稀疏植被下垫面、森林、水田)的模拟能力.验证结果表明,在高原稀疏植被下垫面,CLM模拟的地表气温跟实测较为接近,同时CLM还可以较好地模拟出土壤温度随时间和深度的变化特征,但模式模拟的地面温度的幅值跟观测相比显著偏小;对于能量通量而言,除感热通量外,CLM所模拟出的其它能量通量的变化均与观测实况比较一致.对于淮河流域的森林下垫面,CLM所模拟出陆气间的各能量通量均与实测较为接近,尤以夏季(8月份)的模拟性能最好.对于水田下垫面,CLM模式较好地模拟出了各能量通量的主要变化特征及其季节差异,如水田的净辐射以及潜热通量夏季最大,而感热通量则是秋季最大等.     

青藏高原感热异常对沙尘暴影响的数值模拟

利用最新版的RegCM3模式,通过改变青藏高原冬季地面向大气的感热输送,分析了高原冬季感热异常对春季沙尘暴的影响.结果表明:当冬季高原地区的感热通量增大时,春季在我国上空蒙古气旋加强,位势高度西高东低,即西风加强,有利于沙尘暴增多.西风加强最显著区域在南疆盆地;西北地区降水以减少为主,这也有利于沙尘暴的增多.降水减少最显著区域在新疆东部、内蒙古和甘肃的西部;反之亦然.     

近30年BCC-CSM(m)模拟高原积雪状况评估及其对夏季降水的影响

为了得到适用于青藏高原积雪研究的高分辨率、长时间序列的区域尺度资料,利用近30年逐月区域气候系统模式BCC?CSM(m)模拟的1. 125°×1. 125°积雪深度资料、卫星遥感反演的0. 25°×0. 25°积雪深度资料、ERA?Interim 0. 75°×0. 75°地面感热再分析资料和中国气象数据网提供的0. 5°×0. 5°降水资料,评估了BCC?CSM(m)模式对高原积雪深度时空演变的模拟性能及其对高原感热和我国夏季降水的影响,为夏季降水预测提供参考依据。结果表明,BCC?CSM(m)模式能够较好再现冬季高原积雪的时空变化特征,在缺少有效实测积雪资料的高原地区不失为一种分辨率高、时间序列长的代用资料。冬季高原积雪和春季地表感热之间存在反相变化,而且两者的空间分布型存在显著的负相关关系。冬季高原积雪与我国夏季降水存在一定的相关关系,即:与长江中下游地区、四川地区、新疆北部地区、东北东部和高原南部夏季降水呈显著正相关关系,而与华南和东北北部地区呈显著负相关关系。冬季高原积雪存在全区多雪型、全区少雪型、东南少西北多型和东南多西北少型4种空间分布模态,而且不同高原积雪模态对我国夏季降水的影响不同。     

两月气温高 南疆开春早

1998年冬季（1998年11月一1999年2月）是自1986年以来第11个暖冬,北疆地区冬季平均气温居历史同期第4位,南疆地区为有记录以来最暖的一年,l－2月全疆气温持续前冬偏高趋势,并且偏高幅度增大,全疆大部地区1月偏高、2月特高;降水北疆分布不均,1月多2月少,南疆两月基本无降水。由于2月份气温异常偏高、降水少．造成2月下旬北疆积雪除北疆北部、东部接近常年外,其它大部地区偏薄;同时南疆大部地区陆续在2月中下旬提早1－4候开春,尤其北疆的伊宁在2月11～15日开春,为有记录以来开春最早的年份。1月平均气温和月总降水量1．1月平均气…     

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。     

Improving the treatment of the vertical snow burial fraction over short vegetation in the NCAR CLM3

One deficiency of the NCAR Community Land Model (CLM3) is the disappearance of the simulated snow even in the middle of winter over a boreal grassland site due to unrealistically modeled high downward turbulent fluxes. This is caused by the inappropriate treatment of the vertical snow burial fraction for short vegetation. A new snow burial fraction formulation for short vegetation is then proposed and validated using in situ observations. This modification in the CLM3 largely removes the unrealistic surface turbulent fluxes, leading to a more reasonable snowmelt process, and improves the snow water equivalent (SWE) simulation. Moreover, global offline simulations show that the proposed formulation decreases sensible and latent heat fluxes as well as the ground temperature during the snowmelt season over short vegetation dominant regions. Correspondingly, the SWE is enhanced, leading to the increase in snowmelt-induced runoff during the same period. Furthermore, sensitivity tests indicate that these improvements are insensitive to the exact functional form or parameter values in the proposed formulation.     

基于常规气象资料融雪模式的建立及应用

以能量平衡方程为基础,考虑太阳短波辐射、大气和地面的长波辐射、潜热、感热传输以及下垫面的热传导等能量之间的平衡,建立了利用常规气象观测资料预测雪面温度和积雪深度变化的融雪模型。利用2009年1—3月以及2009年12月—2010年1月在湖北恩施雷达站的积雪观测数据进行模拟和验证,结果表明：该模型对于雪面温度和积雪深度都有较好的模拟效果。当下垫面导热系数λg〈0.5时,下垫面对雪深的影响很小;当λg≥0.5时,积雪融化速度随λg的增大而加快,说明下垫面的热传导是影响积雪深度变化的主要因素之一。     

POSSIBLE CONTRIBUTION OF A TROPICAL CYCLONE TO SHORT-TERM CLIMATE ANOMALIES IN EAST ASIA VIA SNOW COVER ON THE TIBETAN PLATEAU

Snow cover on the Tibetan Plateau (TP) has been shown to be essential for the East Asian summer monsoon. In this paper, we demonstrate that tropical cyclone (TC) 04B (1999) in the northern Indian Ocean, which made landfall during the autumn of 1999, may have contributed to climate anomalies over East Asia during the following spring and summer by increasing snow cover on the TP. Observations indicate that snow cover on the TP increased markedly after TC 04B (1999) made landfall in October of 1999. Sensitivity experiments, in which the TC was removed from a numerical model simulation of the initial field, verified that TC 04B (1999) affected the distribution as well as increased the amount of snow on the TP. In addition, the short-term numerical modeling of the climate over the region showed that the positive snow cover anomaly induced negative surface temperature, negative sensible heat flux, positive latent heat flux, and positive soil temperature anomalies over the central and southern TP during the following spring and summer. These climate anomalies over the TP were associated with positive (negative) summer precipitation anomalies over the Yangtze River valley (along the southeastern coast of China).     

青藏高原化雪迟早的辐射效应对季节变化的影响

利用大气物理所九层菱形截断１５波大气环流谱模式进行数值试验，研究青藏高原化雪迟早之辐射效应对季节变化的影响。共进行了正常态（ＣＯＮ），化雪迟（ＭＳＮ），化雪早（ＬＳＮ）三个试验。高原第ｉ月积雪状况在ＣＯＮ中取ｉ月气候平均值，在ＭＳＮ中取（ｉ—１）月的气候平均状况，在ＬＳＮ中则取（ｉ＋ｌ）月的气候状况。每个试验都从１月１日气候平均状况出发，积分至１０月。通过比较各试验结果分析化雪迟早的气候效应。结果表明，高原化雪的迟早改变了进入地表的辐射通量，从而改变了地表对大气的加热，由此影响东亚地区的季节变化。化雪迟则高原上春季进入地表的辐射通量减少，导致地表的潜热通量和向外长波辐射减弱。尤其是感热通量的减弱更为严重。一般情况下，高原在冬季为大气的感热汇，３月下旬变为大气的感热源。多雪时，这一变化推迟了近１个月。与之相应，２００ｈＰａ高原上空的南亚高压建立迟，印度西南季风爆发也迟。造成夏季风降水在印度偏少，在中印度半岛和广东沿海偏多。     

Modelling spatially distributed snowmelt and meltwater runoff in a small Arctic catchment with a hydrology land‐surface scheme (WATCLASS)

Abstract

The fully distributed hydrology land‐surface scheme WATCLASS is used to simulate spring snowmelt runoff in a small Arctic basin, Trail Valley Creek, dominated by open tundra and shrub tundra vegetation. The model calculates snowmelt rates from a full surface energy balance, and a three‐layer soil model is used to simulate the infiltration into and the exchange of heat and moisture within the ground. The generated meltwater is delivered to the stream channel network by overland flow, interflow, and baseflow and subsequently routed out of the catchment. Subgrid spatial variability is handled by the model through the use of grouped response units (GRUs). The GRUs in WATCLASS are chosen according to vegetation land cover.

Five spring snowmelt periods with a variety of initial end‐of‐winter snow cover and melt conditions were simulated and compared with observed runoff data. In a second step, the model's ability to simulate spatially variable snow covered area (SCA) within the basin was tested by comparing model predictions to remotely sensed SCA. WATCLASS was able to predict runoff volumes (on average within 15% over five years of modelling) as well as timing of snowmelt and meltwater runoff for open tundra fairly accurately. However, the model underestimated melt in the energetically more complex shrub tundra areas of the basin. Furthermore, the observed high spatial variability of the SCA at a 1‐km resolution was not captured well by the model.

Several recommendations are made to improve model performance in Arctic basins, including a more realistic implementation of the gradual deepening of the thawed layer during the spring, and the use of topographic information in the definition of land cover classes for the GRU approach.     

The coupling of the Common Land Model (CLM0) to a regional climate model (RegCM)

Summary We replace the existing land surface parameterization scheme, the Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme (BATS), in a regional climate model (RegCM) with the newly developed Common Land Model (CLM0). The main improvements of CLM0 include a detailed 10-layer soil model, the distinction between soil ice and water phases, a linked photosynthesis-stomatal conductance model, a multilayer snow model, and an improved runoff parameterization. We compare the performance of CLM0 and BATS as coupled to the RegCM in a one year simulation over East Asia. We find that the RegCM/CLM0 improves the winter cold bias present in the RegCM/BATS simulation. With respect to the surface energy balance, lower CLM0 albedos allow the absorption of more solar radiation at the surface. CLM0 tends to simulate higher sensible heat and lower latent heat fluxes than its BATS counterpart. The surface water balance also changes considerably between the two land surface schemes. Compared to BATS, CLM0 precipitation is reduced overall and surface runoff is increased, thereby allowing less water to enter the soil column. Evapotranspiration is lower in CLM0 due to lower ground evaporation, which leads to a wetter surface soil in CLM0 in spite of less precipitation input. However, transpiration is greater in CLM0 than BATS, which has an overall effect of less surface storage during the summertime. Comparison with station observations indicates that CLM0 tends to improve the simulation of root zone soil water content compared to BATS. Another pronounced difference between the two schemes is that CLM0 produces lower snow amounts than BATS because of different snow models and warmer CLM0 temperatures. In this case, BATS snow cover amounts are more in line with observations. Overall, except for the snow amounts, CLM0 appears to improve the RegCM simulation of the surface energy and water budgets compared to BATS.     

欧亚中高纬陆面感热异常影响我国夏季气候的数值模拟

使用区域气候模式RegCM4.4.5.7,通过改变春季欧亚大陆中高纬地区的陆面感热通量,对欧亚中高纬感热异常影响中国夏季气候进行模拟分析,并探讨其影响机制。试验结果表明:当春季欧亚中高纬陆面感热通量加强时,我国长江流域和东北东部夏季气温降低,降水偏多;华北地区气温升高,降水偏少。春季陆面感热增强引起近地面和对流层低层大气热力状况异常,进而导致高度场和环流场的异常,长江流域和东北地区有气旋环流,对流运动旺盛,结合充足的水汽条件,对应降水偏多,而华北地区则相反,有反气旋环流和微弱的气流辐合,对应降水偏少。研究表明欧亚中高纬陆面感热异常是影响我国夏季气候的一个不可忽视的因子。     

西北干旱区感热异常对中国夏季降水影响的模拟

利用最新版的RegCM3模式通过增加西北干旱区地面向大气的感热输送,模拟了西北干旱区春、夏季感热异常对中国夏季降水的影响。结果表明:西北地区地面向大气的感热输送增加后,西北干旱区低层空气温度升高,空气密度减小使得空气有上升运动距平,减弱了空气的下沉运动,从而在新疆地区降水增加。西北地区下沉气流减弱使得高空气压更强,形成反气旋气流距平,导致高原地区上升气流减弱,在青藏高原降水减少。高原地区上升气流减弱导致在长江中下游和东北北部分别有负的气压距平中心,使得这里有气旋式距平环流,降水增加;而在华南、西南、华北南部和东北南部降水减少。     

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。