模式时间关联误差对集合平方根滤波估算土壤湿度的影响

为了定量评估模式时间关联误差对NOAH陆面模式同化表层土壤湿度观测估算土壤湿度廓线的影响,采用集合平方根滤波(En SRF)与状态增广相结合的技术,开展同时更新状态变量和订正模式偏差的观测系统模拟试验,结果表明:同化时若不对存在较大系统性偏差的模式时间关联误差进行处理,En SRF就不能有效估算土壤湿度廓线,而采用状态增广和En SRF相结合的技术,可以在更新土壤湿度时同步订正模式偏差,土壤湿度估算精度明显提高。敏感性试验进一步表明:模式偏差大小、同化时间间隔和观测误差会以不同方式对同化结果造成影响。     

评估两类模式对陆面状态的模拟和估算

针对夏季土壤变干过程,利用观测系统模拟试验,比较离线的陆面模式(LSM)和耦合大气边界层的陆面模式(SCM)对土壤温度、湿度和地表热通量等陆面状态的模拟,然后借助数据同化方法,评估2类模式对陆面状态的估算能力.结果显示:2类模式除对地表长波辐射和感热通量的模拟差别较大外,对其余量则较小;只同化表层土壤湿度观测时,LSM对土壤湿度和感热通量的估算好于SCM,对土壤温度的估算则相反,而对潜热通量估算的差距很小;同时同化表层土壤温度、湿度观测会使地表热通量的估算差距增大;最后对2类模式不同表现的可能原因进行分析讨论.上述数值模拟和同化结果:当用某一类模式的模拟结果或同化产品为另一类不同模式提供初边界条件时必须注意它们之间的差异,避免出现输入量引起的模式状态量间的动力不协调现象.     

基于土壤水模型及站点资料的土壤湿度同化方法

基于非饱和土壤水模型和扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter)同化算法并结合陆面过程模型VIC发展了一个土壤湿度同化方案，并进行了理想试验及同化站点资料的同化试验。理想试验结果表明：扩展卡尔曼滤波方法能完整反演土壤湿度廓线，对土壤湿度的估计有较大改善；观测深度、观测层数和观测资料引入频率对同化结果有一定影响；加大观测频率，可以进一步改善同化效果。利用气象强迫驱动陆面模型VIC算出地表入渗条件而进行的同化站点资料的试验所得土壤湿度分布与观测资料基本吻合，反映了站点土壤湿度的月、季变化，表明该方案是合理的。     

土壤湿度遥感估算同化研究综述

土壤湿度是影响气候的至关重要的变量之一。利用数据同化方法反演大规模高精度土壤湿度数据是目前土壤水分研究的一个重要方向。结合国内外土壤湿度遥感估算研究现状,总结了土壤水分同化算法主要应用进程,梳理了目前实现土壤水分反演且应用广泛的陆面过程模型,Noah模型、通用陆面过程模型CLM、简单生物圈模型Si B2、北方生产力模拟模型BEPS,介绍了大范围卫星土壤水分数据集,包括陆面同化系统数据集、ASCAT数据集、AMSR-E数据集及SMOS数据集,最后探讨了遥感土壤水分同化过程中存在的问题及发展方向。     

评估集合卡曼滤波反演土壤湿度廓线的性能

集合卡曼滤波由于易于使用而被广泛地应用到陆面数据同化研究中,它是建立在模型为线性、误差为正态分布的假设上,而实际土壤湿度方程是高度非线性的,并且当土壤过干或过湿时会发生样本偏斜.为了全面评估它在同化表层土壤湿度观测来反演土壤湿度廓线的性能,特引入不需要上述假设的采样重要性重采样粒子滤波,比较非线性和偏斜性对同化算法的影响.结果显示:不管是小样本还是大样本,集合卡曼滤波都能快速、准确地逼近样本均值,而粒子滤波只有在大样本时才能缓慢地趋近;此外,集合卡曼滤波的粒子边缘概率密度及其偏度和峰度与粒子滤波完全不同,前者粒子虽不完全满足正态分布,但始终为单峰状态,而后者粒子随同化推进经历了单峰到双峰再到单峰的变化.     

大孔径闪烁仪观测数据在陆面模式验证中的应用初探

将大孔径闪烁仪(LAS)观测数据应用在陆面模式验证中对更好地认识和描述陆面过程在气候变化中的作用有着重要意义.以中国北方2个LAS观测站--密云和阿柔为例,分别设定一个公里尺度(1 km2)的研究区域,采用陆面模式SiB2,综合利用站点观测数据、实地调查数据及卫星遥感数据,对陆面过程进行了模拟,并利用LAS和涡动相关仪(EC)观测的显热通量对模拟结果进行了评估,结果表明:SiB2模式能够对阿柔和密云显热通量的总体情况、日变化情况及季节变化情况进行较好的模拟;利用LAS显热通量进行较大尺度模拟验证,能够在很大程度上避免EC能量不闭合及其观测尺度与模式模拟尺度不匹配在验证中所造成的偏差,验证效果更好.     

黄河源区陆面过程观测和模拟研究进展

陆面过程对黄河源区水资源变化有重要的影响,探索黄河源区陆面过程和水分循环特征的关联机理有十分重要的意义.首先简述了黄河源区气候变化背景和陆面过程的基本特征,并详细介绍了近年来在黄河源区开展的一系列陆面过程野外观测试验及相关研究主题和研究进展;进一步给出了在野外试验观测资料分析、卫星遥感、数据同化应用和数值模拟等方面取得...     

土壤湿度参数化及对天气和气候模拟影响的研究进展

陆面过程中土壤湿度相关的水文过程及对天气和气候模拟的影响已经受到国内外学者的广泛关注。首先,追溯了土壤湿度的定义和确定方法,回顾了陆面模式中土壤湿度相关的水文参数化过程,包括不同土壤类型的水文曲线和土壤湿度方程的数值求解方法;其次,详细地给出了目前陆面模式中所使用的土壤水文参数的确定方法及其存在的不确定性,指出了参数敏感性分析和优化方法在陆面参数确定中的重要性,及最新的陆面水文参数集的建立在陆面模式的发展和土壤湿度准确模拟中的重要性。最后,总结了国内外关于土壤湿度对降水的反馈机制的研究进展,主要分为土壤湿度的时空分布特征和异常对季节性降水的正反馈作用,以及中尺度土壤湿度的非均匀性对局地对流激发的负反馈作用。通过总结已有的研究进展后分析了土壤湿度模拟中存在的不确定性因素,给出了土壤湿度对未来天气和气候模拟影响的主要研究方向。     

一个基于模拟退火法的陆面数据同化算法

陆面数据同化系统是近年来兴起的新领域。我们发展了一个实验型的陆面数据同化方案,它使用一种启发式优化算法——模拟退火法极小化目标泛函。与变分法和Kalman滤波方法比较,这一算法具有独立于目标泛函的优点,可处理模型和观测算子的非线性和不连续性。使用GAME—Tibet实验中的土壤水分观测值进行单点数值实验,成功地将土壤水分观测同化到陆面过程模型SiB2中。结果表明,与不进行同化相比,土壤水分的估计值有较大改善。     

陆面模式CLM4.5在青藏高原土壤冻融期的偏差特征及其原因

利用中国区域地面气象要素数据集制作的大气强迫场驱动通用陆面模式CLM4.5（Community Land Model version 4.5）对青藏高原区域进行离线模拟试验,模拟结果与D66、沱沱河（TTH）和玛曲（Maqu）3个站点的观测资料以及GLDAS（Global Land Data Assimilation System）-CLM2模拟结果进行了对比,并分析了陆面模式对冻融过程中土壤温度和湿度模拟的偏差及其可能原因。结果表明：CLM4.5对土壤温度模拟较好（平均RMSE≈3℃）,而GLDAS-CLM2计算的土壤温度偏高,偏差较大（平均RMSE>6℃）,且其偏差大于CLM4.5,尤其在冻融期;CLM4.5能较好地模拟出冻融过程中土壤湿度季节变化,但土壤湿度的模拟值与观测值存在一定偏差（平均RMSE≈0.1 mm³·mm^-3）,GLDAS-CLM2不能反映出土壤湿度在冻融过程中的变化特征。CLM4.5的模拟偏差主要来自大气强迫场,而GLDAS-CLM2的偏差除了大气强迫场的不确定性外,还来自于模式冻融参数化方案的不完善。大气强迫场中的气温和降水对土壤温度和湿度的影响在冻融期和非冻融期表现不同。在非冻融期,土壤温度的模拟主要受气温的影响（r>0.6）,气温偏差对土壤温度偏差的贡献率大于50%;土壤湿度的变化则主要受降水的影响,降水偏差对土壤湿度偏差的贡献率为20%~40%。在冻融期,受土壤水热相互作用的影响,气温和降水对土壤温度和湿度的作用效果减弱;土壤湿度的变化受气温影响显著,其贡献率为10%~20%。陆面模式中冻融参数方案的不完善是冻融过程中土壤温度和湿度偏差的重要来源之一。     

不同滤波算法在土壤湿度同化中的应用

为研究不同滤波算法在土壤湿度同化中的有效性,以及土壤湿度模拟结果对模型参数的敏感性,结合简单生物圈模型SiB2,设置敏感性实验,探求土壤饱和水力传导度对土壤湿度模拟结果的影响;并在此基础上,采用集合卡尔曼滤波（EnKF）、无迹卡尔曼滤波（UKF）和无迹粒子滤波（UPF）开展土壤湿度实时同化实验。结果表明：土壤饱和水力传导度能显著影响土壤湿度模拟精度;利用EnKF、UKF、UPF同化站点观测数据,均能改善土壤湿度模拟结果;3种同化方法在不同土壤层的同化效果不同,在土壤表层,EnKF的有效性优于UKF和UPF,在根域层和土壤深层,3种滤波方法有效性在降雨前后相差较大。因此,针对性地选择同化方法,是提高土壤湿度模拟精度的有效手段。     

基于Noah-LSM模式和CoLM模式的青藏高原中部陆面过程模拟

利用中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站Amdo站2012年10月1日-2013年10月1日的气象和土壤资料,通过Noah-LSM模式和CoLM模式对青藏高原中部陆面过程进行模拟研究。模拟结果表明：两个模式对辐射通量的模拟均与观测值较吻合,地表长波辐射的模拟效果最好,净辐射次之,地表反射辐射最差;两个模式模拟的土壤温度与观测值很接近,均是表层的模拟效果好于深层,夏季的模拟效果好于冬季;土壤的冻结和融化过程都是由表层开始向下延伸的,CoLM模式模拟的冻融起止时间与观测值更为接近;两个模式对土壤湿度的变化趋势模拟较好,但存在较大偏差。     

青藏高原土壤湿度-气候相互影响研究进展

土壤湿度作为一个具有“记忆性”的重要气候变量,可以通过改变地表的能量和水分交换,进而影响局地乃至全球的大气环流,因此受到全球气候观测系统计划的重视。近年来青藏高原土壤湿度观测网（站）建设发展迅速,为局地陆气相互作用研究提供了可靠的数据支撑。本文从不同的土壤湿度资料在青藏高原的适用性、高原土壤湿度的时空变化特征及其对气候的影响综述了近年来的国内外研究进展。由于土壤湿度在时空上的高度变异性,现有相关研究大多使用再分析资料、陆面数据同化资料和卫星遥感数据来补充观测资料进行青藏高原土壤湿度与气候的相互影响研究。但模式选择、算法和实验方案的不同,导致青藏高原土壤湿度的补充资料适用性不同,使得前人对高原土壤湿度如何影响中国及全球气候得出不同结论,故相关问题需要进一步讨论,并提出了后期青藏高原土壤湿度研究需要解决的关键问题。     

陇中黄土高原LAS在非均匀下垫面的观测优势及其在区域陆面模式验证中的初步应用

目前通用的通量观测技术涡动相关仪（EC）在区域陆面模式验证中存在能量不闭合和空间代表性有限的问题,寻求改进EC观测热通量的新技术是提高陆面模式验证效果的关键环节,大孔径闪烁仪（LAS）的出现有效改善了这一现状。基于黄土高原定西站2010年1月和6月的同步综合观测资料以及目前比较有代表性的陆面过程模式CLM的模拟数据,分析研究了LAS对EC观测地表能量不平衡问题的改进以及LAS对EC在区域陆面模式验证中的提高,结果表明：LAS可有效解决EC观测存在的地表能量不平衡问题,提高EC的地表能量闭合度,在非均匀下垫面LAS观测优势突出;利用LAS观测的感热通量进行区域陆面模式的验证,能够很大程度地避免EC能量不闭合和空间尺度不匹配在验证中造成的偏差,LAS观测更适合于大尺度模拟的验证,验证效果更好。     

基于TRMM卫星雷达降雨的流域陆面水文过程

利用热带降雨观测计划(TRMM)卫星雷达降雨数据驱动分布式陆面水文模型,研究流域尺度陆面水文过程,评估该数据在水文模拟与预报等研究领域的性能。通过与实测雨量资料比较,验证TRMM卫星雷达降雨数据的质量。分别将TRMM卫星雷达降雨与观测降雨作为耦合模型的气象输入,模拟和研究淮河流域1998~2003年的陆面水文过程时空变化。结果表明,TRMM卫星雷达降雨数据能够很好地描述降雨的时空分布,利用TRMM降雨模拟的结果与利用观测降雨模拟的结果精度相当;模拟流量与实测资料基本吻合。卫星雷达降雨数据在陆面水文过程研究中具有广泛的应用前景。     

区域尺度近地表气候要素驱动数据研制的研究综述

区域和流域尺度的陆面、水文和生态模拟与同化,都需要高分辨率的大气近地表层风、温、压、湿、辐射、降水等资料作为驱动。介绍了流域尺度驱动数据的重要性,对现阶段大气驱动数据的制备方法进行评论,总结了降水、辐射、气温和其他近地表要素的若干产品,探讨了北美陆面数据同化系统、全球陆面数据同化系统、欧洲陆面数据同化系统和中国西部陆面数据同化系统中大气驱动数据的研究思路和研究成果,最后提出了现阶段制备流域尺度驱动数据存在的问题,并针对中国西部复杂地形的高时空分辨率驱动数据制备提出一些看法。     

基于WRF驱动的CLM模型对青藏高原地区陆面过程模拟研究

NCAR-CLM是目前国际上发展较为完善的陆面过程模型.鉴于大多数研究利用气象站点的数据驱动CLM模型, 尝试将WRF气候模型的模拟结果作为驱动CLM的面上强迫场数据来对青藏高原陆面能量特征进行模拟研究.对WRF气候模型模拟的输出结果与青藏高原气象站观测数据进行比较分析表明, WRF模拟输出的气温和向下短波辐射数值与观测值的相关系数大于0.92(p >0.05), 气压和比湿的R²在0.80以上(p >0.05), 降雨和风速的模拟性能不稳定, 但WRF模拟输出的强迫场也可以作为CLM模型的驱动数据. CLM模拟的地表温度、 感热和潜热通量与青藏高原气象站观测的地表温度以及涡度通量数据验证分析表明, 虽然CLM对地表温度的模拟在合理范围内, 但模拟与观测值还是有较大偏差, 潜热和感热之间的相关系数分别为0.87和0.68(p >0.05), 表明CLM的模拟结果在单点上是可靠的.据此, 在此模拟结果基础上分析了青藏高原地区的陆面能量时空分布特征.     

黄土高原砂壤土冻融过程的观测和模拟

针对黄土高原冬季陆面过程,使用兰州皋兰地区冬季观测资料和水热耦合模式(SHAW),进行了观测资料和数值模拟分析.结果表明:冬季,黄土高原地区入射的太阳辐射较小,降水稀少,空气干燥,12月、 1月及2月的月平均气温均低于0℃,净辐射很小,积/融雪期间,净辐射出现了负值.地表能量分配中感热潜热都很小,但感热相对潜热占主要地位,在无降水时期日平均潜热通量几乎都在10W·m-2以下.水热耦合模式对地表能量中短波净辐射和长波净辐射模拟较好,感热通量和潜热通量的模拟存在一定的偏差.模式对浅层30cm和40cm土壤温度及土壤湿度模拟较为成功,模拟值对观测值的相关性较高,相关系数均达到0.87以上.土壤温度模拟偏高,土壤湿度的模拟稍偏低.     

黑河上游山区典型站的水热过程模拟研究

Noah LSM陆面过程模型在国际上被广泛应用于陆面的水热过程模拟, 但在高寒山区的适用性研究并不充分, 目前还没有在黑河上游高寒山区应用的案例. 利用Noah和黑河上游两个典型站(大冬树山垭口站和阿柔站)2008-2009年的观测数据, 对两站的水热过程进行了模拟. 通过比较模拟结果和实测的地温和液态水含量, 表明Noah能够较真实地反映该地区的水热过程. Noah对观测站的地温模拟较好, 但冬季存在一定偏差; 液态水含量的模拟总体偏低, 表层液态水含量在春季土壤融化期的模拟偏差较大. 以上现象与该地区土壤异质性较大、 春季融化期土壤冻融过程中土壤含冰量判定存在偏差、 冬季降水量观测不准等有关. 此外, 结合模拟结果, 讨论了观测数据的质量问题.     

青藏高原土壤水热过程模拟研究(Ⅰ):土壤湿度

模拟青藏高原土壤水分和热量迁移过程的连续变化对于全球变化研究具有非常重要的意义,其准确模拟是提高陆面过程模拟精度的重要条件.利用大尺度水文模型中对冻土中水分和能量平衡过程的描述,对沱沱河站点超过一年时间的土壤湿度进行了步长为1h,总时间为399d的连续模拟.与Game Tibet项目中同一时刻的土壤湿度观测资料比较的结果表明,Fuchs方程对于描述冻土中的最大未冻水含量是有效的,利用能量平衡计算获得的土壤各层的湿度与观测值相比较,其连续变化基本合理.结果表明,用该模型对高原水热过程进行长期模拟是可行的.