非线性发展方程的非守恒格式的计算稳定性问题

针对非线性发展方程的非守恒格式,以一维浅水波方程为例,对非守恒格式的计算稳定性进行了研究分析,探讨了非线性发展方程的非守恒格式与初值的关系.理论分析和数值试验表明,在格式结构已经确定的情况下,非守恒格式的计算稳定性主要由初值的形式所决定.     

基于微波亮温及集合Kalman滤波的土壤湿度同化方案

基于集合Kalman滤波及SCE-UA(shuffled complex evolution)算法发展了能够直接同化微波亮温的土壤湿度同化方案. 该方案以陆面过程模式CLM 3.0中的土壤水模型作为预报算子, 以辐射传输模型作为观测算子. 整个同化过程分为参数优化和土壤湿度同化两个阶段, 利用SCE-UA算法优化辐射传输模型中难以确定的植被光学厚度参数和地表粗糙度参数, 并利用优化参数作为观测算子的模型参数进行同化. 通过人工理想试验表明该同化方案可以明显改善表层土壤湿度的模拟精度, 并且对深层土壤湿度的模拟也有一定程度的改善; 利用AMSR-E亮温(10.65 GHz垂直极化)所进行的实际同化试验表明顶层(0~10 cm)土壤湿度同化结果与观测的均方根误差(RMSE)由模拟的0.05052减小到0.03355, 相对减小了33.6%, 而较深层(10~50 cm)平均减小了20.9%. 这些同化试验显示该同化方案的合理性.     

根系水力再分配对陆地碳水循环的影响——以亚马孙流域为例

水力再分配是指在根系-土壤界面水势梯度驱动下,水分经由根系在土壤不同部位之间的被动运输过程,是陆地表层系统地下生态过程的一个重要环节,它影响植被根系与土壤水分相互作用并在生态系统碳水循环过程中起着关键调节作用.利用模式探讨水力再分配对陆地碳水循环的影响,对定量评估水力再分配的作用及促进陆面模式的发展具有重要意义.文章将水力再分配方案应用于通用陆面过程模式CLM4.5,并以亚马孙流域为例进行数值模拟试验,探讨水力再分配对陆地碳水通量的影响.结果表明:在亚马孙塔帕若斯河国家森林(BRSa3)站点,由于湿润季的根区水分充足,根系水力再分配作用较小(小于0.1mm day~(–1));在干旱季水力再分配作用明显,土壤水由下层向上层传输的最大值可达0.3mm day~(–1),使得更多深层土壤水被根系吸收,从而减小干旱季土壤水分对植被的胁迫,改善模式对植被总初级生产力和蒸散发的低估,均方根误差分别减小了14.9g C m~(–2)month~(–1)和7.5mm month~(–1).文章表明,考虑水力再分配作用的陆面过程模式能够更好的再现植被对季节性干旱及严重干旱的响应.     

非饱和流问题的数值模拟研究

利用有限元方法 ,建立了非饱和土壤水流动的数值计算模型 ,用以模拟均质土壤 ,地下水埋藏很深且在不同的初始和边界条件下的水分运动 .对于入渗或蒸发问题 ,用通常的离散方法容易产生振荡非物理解 .我们采用有限元集中质量法 ,将质量矩阵的非对角元集中到主对角元 ,避免了这种非物理解的产生 ,并且较好地处理了这类边界条件 .     

基于静止气象卫星观测的降水时间降尺度研究

高分辨率降水时空分布估计对于陆面数值模拟和同化,天气、气候与环境及其相关领域研究具有重要意 义。长时间序列降水分布常使用时间和空间插值技术进行估计。本文提出了一种基于每小时静止卫星云图云分类 信息的累积降水估计时间加权插值方法,它通过利用高时空分辨率静止卫星云图所反映的云的变化,与卫星降水 估计和地面观测降水相结合,以获得时空分布比较合理的地面降水分布。将该方法应用于FY2C 云图和国家卫星 气象中心FY2C 的6 小时降水估计业务产品,得到FY2C 卫星发射(2005 年)以来具有10KM空间分辨率以及1 小 时分辨率的降水数据集,并利用中国区域自动雨量观测资料对该降水估计数据集进行检验和评估,以表明该方法 的合理性。     

农作物分布对南水北调受水区域 陆面过程模拟的影响

本文将中国陆面覆盖资料(CLCV)与全球农作物分布资料融合,获取了一套包含小麦、玉米和水稻这些农作 物分布的陆面覆盖资料(CLCV- 3C),并将该陆面覆盖资料以及CLCV 应用于陆面模式CLM针对南水北调受水区域 的数值模拟试验以探讨该区域农作物分布对陆面能量水分过程模拟的影响。结果显示,与原来没有区分这三种主 要农作物分布相比,考虑农作物分布后,小麦区模拟的多年平均净辐射、感热、径流会增加,而蒸散发会减少;玉米 区和水稻区的多年平均净辐射、感热、蒸散发均会增加,而径流会减少。这些研究表明,农作物分布对南水北调受水 区域陆面水分能量过程有不可忽视的影响。     

考虑冻融界面变化的土壤水热耦合模型

土壤的冻结和融化是土壤内部的重要物理过程,其冻融界面位置的移动影响土壤水热特性以及陆面和大气之间的水分能量交换,从而对陆面水热过程产生重要影响.本研究将土壤冻结和融化问题归结为考虑水热耦合的多运动边界问题,利用局部自适应变网格法进行数值离散,发展了考虑冻结和融化界面位置的移动对水热过程影响的土壤水热耦合模型.该模型基于陆面模式分层结构的敏感性试验表明:它能同时连续地追踪多个冻融界面,克服了等温线法在同一土壤层不能同时模拟多个冻融界面的困难,比高分辨率情形下的计算效率提高数倍且计算稳定.利用站点观测对土壤冻融界面的位置、土壤温度和未冻水含量所进行的模拟验证,进一步表明了该模型的合理性以及应用于陆面过程模式的模拟潜力.     

陆面水文过程研究进展

本文回顾了近年来中国科学院大气物理研究所在陆面水文过程的观测、模式发展以及陆气相互作用研究等方面所取得的重要研究成果。首先概述了近年来在中国区域所开展的陆气相互作用野外观测试验,通过资料分析揭示了国际上现有陆面模式对干旱／半干旱地区陆气相互作用模拟的偏差,指出典型干旱／半干旱区陆面过程参数修正的必要性;随后重点描述了陆面过程模式中积雪覆盖度和冻土参数化方案的发展,中国区域土壤湿度的时空分布特征及其对区域气候的影响,以及中国区域大尺度水文模式的研制和应用等;最后给出了陆面水文过程研究的趋势和发展方向的展望。     

长江流域1982~2005年陆地水储量变化及时空分布特征

利用PER（Precipitation-Evaporation-Runoff）水量平衡方法结合大尺度陆面水文模型VIC(Variable Infiltration Capacity)模拟了长江流域1982~2005年陆地水储量的时空变化特征。结果表明：PER方法模拟的长江流域陆地水储量变化与重力卫星的观测试验(GRACE)结果呈现良好的一致性,显示该方法的合理性。长江流域在1982~2005年的多年平均气温、降水、蒸散发和径流分别为13.3 °C、1036.8 mm、459.4 mm和576.7 mm,陆地水储量季节和年际变率分别为23.3 mm和37.0 mm,水储量这24年变化的量级在200 mm左右。按照年代对1982~1990年、1991~2000年和2001~2005年这3个时段进行了统计分析,其多年平均气温分别为13.0、13.4和13.9 °C,多年平均降水分别为1031.6、1051.2和1017.4 mm;与此相应的多年平均蒸散发分别为459.8、459.9和457.7 mm,多年平均径流深分别为569.0、590.1和563.8 mm;长江流域陆地水储量的季节变率分别为21.8、26.8和22.9 mm,而年际变率分别为37.7、29.8和17.6 mm。相对于基准时段(1982~1990年),2001~2005年时段的增温速率远大于1991~2000年时段,但该时段降水却呈现减少趋势;然而两个时段的蒸散发变化不大,并且径流与降水变化趋势相同;流域平均来讲,与基准时段相比1991~2000年时段陆地水储量增加而在2001~2005年时段减少,这与降水的变化趋势相同。此外从空间分布来讲,1991~2000年和2001~2005年时段的水储量均在中部和西北呈现减少趋势,其余地区呈现增加趋势,特别地1991~2000年时段在东南地区的增加趋势尤其明显而2001~2005年时段流域的中部区域呈现明显的下降趋势,由此推断长江流域东南部水储量资源丰富,中部一些地区和西北部地区是储水量的脆弱区且对气候变化响应敏感。     

传递函数-自回归模型在地下水埋深估计中的应用

本文利用回归分析方法标定传递函数模型的参数,并利用自回归模型将残差转化为白噪声,建立降水估计地下水埋深的传递函数一自回归模型,将其应用于资料缺乏地区浅层地下水埋深的估计。结果表明利用上述方法进行参数标定所得模拟具有较高的精度,对于改进资料缺乏地区地下水埋深的估计具有重要意义。该模型为利用降水估计地下水埋深提供了一种简洁实用的方法。