作物生长对流域水文过程与区域气候的影响

利用区域气候模式RegCM3以及考虑作物生长过程的耦合模式RegCM3_CERES对东亚区域进行20年模拟,研究作物生长对流域水文过程与区域气候的影响。结果表明：考虑作物生长过程的耦合模式模拟海河流域、松花江流域、珠江流域多年平均降水效果明显改进,在除黑河流域外的各流域模拟的温度负偏差有所减小,其中在海河流域、淮河流域的夏季改进尤为明显。各流域夏季（6、7、8月）月蒸散量最高,其中长江流域、海河流域、淮河流域、珠江流域的夏季月蒸散量基本上在100 mm左右,并且七大流域蒸散发的季节变化趋势跟总降水基本一致。多数流域考虑作物生长过程的耦合模式模拟得出蒸散发减少且进入的水汽增加,导致局地水循环率减小;黑河流域与黄河流域降水有所增加,其他流域均有不同程度的减小。针对长江流域,比较耦合模式RegCM3_CERES与模式RegCM3模拟结果显示,叶面积指数减少1.20 m²/m²,根区土壤湿度增加0.01 m³/m³,进而导致潜热通量下降1.34 W/m²（其中在四川盆地地区减少16.00 W/m²左右）,感热通量增加2.04 W/m²,从而影响到降水和气温。     

一种求解贝叶斯模型平均的新方法

贝叶斯模型平均（Bayesian model averaging,BMA）是最近提出的一种用于多模式集合预报的统计方法.进行贝叶斯模型平均需要准确估算模型集合中每个竞争模型的权重与方差,经常采用的方法是期望最大化（Expectation-Maximization,EM）方法与马尔可夫链蒙特卡洛（Markov Chain Monte Carlo,MCMC）方法,两种方法各有优劣.本文首先对BMA的（对数）似然函数进行改进使之无需BMA权重之和为1的显式约束,并利用一种有限记忆的拟牛顿优化算法（LBFGS-B）对其进行极大化,由此提出了一种求解贝叶斯模型平均的新方法（BMA-BFGS）.采用三个陆面模式进行的土壤湿度多模式数值模拟试验表明：在计算精度方面,BMA-BFGS的精度与MCMC方法几乎一致,优于EM算法;在计算耗时性方面,BMA-BFGS的计算耗时与EM算法相当,远小于MCMC方法.     

基于Boussinesq-Storage 方程同时考虑水分储存和入渗的地下径流机制

在大尺度陆面水文模型中, 地下径流量通常看作是整个流域潜水面水分储存量的函数, 这样的地下径流机制往往是一种在稳定或“拟稳定”状态下地下径流量与潜水面水分含量的依赖关系, 它没有充分地考虑潜水面处水分通量对地下径流量变化的影响. 文中基于 Boussinesq- Storage方程建立了同时考虑潜水面水分储存和非饱和层水分入渗两方面影响的地下径流机制, 并利用流域水文资料以及地下径流分离算法验证了所建立模型的可靠性, 结果表明该模型能够比较合理地模拟地下径流的变化情况.     

考虑次网格变异性和土壤冻融过程的土壤湿度同化方案

集合Kalman滤波以其简单有效的特点在陆面数据同化中广泛应用,通常作为预报模型的陆面过程模式往往要考虑模式次网格变异性和土壤冻融过程,若对此不加考虑而直接对土壤湿度进行同化可能会使得同化结果发生偏差．将双集合Kalman滤波应用于土壤湿度的同化,基于NCAR／CLM陆面过程模式建立了一个考虑次网格变异性和土壤冻融过程的土壤湿度同化方案：在同一个时间步内用状态滤波对模式网格内某片上液态水分含量进行优化,用参数滤波对该片上的固态水分含量和其他片上的液态／固态水分含量进行优化,由此考虑模式次网格变异性和土壤冻融过程的影响,从而实现对整个模式网格上土壤湿度的同化．初步的同化试验表明：其同化效果在有、无土壤冻融阶段都优于一般的不考虑次网格变异性和土壤冻融变化的同化方案;该同化方案不仅能够提高那些有直接观测信息的土壤层的土壤湿度模拟精度,还能在一定程度上改善那些没有任何观测信息的土壤层的模拟效果;另外,土壤湿度同化结果的改善还能在一定程度上提高陆面模式对于土壤温度的模拟精度．     

基于本征正交分解的显式四维变分同化方法：理论与验证

将本征正交分解（POD）方法用于四维空间预报集合提取标准正交基,该标准正交基在最小二乘意义下是最优的,与奇异值分解（SVD）技术相比,它能捕捉到预报集合空间更多的能量,能够更好地表征四维变量的空间结构以及时间演变特征．将分析向量依截断的POD基展开后,控制变量会显式地出现在代价函数中,避免了传统的四维变分方法所必需的伴随模式的运用,使得同化过程简单．用土壤湿度预报方程和人造资料进行一系列的数值试验对该基于本征正交分解的显式变分方法与基于SVD基的方法以及集合Kalman滤波进行比较,结果表明：POD／SVD方法从同化精度和同化时效上都要远远优于一般的集合Kalman滤波方法;由于POD基在最小二乘意义下的最优性,基于POD分解的同化方法要优于基于SVD分解的方法,尤其在模式存在误差的情况下表现得更为明显．     

人为扰动对陆面水分能量的影响——以沩水河流域为例

以沩水河流域为例,基于陆面模式CLM4.5,建立了综合考虑作物种植、地下水开采及灌溉等人类活动的流域陆面水文模型。利用所发展模型,针对1981~2012年,取500 m空间分辨率,探讨人为扰动对陆面过程的影响。研究表明:1）地下水侧向流使得中下游地区地下水位有所提高,平原地下水埋深分布在4 m左右,山区埋深可达到几十米;模拟的叶面积指数较静态MODIS叶面积指数偏大1左右,由此使得种植区月蒸腾量提高约10 mm,土壤蒸发和地表产流有所减少;在灌溉作用下,作物叶面积指数略增长,蒸散发稍有提高,而在假设水稻采用漫灌的情况下,水库灌溉补偿了作物生长产生的水消耗,提高了该区域土壤湿度,增加潜热通量;研究区地下水开采存在但其水文效应并不显著。2）土地覆盖变化自1990年有较大变动,1990~2000年以林地为主,2000年后以耕地为主,其中,1990~2000年土地覆盖类型变化不明显,2001~2012年耕地面积呈先减少再增加又减少的趋势,林地面积则先增加再减少又增加,耕地与林地在2012年所占比例基本持平;同一土地类型内,植被类型变化较为明显,导致陆面水文模拟结果差异较大。     

Improving the vegetation dynamic simulation in a land surface model by using a statistical-dynamic canopy interception scheme

Canopy interception of incident precipitation, as a critical component of a forest＇s water budget, can affect the amount of water available to the soil, and ultimately vegetation distribution and function. In this paper, a statistical-dynamic approach based on leaf area index and statistical canopy interception is used to parameterize the canopy interception process. The statistical-dynamic canopy interception scheme is implemented into the Community Land Model with dynamic global vegetation model （CLM-DGVM） to improve its dynamic vegetation simulation. The simulation for continental China by the land surface model with the new canopy interception scheme shows that the new one reasonably represents the precipitation intercepted by the canopy. Moreover, the new scheme enhances the water availability in the root zone for vegetation growth, especially in the densely vegetated and semi-arid areas, and improves the model＇s performance of potential vegetation simulation.     

气候变化和人类活动对中国东部季风区水循环影响的检测和归因

水文循环过程受气候变化与人类活动的共同作用,区分气候内部自然变率与人类活动作用于水循环贡献对于增加气候变化的理解非常重要。本研究利用近期发展的考虑地下水取用水与灌溉影响的全球陆气耦合模式进行数值模拟,基于最优指纹法分析探讨中国东部季风区黄河、淮河、海河、珠江、长江、松花江流域水循环变化(地表温度、降水、径流、蒸散发)及归因。结果表明:大部分流域的地表温度年际变化在1965~2005年间检测到包括温室气体气溶胶人为排放、臭氧与土地利用变化产生的外强迫效应,显示在长期对于地表温度起主要作用的可能为上述强迫;1965~2005年降水年际变化仅在淮河及长江下游检测到上述强迫效应,且在长江下游效应占主导。在1965~1984年间,地表温度的年际变化在海河流域检测到由于地下水取水灌溉产生的外强迫效应,并且该效应占主导。在1982~2005年径流年际变化中,在淮河、长江下游及黄河下游处检测到了由于温室气体排放、气溶胶人为排放、臭氧变化及土地利用变化等产生的外强迫效应但无法有效分离,显示该信号在这些地区可能不为主导效应;1982~2005年间的蒸散发年际变化在珠江、长江下游同样检测到了上述强迫效应,并且该效应在长江下游占主导效应。     

基于中国植被数据的陆面覆盖及其对陆面过程模拟的影响

本文基于中国1:100万植被图、马里兰大学AVHRR森林覆盖资料和中国753个气象站点40年的降水气温资料, 发展了一套用于气候模拟的中国陆面覆盖资料(Chinese land cover derived from vegetation map, 简称CLCV)。该套资料与CLM(Community Land Model)原来所用的MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) 陆面覆盖资料相比有较大不同: 其中裸土比例减少了14.5%, 森林、灌木、草原和农作物比例分别增加了3.3%、4.8%、4.4%和0.3%, 冰川、湖泊和湿地比例分别增加了0.4%、0.8%和0.6%。将CLCV和MODIS资料分别与全国土地资源概查汇总结果分省统计资料和基于中国1 km土地利用图的土地利用资料比较表明, CLCV与两者较为接近。最后, 利用CLM模式分别采用CLCV与MODIS陆面覆盖资料在中国区域内进行数值模拟, 结果显示, 使用CLCV资料所模拟的蒸散增加了约7.7 mm/a; 地表反照率、 感热和径流分别减小了约0.7%、 0.3 W/m2和7.6 mm/a; 与MODIS卫星反演地表反照率和GRDC (Global Runoff Data Centre) 径流资料比较表明, 利用CLCV资料所模拟的地表反照率有一定改进, 并能基本模拟出径流分布趋势。     

黄淮海平原浅层地下水埋深对气候变化响应

地下水是陆地水循环的重要组成部分,它受气候条件和植被地形及人类活动的影响.地下水埋深对气候变化的响应研究是气候变化影响研究的前沿和热点之一,对于水资源管理及其相关研究与应用具有重要意义.本文利用陆面水文模型VIC驱动统计模型RTFN开展气候变化的敏感性试验,探讨黄淮海平原地区浅层地下水埋深对气候变化的响应.研究表明,地下水埋深对降水变化的敏感程度远大于温度变化,埋深较浅区比埋深较深区敏感.在温度变化2～5℃,降水变化±15%的情景下.黄淮海平原区平均地下水埋深变化范围大致为-81～96mm.由于地下水具有自记忆性,导致埋深对降水盈余响应滞后.该地区最大的埋深变化出现在8月.