青藏高原土壤砾石对能量水分输送的观测与模拟研究

为了检验耦合了CLM4.5的区域气候模式RegCM4.7在加入砾石参数后对青藏高原土壤能量水分输送长期的模拟效果,因此选择青藏高原阿里站、那曲站、玛多站的观测数据和中国全球陆面再分析40年产品（CRA/Land）-逐日产品（陆面产品）对模式的模拟效果进行检验。结果表明：土壤温度的模拟效果较好,并且土壤深层较浅层相关系数更高,含砾石数据与再分析数据的偏差更小,多年数据的平均变化趋势更加统一;相较于土壤温度,土壤湿度的模拟效果稍差,尤其是在青藏高原中部,但是在青藏高原东部与西南部,模拟效果有较大提升,与再分析数据的偏差明显减小。通过连续多年的模拟发现,模式的模拟效果并未随着参数化方案的优化而逐年提升,而是在一定范围内波动,且每一年的模拟效果都较原模式在相关系数及均方根误差方面有所提升。     

青藏高原夏季砾石与有机质对土壤水热影响的数值模拟

青藏高原(简称高原,下同)地形复杂,各个区域土壤条件差异较大,土壤砾石与有机质对土壤水热有较大的影响。本文使用耦合了CLM4.5的区域气候模式RegCM4.7,通过修改模式所用地表数据以及相应的土壤水热参数化方案,分别建立了砾石方案(test2)和砾石-有机质方案(test3)。模拟结果表明:test2较原方案(test1)对于高原西部的模拟效果提升明显,但对于高原东部的模拟效果欠佳。test3在test2的基础上,提升了高原中部与东部浅层土壤的模拟效果。test3的浅层土壤区域平均温度均方根误差从2.11 ℃下降到0.47 ℃,浅层土壤区域平均湿度均方根误差从0.05 mm³·mm^-3下降到0.01 mm³·mm^-3。同时,三种方案均能较好地模拟高原的地表温度。其中test3误差最小,区域平均的均方根误差从2.18 ℃下降到0.74 ℃,与再分析数据更加接近。     

土壤砾石参数化对高原涡形成发展作用的敏感性分析

采用耦合了砾石参数化方案CLM4.5的区域气候模式RegCM4对一次高原涡进行了模拟分析,并做了3组敏感性试验,结合欧洲中心ERA5再分析资料进行验证分析,使用了高空、低空及土壤水热属性参数等资料,分析了砾石参数化对高原涡初生、发展、消亡等影响。结果表明：在500 hPa形势场中,特别是在高原涡发生和发展的阶段,砾石含量越接近实际,模拟效果越好,RegCM4对青藏高原降水量的模拟能力随砾石含量接近实际而提升;在高原涡区及其东北移动路径上,2 m温度的模拟结果随砾石含量的增加而升高,为高原涡的生成和发展提供条件;砾石参数化方案明显提升了土壤导热率和土壤导水率,在高原涡初生和发展过程中,砾石含量接近实际,模拟土壤温度和土壤体积含水量也接近实际,在高原涡消亡阶段,土壤含砾石较高使浅层温度明显降低,加速了高原涡的消亡,并且随着土壤深度的增加,砾石对土壤升温作用明显减弱,在高原涡生成和发展阶段,砾石对模式的提升作用明显,但在高原涡减弱和消亡阶段,砾石对模式的提升作用逐渐降低。     

土壤砾石参数化对一次高原低涡形成发展影响的数值模拟

为了验证陆面过程模式砾石参数化方案在青藏高原上的天气过程的模拟能力,本文通过耦合了砾石参数化方案CLM4.5的区域气候模式RegCM4,对一次高原低涡个例进行模拟研究,利用模拟的500 hPa高空形势场、2 m温湿度和土壤温湿度等数据,结合ERA5资料对比验证分析。结果表明：加入砾石参数化方案的RegCM4对本次高原涡个例模拟效果整体较好;在500 hPa高空形势场中,新方案比旧方案更为准确地模拟出高原涡中心位置和涡区温度场特征;在高原涡生成和发展阶段,新方案模拟的2 m温度和相对湿度效果明显较旧方案强,为低涡的生成和发展提供有利条件;在土壤温湿度的模拟中,加入砾石后提升了土壤的导热率和导水率,使高原涡在初生和发展阶段提供更好的土壤热力和水分条件;高原涡消亡阶段,新方案使浅层土壤温度下降,深层土壤温度升高;在500 hPa反气旋性环流地区,新方案模拟的土壤体积含水量较旧方案偏低,而当青藏高原高空无强烈天气系统时,新旧方案在土壤体积含水量的模拟表现差别不大。在高原涡整个生命史中,新方案在浅层土壤温度的模拟明显优于旧方案,而在土壤体积含水量模拟中第1层效果最好。