基于陆面水文耦合模式CLHMS的淮河流域水文过程的模拟评估及其不确定性分析

利用最新的CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)再分析及观测的降水和地表气温资料驱动陆面水文耦合模式CLHMS(Coupled Land surface and Hydrologic Model System),对淮河流域1980~2003年共24年的水文水循环过程进行了模拟,系统评估了CLHMS对淮河流域水文过程的模拟能力及其不确定性。分析结果表明,CLHMS模式对淮河流域水文过程具有良好的模拟能力,模式尤其对湿润年份流域的水量平衡以及河道流量的季节、年际变化具有很强的模拟能力,而对降水偏少的干旱年份,模式模拟的河道流量通常会高于观测实况,与实况间存在着一定的偏差,而这也是导致CLHMS对流域水文过程模拟能力存在显著年代际差异的主要原因。基于三组不同降水强迫的流域水文过程模拟结果比较表明,降水驱动资料准确与否是陆面水文模拟最主要的不确定性来源之一,正是由于CFSR再分析降水与观测降水之间存在较大的差异,从而导致CFSR降水驱动下模式模拟的淮河流域河道流量与观测存在较大的偏差,其模拟性能相对较差。进一步分析还表明,可以保持较强降水日变化的时间解集方法,也是保证合理模拟流域水文过程的重要因素。     

一个改进的陆面过程模式及其模拟试验研究第二部分:陆面过程模式与区域气候模式的耦合模拟试验

在第一部分提出的陆面过程模式与区域气候模式ＲｅｇＣＭ实现耦合的基础上,利用这一耦合模式（简称ＣＲｅｇＣＭ）对中国中东部地区１９９１年５～７月江淮大暴雨时期的强降水气候特征进行了模拟,并与ＮＣＡＲ的区域气候模式ＲｅｇＣＭ２（此处称ＮＲｅｇＣＭ）在同样初、边值条件和同样物理过程选项下的模拟结果进行了对比分析。分析结果表明,模式ＣＲｅｇＣＭ具有较强的模拟性能和模拟能力,基本上成功地模拟了这次极端的降水气候事件。在某些方面,如地面气温和与陆面过程有关要素的模拟上,ＣＲｅｇＣＭ的模拟结果要比ＮＲｅｇＣＭ的结果更合理。     

复杂陆面模式与中期数值天气预报模式的耦合

将复杂陆面模式(CLM3)耦合到中期数值预报模式YHMPT106中,替换原来的简单3层陆面过程参数化方案.对比分析表明,较为复杂的陆面过程模式CLM3与中期预报业务模式YHMPT106的耦合是成功的,耦合模式可稳定运行,其预报效果也好.这个试验亦为将来气候预测模式中使用精细的大气环流模式提供了有用的经验.     

陆面模式SSiB耦合TOPMODEL对流域水文模拟影响的数值试验

为了检验陆面模式SSiB耦合TOPMODEL模型对流域水量平衡模拟结果的影响,用原始SSiB与TOPMODEL按饱和区和非饱和区两种方案耦合的耦合模型(下称SSiBT)进行长江下游青弋江流域水文的数值试验,通过耦合模型与原始SSiB模式模拟结果的比较,并利用流域实测逐日流量和水量平衡资料,揭示了流域水文模拟结果对SSiB耦合TOPMODEL的响应和原因.结果表明:(1)与原始SSiB的模拟结果相比,SSiBT增加了土壤湿度的模拟结果和各层土壤湿度之间的差异,流域蒸散发增加而总径流减小.(2)原始SSiB不能准确地将径流在地表径流和基流之间分配,对于较小的土壤饱和导水率,原始SSiB产生过多的地表径流和洪峰流量;对于较大的土壤饱和导水率又产生过多的基流和明显偏小的洪峰流量.(3)即使土壤饱和导水率大到不会产生超渗产流,由于饱和区的存在,SSiBT在洪水期间也能产生足够大的地表径流,从而形成洪峰流量.由于考虑了地形引起的土壤湿度空间非均匀形成的饱和区产流,SSiBT改善了雨季逐日流量的模拟结果.     

简评陆面过程模式

在这篇文章中,阐述了陆面过程对天气,气候和大气环流的影响以及陆面过程模式在大气数值模拟中的重要性;回顾了陆面过程模式的发展历史;分析了一些陆面过程模式之间的主要结构差别;讨论了目前陆面过程模式的发展水平和未来的发展方向;简述了大气中尺度模式与陆面过程耦合的必要性以及当今耦合模式的研究现状。     

典型干旱区荒漠戈壁陆面参数的观测研究

根据目前流行的陆面过程模式的需要，利用２０００年５－６月敦煌陆面过程野外观测实验加强期的观测资料，分析了西北典型干旱区荒漠戈壁的一些关键陆面过程和土壤参数的特征和规律。并且利用相对反射为权重加权平均，计算得到典型干旱区敦煌荒漠戈壁的平均反射率为０.２５５±０.０２１；剔除建筑物干扰后，利用对数平均法计算的粗糙度长度平均值为０，００１９±０。０００７１ ｍ；剔除绿洲影响后，用无降水影响的资料确定出土壤湿度影响因子为０．００４５；剔除降水影响后，用观测资料计算的敦煌典型干旱区荒漠戈壁的热容量平均值为１．１２×１０~６ｍ~（－３）Ｋ~（－１），比“黑河试验”在戈壁和在其它沙漠观测的有关值略小一些，但热扩散率和热传导率都比“黑河试验”在戈壁观测的值小一倍左右；观测的敦煌戈壁典型天气条件下的土壤含水量非常小，基本上不超过１％。     

新一代格点大气环流模式与陆面生态模式AVIM的耦合研究

将陆面生态模式AVIM(Atmosphere-Vegetation Interaction Model)的物理模块(PHY-AVIM)耦合到中国科学院大气物理研究所新一代格点大气环流模式GAMIL(Grid-point Atmospheric Model)中,替换GAMIL中的陆面模式BATS.对两种方案GAMIL+BATS(旧版本)和GAMIL+(PHY-AVIM)(新版本),分别独立进行11年积分,取后10年的积分结果进行分析.结果发现:新版本明显改进冬、夏季陆地表面的感热、潜热场通量,尤其在夏季,非洲大陆的中北部、欧亚大陆、北美中部以及南美北部等地区,新版本的感热场模拟值均比旧版本低,更接近NCEP再分析资料的结果;同样,对于地表面温度场,新版本在夏季明显地减弱了旧版本在大陆上的的暖偏差,模拟的结果更合理;新版本对冬、夏季的海平面气压场、降水场也有一定的改进,但改进不是很明显.以上的所有改进主要是由于AVIM引入了更细致的陆面物理过程参数化方案,以及使用了分辨率(0.5°×0.5°)更高的陆地植被分类资料.     

AREM模式中陆面过程的改进与试验

为了提高AREM模式业务预报能力,对AREM业务模式陆面过程参数化方案作了修改,将陆面过程模式BATS耦合其中;同时,应用耦合BATS的AREM模式与原模式分别对2006年6～7月我国南方汛期降水过程进行了典型个例模拟分析和批量后报试验;另外,对降水预报进行了分区统计检验。结果表明,引入BATS方案使模式对降水区和降水中心预报有较好的改进,漏报率减小,Ts评分明显提高,这说明恰当描述陆面过程对改进AREM模式降水预报具有重要作用。     

Application of a Coupled Land Surface-Hydrological Model to Flood Simulation in the Huaihe River Basin of China

A hydrological simulation in the Huaihe River Basin（HRB） was investigated using two different models： a coupled land surface hydrological model（CLHMS）, and a large-scale hydrological model（LSX-HMS）. The NCEP-NCAR reanalysis dataset and observed precipitation data were used as meteorological inputs. The simulation results from both models were compared in terms of flood processes forecasting during high flow periods in the summers of 2003 and 2007, and partial high flow periods in 2000. The comparison results showed that the simulated streamflow by CLHMS model agreed well with the observations with Nash-Sutcliffe coefficients larger than 0.76, in both periods of 2000 at Lutaizi and Bengbu stations in the HRB, while the skill of the LSX-HMS model was relatively poor. The simulation results for the high flow periods in 2003 and 2007 suggested that the CLHMS model can simulate both the peak time and intensity of the hydrological processes, while the LSX-HMS model provides a delayed flood peak. These results demonstrated the importance of considering the coupling between the land surface and hydrological module in achieving better predictions for hydrological processes, and CLHMS was proven to be a promising model for future applications in flood simulation and forecasting.     

Elucidating Dominant Factors Affecting Land Surface Hydrological Simulations of the Community Land Model over China

In order to compare the impacts of the choice of land surface model(LSM) parameterization schemes, meteorological forcing, and land surface parameters on land surface hydrological simulations, and explore to what extent the quality can be improved, a series of experiments with different LSMs, forcing datasets, and parameter datasets concerning soil texture and land cover were conducted. Six simulations are run for the Chinese mainland on 0.1° × 0.1° grids from 1979 to 2008, and the simulated mon...     

Preliminary Assessment of the Common Land Model Coupled with the IAP Dynamic Global Vegetation Model

The Common Land Model（CoLM） was coupled with the IAP Dynamic Global Vegetation Model（IAPDGVM）, and the performance of this combined CoLMIAP model was evaluated. Offline simulations using both the original Common Land Model（CoLM-LPJ） and CoLM-IAP were conducted. The CoLM-IAP coupled model showed a significant improvement over CoLMLPJ, as the deciduous tree distribution decreased over temperate and boreal regions, while the distribution of evergreen trees increased over the tropics. Some biases in CoLM-LPJ were preserved, including the overestimation of evergreen trees in tropical savanna, the underestimation of boreal evergreen trees, and the absence of boreal shrubs. However, most of these biases did not exist in a further coupled simulation of IAP-DGVM with the Community Land Model（CLM）, for which the parameters of IAP-DGVM were optimized. This implies that further improvement is needed to deal with the differences between CoLM and CLM in parameterizations of landbased physical and biochemical processes.     

基于贝叶斯原理降水订正的水文概率预报试验

利用淮河流域加密站点2008年6月1日—8月31日逐日降水资料、对应的T213模式的24 h, 48 h以及72 h集合预报,采用贝叶斯模型平均 (Bayesian Model Averaging,BMA) 方法对集合预报15个成员的降水预报进行了概率集成与偏差订正,采用排序概率评分 (CRPS)、平均绝对误差 (MAE) 对BMA的订正结果进行检验,并将订正后的降水预报输入VIC (Variable Infiltration Capacity) 水文模型中进行水文概率预报。结果表明:经BMA订正后的24 h, 48 h, 72 h降水预报精度较订正前有所提高;BMA模型给出的有效区间 (第25百分位数至第75百分位数) 预报将实况降水量包含在内的可能性比订正前更大;由水文概率预报检验指标分析可知,经BMA订正的降水集合预报,由VIC水文模型模拟得到的径流量变化趋势与实况较吻合。     

陆面过程模式CLASS径流模拟的改进和应用

针对陆面过程模式CLASS(Canadian Land Surface Scheme)产流模拟方面的不足,提出考虑壤中流产流机制的产流模拟方案。利用淮河流域能量和水分循环试验(HUBEX)资料,在史灌河流域对改进前后的模型进行了对比试验。结果表明,产流模拟改进方案大大提高了CLASS的径流模拟能力,同时改善了模式对土壤含水量的模拟。     

淮河流域陆面水文过程的数值模拟

采用生物-大气传输模式（BATS模型）模拟了淮河流域山丘区和平原区在1998年汛期的暴雨洪水过程,从陆地-大气间水量交换的角度揭示了径流量、土壤含水量、土壤质地、植被分布的内在联系。结果表明：对于山丘区和平原区而言,根系层土壤含水量、土壤质地以及土壤颜色的变化对径流量的影响具有相似性,但是敏感性不同;而山丘区和平原区深层土壤含水量和植被覆盖率变化对径流量影响的作用正好相反。这些结果显示,由于山丘区与平原区的不同气候和下垫面条件,而造成两者水文性质的差异性,反映了大气-水文之间关系与作用的不同特征。     

一个具有高分辨率海洋分量的海气耦合模式

发展了中国科学院大气物理研究所（IAP）大气科学与地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG)全球海-陆-气耦合系统模式的一个新版本（GOALS-5）,其中海洋分量是基于30层高分辨率的海洋环流模式。对该耦合模式成功地进行了30年的积分,基本上克服了气候飘移。与GOALS较早的几个版本模拟的SST相比,北半球夏季中高纬地区的误差显著改善,可能主要是由于采用了GM90的等密度混合方案使经向热输送增强的结果。对赤道中东太平洋冷暖事件有较好的模拟能力,并且对SST变率的模拟在位置和强度上比旧版本有明显改善。     

陆气相互作用及陆面模式的研究进展

较为全面地回顾了有关陆气相互作用的研究进展及陆面模式的发展现状，结合近年来开展的有关陆气相互作用的20多个大型国际研究计划和目前国内外具有代表性的陆面模式，分析了当前陆气相互作用及陆面模式研究中存在并有待进一步解决的问题，探讨了未来陆面模式的发展趋势。     

区域海气耦合模式模拟中国夏季降水能力分析

基于OASIS3(Ocean Atmosphere Sea Ice Soil version 3)耦合器,耦合区域气候模式RegCM3(Regional Climate Model version 3)和海洋模式HYCOM(Hybrid Coordinate Ocean Model),建立一个区域海气耦合模式,并通过嵌套方法处理海洋模式的侧边界问题。运用该耦合模式对1982～2001年包括中国在内的东亚地区气候进行连续模拟,重点分析其对中国夏季(6～8月)降水的模拟性能。结果表明:耦合模式基本可以模拟出中国夏季降水的空间分布特征,模拟的降水量值和年际变化在靠近海洋的沿海区域比参照试验有一定程度的改善;能够再现观测夏季降水经验正交函数第一模态(EOF1)的空间分布特征,与观测EOF1的时间相关性也比参照试验有较大提高;前6个模态的组合分析也表明耦合模式对长江中下游、山东半岛、海南岛等区域夏季降水的较大时间尺度气候分量的模拟改善更显著。