CLM4.0土壤水分传输方案改进在青藏高原陆面过程模拟中的效应

利用2010年5月25日-12月31日玛曲高寒草原的气象观测资料和陆面过程模式(CLM4.0)对玛曲高寒草原陆面过程进行了数值模拟。通过评估模式的模拟性能、模式对含砂量的敏感程度以及模式土壤水分传输方案改进对青藏高原地区陆面过程模拟的影响,发现CLM4.0模式能较好地再现观测站土壤温、湿度、地表辐射、湍流通量等的变化趋势,但土壤温度模拟偏低,感热通量模拟偏大;含砂量增多会减弱土壤的持水能力,使得夏季感热通量增大而潜热通量减小;CLM4.0模式中新引入的有机质对土壤温、湿度模拟均有重要影响,Richards方程和径流计算的修改则对土壤含水量模拟影响较大,这对其他陆面模式的改进具有一定的指导意义。     

青藏高原西部狮泉河陆面过程参数和土壤热属性参数研究

青藏高原陆面过程对中国的天气和气候具有重要影响。高原西部因自然环境恶劣、近地层观测实验缺乏而难以精确确定陆面过程参数和土壤热属性等参数,陆面过程模型通常只能采用模型默认参数,给该地区陆面过程模拟结果带来了不确定性,也降低耦合了陆面过程模型的天气气候模式性能。本文利用2015年6月至2017年1月期间青藏高原西部狮泉河站的陆面过程观测资料,分析了该地区常规气象特征,估算了空气动力粗糙度、热力粗糙度、地表反照率、土壤热容量、土壤热传导率、土壤热扩散率和土壤水通量密度等重要参数。结果表明,狮泉河区域近地层以偏西风为主;气温、太阳辐射、比湿等的季节变化比较显著;干湿季分明,降水主要集中在6—9月。地表反照率受土壤湿度影响,存在微小的季节变化,平均为0.20,与沙漠和戈壁相当。空气动力粗糙度和零平面位移受各方位地物分布影响而存在差异,平均分别为5.58×10~(-2)m和0.44 m。不同热力粗糙度计算方案在该地区的性能存在较大差异;热传输附加阻尼及热力粗糙度受大气边界层层结状况影响,狮泉河大气边界层层结以不稳定为主,不稳定层结下热传输附加阻尼kB-1和热力粗糙度平均值分别为11.37和6.44×10~(-7)m。土壤热容量、热传导率、热扩散率和水通量密度年平均分别为0.95×106J·m~(-3)·K~(-1)、0.24 W·m~(-1)·K~(-1)、2.73×10~(-7)m~2·s~(-1)和0.12×10~(-5)m·s~(-1),与塔克拉玛干沙漠和敦煌戈壁的观测结果比较一致。     

基于GLDAS产品的青藏高原土壤湿度特征分析

选取青藏高原中部那曲地区10个试验点2010年8月至2012年12月的土壤湿度数据与全球陆面数据同化系统(GLDAS)中4个陆面过程模型(NOAH、CLM、VIC、MOSAIC)模拟得到的土壤水分产品进行对比分析,发现NOAH陆面模式资料在青藏高原适用性较好。采用中国科学院青藏高原研究所那曲站10个试验点观测土壤湿度资料和长时间序列的GLDAS陆面模式资料研究青藏高原地区不同深度土壤湿度的时空分布特征。结果表明:那曲地区土壤湿度呈现显著的季节变化特征,一年之中出现两个峰值和两个低值阶段。基于NOAH陆面数据同化产品发现青藏高原土壤湿度的空间分布呈现明显的纬向分布特征,随纬度的升高,土壤湿度值降低;同时,青藏高原中部浅层土壤和中间层土壤湿度有变湿的趋势。0~10 cm、10~40 cm、40~100 cm土壤湿度EOF展开第一模态(EOF1)在高原北部及南部呈反位相分布。     

植被根系对青藏高原中部土壤水热过程影响的模拟

针对青藏高原中部高寒草甸表层植被根系密集、土壤有机质含量较高的特征,利用陆面模式Noah-M P对1998年5 9月安多站水热过程进行模拟,初步评估了对土壤温度影响较大的物理过程,对比分析了土壤垂直分层、有机质和根系对土壤水热、地表能量模拟的影响。结果表明:Noah-MP模式中地表热交换、辐射传输等6个物理过程对土壤温度的影响较大;考虑垂直分层和有机质影响后,模式对土壤含水量的模拟有所改善,但浅层仍存在较大干偏差;加入根系的影响后,浅层土壤含水量的平均偏差显著减小,由原来的-0.094 m3·m-3减少到-0.016 m3·m-3,浅层土壤温度在模拟后期偏冷,但在深层有一定改善;同时地表感热通量和潜热通量也有明显改善,平均偏差分别由原来的24.3W·m-2、-22.5 W·m-2减小到5.9 W·m-2、1.2 W·m-2。     

青藏高原夏季土壤有机质及砾石影响水热 传输特性的数值模拟

本文针对青藏高原部分地区土壤有机质和砾石含量较高的特点,在前人工作的基础上,发展了一个新的参数化方案以描述土壤有机质和砾石对土壤导热率、导水率的影响。通过对通用陆面模式CoLM中的土壤水、热参数化方案以及地表蒸发阻抗三方面的逐步改进,对青藏高原藏东南站和纳木错站两种不同下垫面进行单点数值模拟分析。对比原方案与最终优化方案的模拟结果表明:采用新方案的CoLM模式对藏东南站土壤湿度模拟性能明显提高,平均偏差减小到0.04,而对纳木错站浅层20 cm以上土壤湿度的模拟偏差略微增大。新方案在藏东南站对土壤内部温度的模拟改善较为显著,平均偏差减小了0.2℃;而在纳木错站40 cm以上有所改进。新参数化方案较好地模拟了两个观测站表面能量通量的时间变化,纳木错站7、8月份的潜热通量改进尤为明显,比原方案减少大约20 W m-2,与观测结果较为接近。     

青藏高原地区不同下垫面陆面过程的数值模拟研究

利用陆面过程模式Common Land Model(CoLM),选取青藏高原上3个不同下垫面观测站(藏东南站、纳木错站和珠峰站)的观测资料,对这3个野外观测站进行了单点数值模拟试验。根据3个测站的试验数据,对模式中土壤孔隙度和饱和导水率进行了优化,针对青藏高原地区土壤层薄的特点,对模式中土壤分层方案进行了调整。结果表明,调整分层方案后的CoLM模式对3个测站土壤湿度的模拟性能较原分层方案有明显提高,平均偏差均减小0.014以上。但是与观测值相比,藏东南站土壤湿度的模拟整体偏低,纳木错站和珠峰站则整体偏高。对土壤温度而言,3个测站模拟与观测的相关系数都达到了0.9以上,珠峰站偏差较大,调整分层方案后模拟的偏差有一定的改进。模式较好地模拟了3个测站的净辐射、感热通量和潜热通量的日变化和季节变化情况,调整分层方案后潜热通量的改进最为明显。     

基于集合卡尔曼滤波的土壤温湿度同化试验

以通用陆面模式CLM 3.0(Community Land Model 3.0)为模型算子,基于集合卡尔曼滤波(Ensemble Kalman Filter,En KF)发展了一个土壤温湿度同化系统,主要用于改进模式对土壤温湿度和地表水热通量的模拟精度,并考察集合样本数、同化频率及不同观测量的组合对同化效果的影响。该系统同化了FLUXNET两个站点(阿柔和Bondville)不同土壤深度、不同时间频率的土壤温度和湿度数据。通过对阿柔站不同集合样本数的设计,综合考虑计算成本和计算精度,最终将集合样本数设置为40。通过分析三种同化方案对同化频率的敏感性得出,同化土壤温度最为敏感,同时同化土壤温湿度次之,同化土壤湿度最不敏感。对于阿柔站点,同化系统对不同土壤深度温度和湿度的模拟精度均能提高90%,潜热通量的均方根误差由94.0 W·m~(-2)降为46.3 W·m~(-2),感热通量均方根误差由55.9 W·m~(-2)降为24.6 W·m~(-2)。Bondville站点浅层土壤温度的改进在30%左右,深层土壤温度改进达到60%,对土壤湿度的改进均在70%以上,潜热通量和感热通量的均方根误差分别从57.4 W·m~(-2)和54.4 W·m~(-2)降为51.0 W·m~(-2)和42.5 W·m~(-2)。试验结果表明,同化站点土壤温湿度数据对土壤水热状况及通量的模拟改进非常有效,同时也验证了同化土壤水分遥感产品的可行性和必要性。     

黄土高原土壤湿度对地表能量和大气边界层影响的观测研究

利用黄土高原区域甘肃平凉地区陆面过程与灾害天气观测研究站2016—2017年夏季(6—8月)晴好天气下的观测资料,定量分析了平凉地区土壤湿度在干、中、湿三种不同状况下对地表辐射和地表能量分配及大气边界层的影响,并根据总体变化趋势,将土壤湿度进一步分为干、中区间(0. 158～0. 220 m~3·m~(-3))和中、湿区间(0. 179～0. 325 m~3·m~(-3)),与波文比、感热通量、潜热通量进行相关性分析,从而探究土壤湿度通过影响地表能量分配和大气边界层进而影响降水的可能物理机制。结果表明:(1)土壤湿度变化对反照率影响相对较小,对波文比影响显著,主要是影响感热、潜热变化,即影响地表能量分配过程。随着土壤湿度增加,潜热增大,感热减小,波文比显著降低;土壤湿度变化对地表净辐射影响显著,主要影响净长波辐射变化,随着土壤湿度增加,净短波辐射呈现略微增加,净长波辐射显著增加。(2)土壤湿度分区间分析结果显示,土壤湿度在干、中区间(0. 158～0. 220 m~3·m~(-3))对潜热通量以及边界层高度的影响相比土壤湿度在中、湿区间(0. 179～0. 325 m~3·m~(-3))的影响更大,即土壤偏干情况下,地表通量变化和大气边界层发展更显著。此次观测数据定量分析结果与理论机理较为一致,表明该观测数据的可靠性,可为数值模式在黄土高原区域的模拟提供重要的数据基础。     

基于AMSR-E反演青藏高原夏季表层土壤湿度

利用AMSR-E观测的土壤表层亮温资料,采用简化修正的单通道算法模型(Single Channel Algorithm,SCA),反演青藏高原地区夏季2011年6-8月的表层土壤湿度。为对比验证反演结果,利用高原东部和中部的玛曲观测网和那曲观测网CTP-SMTMN(Soil Moisture and Temperature Monitoring Netw ork on the central Tibetan Plateau)的土壤湿度观测数据,以及NASA和VUA-NASA两种均基于AM SR-E的反演土壤湿度产品进行验证。结果表明:(1)与VUA-NASA产品和修改后的SCA模型反演结果相比,NASA产品在像元和区域尺度上相关系数较低,MAE(Mean Absolute Error)和RMSE(Root M ean Square Error)较高,明显低估了两个地区的土壤湿度。(2)VUA-NASA产品在玛曲地区表现良好,在那曲地区虽然相关系数较高,但MAE和RMSE同样较高,导致精度较差。(3)对比其他两种产品,修改后的SCA模型反演结果在两个地区表现出较高的相关系数(接近0.800)、较低的MAE(接近0.050m~3·m~(-3))和RMSE(接近0.060 m~3·m~(-3)),有着较高的精度。因此,可以认为修改后的SCA模型可以应用于青藏高原地区土壤湿度动态监测,为研究青藏高原地区的天气和气候变化影响及水循环过程提供了参考和借鉴。     

黄河源区土壤湿度时空分布的模拟研究

利用1961-2010年普林斯顿大学每3 h一次、1°×1°的大气强迫场数据驱动公用陆面模式CLM4.0(Common Land Model,version4.0)对黄河源区土壤湿度的时空分布进行了模拟试验,合理优化了CLM 4.0中土壤有机质和土壤质地属性参数,将模拟结果与荷兰自由大学AM SR-E土壤湿度产品进行了对比分析,并利用玛曲土壤湿度观测站点的观测数据对模拟结果进行了验证。结果表明,CLM4.0模式能较好的模拟黄河源区土壤湿度的空间分布及变化趋势,在优化陆面有机质和土壤质地数据参数后,模拟的土壤湿度空间分布更合理,但CLM4.0模拟的土壤湿度比地面观测值和AMSR-E土壤湿度产品的土壤湿度偏低。     

砾石对青藏高原土壤水热特性影响的数值模拟

针对青藏高原土壤砾石含量较高的特点,对陆面过程模式CLM4.0土壤结构进行改进,发展了较适合青藏高原土壤特性的土壤参数化方案,在青藏高原那曲(BJ)站进行了应用,通过模拟结果和观测资料的对比,客观评估了新方案的模拟性能。结果表明:砾石含量越高的土壤,其导水率越大。土壤含水量较大时,土壤水势随砾石含量增高而变小;反之,土壤含水量较小时,土壤水势随砾石含量增高而变大。考虑了砾石对土壤水热过程影响后的新方案对土壤含水量和温度的模拟均有一定的改进,其中新方案较原方案对模拟的各层土壤含水量的平均均方根误差降低了32.7%;模拟的各层土壤温度平均均方根误差降低了24.6%。     

青藏高原那曲地区冻融过程的数值模拟研究

利用中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站冻融期(2013年3月1日至6月1日)的气象和土壤观测资料,通过陆面模式Co LM对那曲地区土壤冻融过程进行了数值模拟。模拟结果表明,Co LM模式对土壤温度、感热通量和潜热通量的模拟与观测较吻合,但对土壤湿度的模拟偏差较大,而模式冻融参数化方案的不足是造成这一较大偏差的主要原因。根据热力学平衡下土壤水势与温度之间的关系以及Clapp-Hornberger经验公式对冻融参数化方案进行了优化,优化冻融参数化方案后,模式能够更真实地模拟出土壤冻融过程特征,尤其是对土壤湿度偏低的现象改进较大。     

NIM陆面过程模式的研究Ⅰ:模式建立与对比研究

为了能真实地模拟干旱、半干旱地区以及湿润地区的陆面与大气之间的能量和物质交换,发展了一个具有普适性的南京气象学院(NIM)陆面过程(LSP)模式.该模式是由等温植被参数化方案和本文建立的土壤模式所组成.土壤模式又分为五层模式和两层模式两种.利用1979年5～8月"青藏高原气象科学实验"资料作验证,同时将五层模式与Deardorff(1978)陆面模式、两层模式作了对比,结果表明五层土壤模式的模拟效果较好,它比Deardorff模式优越,也比两层土壤模式模拟效果稍好一些.     

NIM陆面过程模式的研究:模式建立与对比研究

为了真实模拟干旱、半干旱地区以及湿润地区的陆面与大气之间的能量和物质交换 ,发展了一个具有普适性的南京气象学院 ( NIM)陆面过程 ( LSP)模式。该模式是由等温植被参数化方案和本文建立的土壤模式所组成。土壤模式又分为五层模式和两层模式两种。利用 1 979年 5～ 8月“青藏高原气象科学实验”资料作验证 ,同时将五层模式与 Deardorff( 1 978)陆面模式、两层模式作了对比 ,结果表明五层土壤模式的模拟效果较好 ,它比 Deardorff模式优越 ,也比两层土壤模式模拟效果稍好一些。     

CLM3模拟的1979-2003年中国土壤湿度及其对全球变暖的可能响应

利用NCAR公用陆面模式CLM3(Common Land Model 3),以1979—2003年NCEP/DOE再分析资料(Reanalysis-2)作为外界强迫,对在分辨率为0.5°纬度×0.5°经度下中国区域进行独立(off-line)模拟试验,并分析了土壤湿度对全球变暖的响应。模拟结果显示:土壤湿度随深度的增加调整(Spin-up)到稳态时间加长,最长可高达20年,这说明模式陆面过程对土壤初始状态的敏感性。模拟结果与台站实测资料及NCEP再分析资料输出的土壤湿度的对比表明,季节与年际变化及其空间分布基本一致。我们的结果还显示,随着近年来气候逐渐变暖,包括中国北方(30°N以北)在内的东亚北部地区夏季土壤湿度有逐渐减少趋势,最多减少15(mm3.mm-3).(100a)-1。     

不同初始场及陆面方案对青藏高原中东部积雪消融过程的模拟研究

基于WRF(Weather Research and Forecasting)模式,本研究使用更为准确的气象站点及卫星遥感积雪资料替换初始场中积雪深度、雪水当量等积雪数据,对2014年2月17-27日青藏高原中东部一次积雪消融过程进行模拟研究,评估WRF模式中CLM(Community Land Model)、Noah-LSM(Noah land surface model)和Noah-MP(Noah-Multiparameterization Land Surface Model)3种陆面过程方案对该次积雪消融过程的模拟性能。结果表明：3种陆面过程方案均能较好地再现2 m气温、积雪深度和反照率的日变化趋势,但各试验模拟效果有一定差异。气象站点及卫星遥感积雪资料作为初始场时,CLM陆面过程方案模拟的2 m气温平均误差最小,为0.002℃;Noah-LSM陆面过程方案中2 m气温均方根误差（4.01℃）和平均绝对误差（3.30℃）最小,但昼夜温差较观测显著偏小;同时CLM陆面过程方案模拟的积雪深度均方根误差、平均误差和平均绝对误差均最小,分别为4.70 cm、-1.25 cm和2.75 ...     

Noah-MP陆面模式在东疆黑戈壁的适用性

新疆东部黑戈壁作为气候恶劣、人迹罕至及黑色砾石下垫面的生态脆弱区,陆面过程参数化方案不易确定。利用东疆哈密戈壁陆气相互作用站观测数据集,开展Noah-MP陆面模式离线模拟试验,找出适合戈壁区域的最佳参数化方案,并给出了土壤湿度对戈壁区域陆气热交换的影响。结果表明：（1）针对感热通量、潜热通量、净辐射通量和土壤地表温度均表现为第二种参数化方案组合的模拟误差最小,模式效率最高。（2）模式针对土壤湿度的模拟效果均不好,模式预报土壤湿度偏干,第七种方案的模式效率指数较高。（3）针对土壤10 cm温度,第一种方案虽预报效率指数最高,但误差达1.2 ℃左右,第二种方案是模拟和实测误差最小的一种方案,模式预报结果比实测低0.4 ℃。综上所述,第二种方案在东疆黑戈壁地区的普适性最高。（4）Noah-MP在RMAPS-CA系统中在线耦合后,2 m温度的预报效果整体要优于离线Noah模式。     

粒子群算法在陆面过程模式参数优化中的应用研究

陆面过程模式中输入参数的不确定性会引起模式模拟偏差。为了改善模式的模拟能力,减小参数的不确定性,通常要进行参数优化过程。利用温江站观测的近地层资料,结合粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO),优化了陆面过程模式SHAW(Simultaneous Heat and Water)中难以直接观测的土壤和植被参数。在此基础上,分别利用优化后的参数和默认参数运行SHAW模式,模拟该地区陆面过程特征,并与观测值进行对比,研究优化参数后对陆面过程模拟的影响。结果表明:利用PSO算法优化SHAW模式后,能提高土壤湿度和潜热通量的模拟性能,模拟的土壤湿度和潜热通量与相应的观测值偏差减小。但与此同时,并没有改进净辐射、土壤温度和感热通量的模拟性能。说明PSO算法可以用于陆面模式参数优化,但仅仅通过参数优化并不能同时提高所有变量的模拟性能。     

CLDAS土壤湿度模拟结果及评估

中国气象局陆面数据同化系统（CLDAS V1.0）由陆面驱动数据融合和陆面模式模拟两部分组成。基于驱动数据,选取Canmunity Land Model 3.5（CLM3.5）作为CLDAS V1.0系统的陆面模式进行模拟试验,并对土壤模拟结果进行评估。利用2013年经过质量控制的中国气象局业务化自动土壤水分观测站实况数据、青藏高原试验观测数据及国际同类产品对模拟结果进行评估,结果表明:从各省以及全国平均结果看,相关系数普遍在0.8以上,偏差基本为-0.04~0.04 mm3·mm-3,平均均方根误差为0.04~0.05 mm3·mm-3,在青藏高原地区与国际同类产品相比,精度也有一定提高。总体而言,模拟结果已达到较高精度,数据集产品对中国区域干旱监测等具有重要意义。     

CoLM模式对青藏高原中部BJ站陆面过程的数值模拟

利用公共陆面模式Common Land Model(CoLM)及"全球协调加强观测计划之亚澳季风青藏高原试验"(CAMP/Tibet)中那曲地区Bujiao(BJ)站2002—2004年的观测资料对该地区进行了单点数值模拟试验。通过比较模拟与观测的地表能量通量,表明CoLM较成功地模拟了该地区的能量分配。模式对向上的短波辐射、向上的长波辐射、净辐射及土壤热通量模拟得较好,但冬季存在偏差。进一步比较了模拟和观测的土壤温度及土壤湿度,发现浅层60 cm土壤温度模拟较好,深层存在偏差,表现为土壤温度变化滞后于实际变化。土壤湿度总体偏小,尤其是冬季冻结期,土壤冻融过程中忽略了土壤液态水在温度0℃以下仍能存在,含冰量模拟偏高。