基于CLM4.5模式的季节冻土区土壤参数化方案的模拟研究

利用位于季节冻土区的中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站那曲/BJ观测点的野外观测数据,通过CLM4.5的单点模拟实验,分析评估了Luo土壤热导率参数化方案、Johansen土壤热导率参数化方案、Coté土壤热导率参数化方案和虚温参数化方案对土壤温、湿度的模拟能力,为将来选取最优的参数及参数化方案来更合理的模拟青藏高原土壤冻融过程为目的的工作提供依据。结果表明:(1)三种土壤热导率参数化方案模拟结果的土壤热传导率有明显差异,其中Coté方案的土壤热传导率最高,Luo方案的土壤热传导率最低。(2)三种热传导率方案均能合理地模拟出土壤温湿度的日变化趋势,Johansen方案对土壤温度年变化趋势模拟的更好,Coté方案对土壤温度模拟的数值较观测值偏离的更小,Luo方案对土壤湿度的模拟更好。(3)加入虚拟温度方程,并引入相变效率参数后,减少了模式对土壤湿度模拟的负偏差,Y-L方案在保持土壤温度较好模拟能力的基础上,能够进一步的提升土壤湿度的模拟能力。     

CLM4.5在西北农牧交错带盐池站的模拟性能评估

农牧交错带具有草地、裸地、农田大面积相互镶嵌的独特下垫面,其地表水热过程变化复杂,亟需深入研究。利用宁夏盐池站2017年实际观测资料,对陆面过程模式CLM4.5的模拟性能进行检验。结果表明,在复杂下垫面下,CLM4.5仍能较好地模拟出草地的地面反射辐射、地面长波辐射和净辐射以及0~10 cm土壤含水量和温度的变化特征,但模拟值与观测值还存在一定偏差。CLM4.5能模拟出辐射通量的日变化特征,除5月外,地面反射辐射模拟值与观测值之间的偏差较小。地面长波辐射模拟值白天偏高,净辐射观测值与模拟值的相关系数为0.99,均方根误差为22.50 W·m^-2。土壤含水量观测值与模拟值的相关系数达0.83,但模拟值偏低,且模式对降雨后土壤含水量变化过程的模拟性能有待提高。土壤温度模拟值的日变化特征较为明显,观测值与模拟值的相关系数为0.98,均方根误差为2.82℃。     

玉米冠层对降水的截留模型构建

降水资源是农作物的主要水分来源,农作物通过吸收土壤中的水分维持正常的生长发育,但由于未考虑农作物冠层对降水截留作用,在水资源评估和农田水分平衡研究中往往高估降水作用。该文通过2018年玉米生长季在辽宁锦州农业气象试验站开展的降水模拟试验系统分析了玉米冠层对降水的截留效应,结果表明：在降水量一定条件下,玉米冠层截留量与叶面积指数的二次多项式拟合相关最佳;在叶面积指数一定条件下,玉米冠层截留量与降水量的幂函数拟合相关最佳。综合叶面积指数和降水量分析表明：玉米冠层截留量与叶面积指数平方及降水量对数函数拟合呈正相关。根据我国玉米传统种植方式,高产玉米的叶面积指数最大一般为5~6,因此,对一次降水的最大截留量通常约为1.5~2.3 mm,当叶面积指数小于1时,对降水的截留可忽略不计。     

中国主产区玉米冠层对降水的截留研究

基于13个农业气象试验站2010—2017年逐日气象观测数据和玉米观测数据,采用针对玉米的截留模型,研究自然降雨条件下中国主产区玉米冠层截留及其变化规律.结果表明:在不同气候条件和生长状况下,玉米全生育期冠层截留差异较大.玉米冠层生长季平均截留量为4.3～23.5 mm,拔节到成熟期降水量≤70 mm时,截留量不足8 ...     

建筑群对城市冠层动力、热力效应的数值试验研究

利用中尺度模式MM5,分别耦合传统的边界层参数化方案和城市冠层参数化方案,模拟了2001年冬季北京冠层大气的动力、热力特征,并和观测资料进行了对比分析.分析结果表明,城市冠层参数化方案更能细致描述建筑群对城市冠层大气的动力、热力作用.由于建筑群的动力、热力作用,使北京城区的温度升高,风速减小,湍流动能增强,形成了明显的增温区、阻风区和湍能增强区,中心均位于城区高大建筑群附近,并向郊区递减.     

城市冠层过程的研究与进展

介绍了城市冠层过程研究的概况和历史,概括了城市冠层的特征及其作用于局地气候和中尺度系统的主要方式,总结了城市冠层参数化方案或模式的研究进展.比较了几种参数化方法和模式的特点,提出目前存在的一些问题.认为：现有的参数化方案和模式尚未能完整体现城市下垫面特征、准确反映人类活动影响,二者的发展有赖于对城市下垫面建筑特征更合理、细致地描述,对人为热量、水汽影响更准确的估计与刻划.与局地因素密切相关的城市冠层模式还需要更多地在模式中引入局地差异影响.同时指出,要提高耦合城市过程的中尺度模式预报水平,需要相应改进包括云、降水、次网格地形及边界层动力学等的参数化.     

多层城市冠层模式的建立及数值试验研究

为在城市气象数值模拟中更好地体现由城市发展引起的下垫面土地利用改变及人为活动对大气过程的影响,建立了基于建筑物三维分布的多层城市冠层模式,冠层内动力方程组考虑了建筑物冠层拖曳力的作用及雷诺应力的影响,通过引入建筑物宽度、间距以及垂直分布密度指数等建筑物形态特征参数,以更好地体现城市复杂地表对大气温度、湿度及动量方程的影响.同时,该模式分屋顶、4个侧壤及地面分别考虑辐射及能量平衡求解表面温度,计算各表面与大气的通量交换,并考虑辐射阴影效应、冠层内部各个面之间的可视因子、以及与冠层内建筑物密度指数、可视因子等相关的多重反射辐射导致的辐射截陷作用.模式的离线检验结果表明:(1)冠层模式计算风廓线与风洞实验测量数据吻合良好;(2)离线冠层模式能够模拟实际小区的风速、温度垂直廓线,并能够较好地体现小区内气温日变化.冠层模式与区域边界层模式耦合检验结果表明:(1)耦合模拟的近地面(2 m处)气温及地表温度的结果明显优于传统的水泥平板方案,尤其是在夜间,水泥平板方案与实测气温最大偏差4 K左右,耦合模拟方案为1-2 K;(2)耦合模拟方案考虑了建筑物对冠层之上的拖曳力影响以及建筑物形态结构对雷诺应力的影响,风速(10 m处)计算结果与观测值相差约在1 m/s,水泥平板方案偏差3 m/s左右.     

CLM3.0模式中冻土过程参数化的改进及模拟试验

对NCAR CLM3.0(Community Land Model)的冻土过程参数化进行了改进.根据平衡态的热力学关系和考虑含冰量的土壤基质势的经验公式定义了冰点下的最大液态水含量,超过最大液态水含量的部分冻结为冰,并在水导率的计算中加入了冰的阻挡作用.利用青藏高原改则站2003年4月1日至2004年12月31日的观测...     

MM5模式中城市冠层参数化方案的设计及其数值试验

文中在综合国外一些较先进的中尺度模式城市作用参数化方案的基础上 ,从城市下垫面结构对城市边界层大气作用的物理机制及实际应用两方面出发 ,对城市下垫面结构和人为活动等因素对边界层结构的影响及中尺度模式中城市化作用的合理体现等问题进行了较全面的考虑 ,改进和设计出能够较全面、细致地描述城市结构对大气边界层动力、热力结构的影响 ,且适合中尺度模式结构特点的城市冠层参数化方案 (UCP) ,并实现了其与MM5模式的耦合。进行了耦合后的UCP方案及采用原城市作用方案的MM5模式对BECAPEX试验期间北京地区气象条件多重嵌套细尺度进行了模拟试验 ,并与观测结果对比 ,结果表明 :相比于MM 5模式中原有表示城市作用的参数化方案来讲 ,设计的UCP方案在很大程度上提高了MM 5模式对城市边界层热力和动力结构的模拟能力。     

植被冠层截留对地表水分和能量平衡影响的数值模拟

利用NCAR_CLM4.0模式,通过有无植被冠层截留的试验对比分析,讨论了植被冠层截留对全球陆面水分和能量平衡产生的潜在影响.结果表明:就全球水分平衡而言,不考虑植被冠层截留时,全球平均土壤总含水量、表面径流和次表面径流增加,蒸散发减少.空间分布特征表明,低纬地区各水分平衡分量全年维持较高的差值分布,并随季节变化沿赤道南北振荡;北半球中高纬高值区有春季扩张、夏季极盛、秋冬季撤退的趋势.冠层截留消失后冠层蒸发的消失是蒸散发减弱的主要原因.对于能量平衡而言,不考虑冠层截留时,全球感热通量增加,冠层感热的增加明显大于地面感热的减少;潜热减少.此外,不同植被类型对不考虑冠层截留后产生的响应存在明显差异.     

CLM4.5模式对青藏高原土壤湿度的数值模拟及评估

本文利用1981～2016年的CRUNCEP资料（0.5°×0.5°）作为大气驱动数据,驱动CLM4.5（Community Land Model version 4.5）模式模拟了青藏高原地区1981～2016 年的土壤湿度时空变化。将模拟数据与台站观测资料、再分析资料（ERA-Interim和GLDAS-CLM）和微波遥感FY-3B/MWRI土壤湿度资料对比验证,表明了CLM4.5模拟资料可以合理再现青藏高原地区土壤湿度的空间分布和长期变化趋势。而且基于多种卫星遥感资料建立的较高分辨率（0.1°×0.1°）的青藏高原地表数据更加细致地刻画了土壤湿度的空间变化。对比结果表明:CLM4.5模拟土壤湿度与各个台站观测的时空变化一致,各层土壤湿度的模拟和观测均显著相关,且对浅层的模拟优于深层,但模拟结果比台站观测系统性偏大。模拟与再分析资料和微波遥感资料土壤湿度的空间分布具有一致性,均表现为从青藏高原的西北部向东南部逐渐增加的分布特点,三江源湿地和高原东南部为土壤湿度的高值区,柴达木盆地和新疆塔里木盆地的沙漠地区为低值区,土壤湿度由浅层向深层增加。土壤湿度的长期变化趋势基本表现为“变干—变湿”相间的带状分布,不同层次的土壤湿度变化趋势基本一致。模拟资料也合理地再现了夏季土壤湿度逐月的变化:高原西南地区的土壤湿度明显大范围增加,北部的柴达木盆地的干旱范围也明显的向北收缩,高原南部外围土壤湿度也明显增加,CLM4.5模拟土壤湿度比再分析资料和微波遥感资料更加细致地描述了夏季逐月土壤湿度空间分布及其变化特征。     

Incorporation of a dynamic root distribution into CLM4.5: Evaluation of carbon and water fluxes over the Amazon

Roots are responsible for the uptake of water and nutrients by plants and have the plasticity to dynamically respond to different environmental conditions. However, most land surface models currently prescribe rooting profiles as a function only of vegetation type, with no consideration of the surroundings. In this study, a dynamic rooting scheme, which describes root growth as a compromise between water and nitrogen availability, was incorporated into CLM4.5 with carbon–nitrogen(CN) interactions(CLM4.5-CN) to investigate the effects of a dynamic root distribution on eco-hydrological modeling. Two paired numerical simulations were conducted for the Tapajos National Forest km83(BRSa3) site and the Amazon, one using CLM4.5-CN without the dynamic rooting scheme and the other including the proposed scheme. Simulations for the BRSa3 site showed that inclusion of the dynamic rooting scheme increased the amplitudes and peak values of diurnal gross primary production(GPP) and latent heat flux(LE) for the dry season, and improved the carbon(C) and water cycle modeling by reducing the RMSE of GPP by 0.4 g C m~(-2)d~(-1), net ecosystem exchange by 1.96 g C m~(-2)d~(-1), LE by 5.0 W m~(-2), and soil moisture by 0.03 m~3m~(-3), at the seasonal scale, compared with eddy flux measurements, while having little impact during the wet season. For the Amazon, regional analysis also revealed that vegetation responses(including GPP and LE) to seasonal drought and the severe drought of 2005 were better captured with the dynamic rooting scheme incorporated.     

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.     

Improving Simulation of the Terrestrial Carbon Cycle of China in Version 4.5 of the Community Land Model Using a Revised Vcmax Scheme

The maximum rate of carboxylation(Vcmax) is a key photosynthetic parameter for gross primary production(GPP) estimation in terrestrial biosphere models. A set of observation-based Vcmax values, which take the nitrogen limitation on photosynthetic rates into consideration, are used in version 4.5 of the Community Land Model(CLM4.5). However, CLM4.5 with carbon-nitrogen(CN) biogeochemistry(CLM4.5-CN) still uses an independent decay coefficient for nitrogen after the photosynthesis calculation. This means that the nitrogen limitation on the carbon cycle is accounted for twice when CN biogeochemistry is active. Therefore, to avoid this double nitrogen down-regulation in CLM4.5-CN, the original Vcmax scheme is revised with a new one that only accounts for the transition between Vcmax and its potential value(without nitrogen limitation). Compared to flux towerbased observations, the new Vcmax scheme reduces the root-mean-square error(RMSE) in GPP for mainland China by 13.7 g C m-2 yr-1, with a larger decrease over humid areas(39.2 g C m-2 yr-1). Moreover, net primary production and leaf area index are also improved, with reductions in RMSE by 0.8% and 11.5%, respectively.     

陆面过程模式CLM4.5在半干旱区退化草原站的模拟性能评估

利用国际协同强化观测期(CEOP)在中国半干旱区退化草地站——通榆站的观测资料,对一个较为完善的陆面过程模式NCAR_CLM4.5(Community Land Model 4.5)的模拟性能进行检验。模拟结果与观测资料的对比表明,CLM4.5能很好地模拟出观测站点的辐射通量、水热交换、土壤温湿的空间分布和时间变化特征。但地表吸收的辐射模拟值略低,土壤湿度偏低,地表吸收的辐射及土壤温度等日变化略大;大气强迫变量处于某些特定的形势下时,模拟存在较大误差,如8月底的模拟。此外,冬季辐射通量、水热交换以及土壤温湿的模拟均存在较大误差,说明CLM4.5模式在冬季地表物理过程的参数化方案上需要进一步改进。     

城市建筑物动力冠层方案的引入及应用研究

文中将建筑物动力冠层方案引入到城市边界层精细模式中,该方案描叙了城市地Ⅸ建筑物对气流的拖曳作用以及建筑物形态对城市地区湍流活动动量输送的影响.采用建筑物拖曳法和建筑物动力冠层方案两种不同建筑物动力学处理方法对北京地区东南部进行模拟,通过城市地区水平风速的模拟结果与自动气象站实测资料对比发现模拟结果与实测相当吻合,建筑物动力冠层方案的引入能够更好地实施对城市地区的水平风速分布的数值模拟.分别采用建筑物拖曳法与建筑物动力冠层方案对一个实际小规模城市进行模拟试验,分析表明引入建筑物动力冠层方案可以模拟出小规模城市地区水平风速偏低的现象;还可以模拟出城市地区建筑物动力作用对湍流活动的影响;对湍流动能模拟结果表明比较符合实际分布情形.采用建筑物动力冠层方案对小规模城市地区建筑物高度变化对城市地区的流场及湍流活动的影响进行模拟分析,结果表明:城市地区建筑物高度增加,风速变小,但是高大建筑物底部风速略高于低矮建筑物底部;城市地区大气湍能增加,高大建筑物底部湍能较小,冠层高度内湍能随高度增加而增加;同时城市地Ⅸ的垂直扩散系数也随建筑物高度增加而增加;城市地区污染物排放高度处污染物浓度较低,下游乡村地区地面污染物浓度较低,但高空污染物浓度却较高.     

陆面模拟中植被辐射传输参数化方案研究

在冠层二流辐射传输模式基础上新发展了一个描述太阳短波辐射在植被中传输的冠层四流辐射传输模式.冠层四流辐射传输模式是在大气辐射传输理论的基础上得到一组描述短波辐射在植被中传输过程的冠层辐射传输基本方程,引进大气中求解辐射传输方程的四流近似解法,并求得冠层四流辐射传输方程的解析解.方程中各项参量能够反映叶子或冠层特殊的几何和光学特征.冠层向上、向下辐射通量取决于冠层散射相函数、叶子在入射光方向投影面积、单个叶子反射率和透射率、叶面积指数以及直射光入射太阳高度角等.四流模式计算叶子水平倾角时对太阳短波辐射的反照率,与二流模式结果比较可以验证模式的理论推导和建模都是正确的:计算结果的比较,表明四流模式在水平叶角分布时计算的冠层反照率与二流模式结果一致,同时直射光从任何太阳高度角入射的冠层反照率结果也一致,从而证明发展的冠层四流辐射传输模式是成功的.模拟试验中将两种模型同时耦合到同一个陆面过程模式中进行比较试验,结果表明,冠层四流辐射传输模式能够得到更精确的植被反照率,从而使得陆面模式计算的地表吸收的净太阳辐射通量更接近于观测值.