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。     

集合Kalman滤波在土壤湿度同化中的应用

基于非饱和土壤水模型和集合卡尔曼滤波 (Ensemble Kalman Filter, 简称EnKF) 并结合陆面水文模型——可变下渗能力模型 (Variable Infiltration Capacity, 简称VIC模型) 发展了一个土壤湿度同化方案。利用1998年6~8月淮河流域能量和水循环试验 (HUBEX) 项目外场观测试验区——史灌河流域梅山站土壤湿度逐日观测资料及1986~1993年合肥和南阳两站点的土壤湿度旬观测资料进行同化试验, 结果表明该同化方案能完整估计土壤湿度廓线, 同化的土壤湿度与观测资料基本吻合, 反映了土壤湿度的日、 旬、 月、 季变化, 同化方案是合理的。与基于扩展卡尔曼滤波 (Extended Kalman Filter, 简称EKF) 的土壤湿度同化方案的结果比较, 基于EnKF的土壤湿度同化方案易于实现, 且通过选择恰当的集合样本数其同化效果总体上略优于EKF同化方案, 但前者同化时需要花费较多的计算时间。     

基于TIPEX Ⅲ资料对CLDAS-V2.0和GLDAS-NOAH陆面模式产品在青藏高原地区的适用性评估

利用2015年第三次青藏高原大气科学试验(TIPEX Ⅲ)五层(5,10,20,50和100 cm)土壤的温、湿度观测资料,通过计算全球陆面同化系统(GLDAS-NOAH)和中国气象局陆面同化系统的融合产品(CLDAS-V2. 0)与观测资料之间的相关性和偏差,以及分析降水事件发生后两种模式资料土壤温、湿度的响应,综合评估了融合土壤温、湿度产品在青藏高原的适用性。结果表明,CLDAS-V2. 0土壤温、湿度产品与观测资料的相关性均优于GLDAS-NOAH模式产品,且两模式产品与站点观测资料的相关性在湿季大于干季,相关性随土壤深度增加而减小; CLDAS-V2. 0土壤湿度产品相对站点观测的误差稍大于GLDAS-NOAH,且在浅层土壤两模式产品与站点观测的MRE整体上在干季大于湿季; CLDASV2. 0土壤温度产品与站点观测的RMSE在湿季大于干季,而GLDAS-NOAH产品则相反;两种模式产品均能描述出降水发生后浅层土壤温、湿度对降水的响应,但两种模式产品所描述的深层土壤温、湿度的波动幅度相对观测明显偏大;此外,两种模式产品无法重现观测到的深层土壤温、湿度相对表层土壤温、湿度变化明显"滞后"的特征以及降水后相对降水前土壤温度峰/谷值对应时间存在明显延迟的特征。     

CLDAS数据质量在线评估系统的设计与实现

数据质量评估是模式业务运行中重要环节。本文利用土壤水分观测数据和中国气象局陆面数据同化系统(CLDAS)产品数据,采用MySQL数据库和html、JavaScript、HighChart等Web技术,建立CLDAS数据质量在线评估系统。系统采用相关系数、均方根误差、相对偏差和平均偏差等统计指标,实现对任意站点及省份、任意时段、不同土壤层次的土壤湿度的评估分析,并以时间序列图,散点图等多种方式对比显示土壤湿度观测与模拟值。系统具备各类统计指标的实时计算,并通过Web页面实时展示评估结果,实现对模式产品的数据质量进行实时监视。     

AMSR-E卫星亮度温度数据在高原东北部土壤湿度观测和模拟中的应用

为了改进青藏高原东北部土壤湿度的观测和模拟效果,利用AMSR-E(Advanced Microwave Scanning Radiometer-EOS)亮度温度资料,估算了高原东北部的土壤湿度值;还利用耦合了Noah陆面模型的WRF中尺度模式WRF-Noah,结合牛顿松驰逼近同化法对AMSR-E估算的土壤湿度进行了同化试验。结果表明:与实测及NCEP再分析值土壤湿度相比,估算的高原东北部的土壤湿度值虽小些,但能够体现土壤湿度随降水事件等的影响。使用牛顿松弛逼近法同化后比没有同化或采用直接替代法模拟的土壤湿度的效果要好。在区域尺度上,通过对牛顿松弛逼近法中质量因子的详细控制,采用该同化方法后对沙漠地区土壤湿度的模拟改善最为明显,其次是草地以及灌木丛与草地混合区;在时间尺度上,采用牛顿松弛逼近同化方法后模拟值与实测值的均方根误差得到减少。     

编辑选编

正SMOS土壤湿度和亮温产品在陆面模式中的同化——Assimilation of SMOS soil moisture and brightness temperature products into a land surface model.Remote Sensing of Environments,2016,in press.欧空局土壤湿度和海洋盐度(SMOS)卫星的重要目的之一就是提供具有足够精度和时空覆盖的全球表层土壤水分(SM)估计。通过耦合SMOS卫星的观测数据,陆面模式(LSM)的预测技巧有望得到改善。然而,SMOS数据的同化充满挑战。确切地说,SMOS观测数据的空间分辨率比模式更粗。     

中国自动土壤水分观测资料质量控制方法设计与效果检验

土壤湿度资料对气候变化、农业干旱监测、农业气象预报与服务等研究具有重要意义,为剔除土壤湿度观测资料中的异常数据,本文提出了一套适用于全国自动土壤水分观测资料的质量控制方法。首先,以2014年全国自动土壤水分观测资料为基础,根据资料中异常数据的特征将异常数据分为四类。其次,从界限值检查、内部一致性检查、时间一致性检查等方面提出:异常极值检查、异常增大检查、异常减小检查、异常恒定检查四类方法。最后,利用2014—2015年全国观测资料以及中国气象局陆面数据同化系统(CLDAS)土壤体积含水量数据集产品(V2.0)对各检查方法应用效果进行检验,结果表明:(1)四类检查方法均可判断出自动土壤水分观测资料中的疑误数据;(2)四类检查方法的判定结果在时间连续性及空间分布上具有一定的一致性;(3)该质量控制方法可减小观测数据与CLDAS数据之间的均方根误差(RMSE)。目前,该方法已应用于我国气象资料处理业务系统。     

青藏高原土壤湿度的变化特征及其对中国东部降水影响的研究进展

青藏高原土壤湿度受积雪与冻土的共同影响,能够记忆长时间的陆面干湿过程,是气候变化的重要因子,对随后的中国东部降水有预测意义。由于高原观测站点稀少,土壤湿度观测资料匮乏,致使现有相关研究大多是基于再分析资料、模式资料和卫星遥感资料(统称替代资料)进行的,且所得结论既有差异,也存在不确定性。因此本文首先综述了各种土壤湿度替代资料的适用性对比研究,进而讨论了青藏高原地区土壤湿度的变化特征及其对我国东部气候的影响。现有研究表明:1)资料对比研究指出,现有的各种替代资料对高原土壤湿度存在明显的高估或低估现象,且评估结论受评估指标和插值方法不同的影响。相对而言,SSM/I和风云3B的土壤湿度产品与实际观测资料相关性较好。2)高原土壤湿度具有多时间尺度变化特征和空间非均匀性,在年变化上具有显著的融冻特征,年代际变化趋势和年际特征呈现显著的区域性差异。SSM/I资料表明春季高原主体土壤湿度的年代际变化趋势呈现为增加的特征,与高原的增暖相一致;年际变率存在东、西两个高值区,与其相关的潜热、感热通量能共同激发遥相关波列影响我国长江流域降水;同时高原土壤湿度在垂直方向上具有一致性,在空间分布上具有南部边缘最大、由东南向西北递减的特征。3)前人对高原土壤湿度影响中国东部降水的结论各有不同,其可能原因之一是采用的替代资料及其适用性不同,其二是模式试验中忽略土壤湿度的空间差异性而带来的误差等。相关问题需要进一步深入研究。     

再分析资料和陆面数据同化资料土壤湿度产品在中国北方地区的适用性评估

土壤湿度是地球系统模拟的重要参数之一,准确获得其时空分布和变化特征是研究陆-气相互作用的基础。再分析资料和陆面数据同化资料均可提供全球或区域高分辨率土壤湿度产品,但在使用前需要对其进行评估分析。利用土壤湿度观测数据,计算ERA5、ERA5-Land、NCEP-DOE R2、CRA40再分析资料和GLDAS-Noah、GLDAS-CLSM、CLDAS陆面数据同化资料土壤湿度产品与观测数据的中位数、模拟偏差、相关系数等统计指标,并分季节和气候区讨论不同土壤湿度产品在中国北方地区的模拟效果。结果表明:整体来看,CRA40与观测值的相关性最好,ERA5和ERA5-Land分别对干中心、湿中心模拟效果更好,GLDAS-Noah对于较干土壤地区模拟略偏湿,CLDAS对较湿土壤地区模拟结果以系统性偏干为主,NCEP-DOE R2和GLDAS-CLSM模拟效果较差;ERA5、ERA5-Land、NCEP-DOE R2、GLDAS-Noah和CLDAS在所有季节均为模拟正偏差,春季模拟效果较好的是CRA40、ERA5-Land,夏季和秋季ERA5-Land、ERA5和CRA40与观测值相关性较好,不同产品模拟的冬季土壤湿度和观测值相关性是全年中最小的;不同土壤湿度产品在干旱区以模拟偏湿为主,GLDAS-Noah模拟效果最佳,但模拟土壤湿度峰值和谷值的出现时间较观测较早,GLDAS-Noah、CRA40、ERA5能较好模拟季风区干、湿土壤的持续时段和土壤湿度变化振幅,大部分产品能模拟出夏季风影响过渡区较干土壤和较湿土壤的出现时间。     

应用风云气象卫星及融合降水资料改进地表参数模拟

气象卫星资料不仅对天气、气候研究非常重要, 对于地表参数模拟和预报也具有重要意义。本文首次将全国自动站观测、卫星降水估计和地面观测融合降水资料(CMORPH)以及风云二号D星(FY-2D)积雪覆盖率数据应用到了高分辨率陆面资料同化系统(u-HRLDAS)。融合降水资料用于驱动u-HRLDAS, 同时用于计算雪水当量;积雪覆盖率资料作为u-HRLDAS强迫变量。区域模拟结果表明, 积雪覆盖率对于地表反照率、地表温度以及地气交换通量模拟有极其重要的影响。密云站土壤湿度模拟结果表明, 融合降水资料准确度优于全球陆面资料同化系统(GLDAS)再分析资料。小汤山站单点验证结果表明, 应用融合降水资料及卫星积雪覆盖率资料可以改进地表温度及地气交换通量的模拟。     

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。     

江苏省土壤湿度观测资料与再分析资料对比分析研究

利用江苏省2010—2015年的60个站点土壤湿度观测资料,对欧洲中心ERA-Interim再分析资料(ERA)和美国宇航局再分析资料(MERRA)的两套土壤湿度数据在江苏地区的可靠性进行了评估。结果表明:相比于ERA再分析资料,MERRA较好地再现出江苏省次表层年平均土壤湿度的空间分布特征,但是两种资料的次表层和深层土壤湿度的数值均小于观测。ERA和MERRA基本都能揭示出江苏省次表层土壤湿度的季节变化特征,但是深层土壤湿度与观测仍有较大差距。在时间演变方面,ERA次表层土壤湿度与站点观测在研究时段内较为接近,EOF分析揭示出1979—2016年江苏省次表层土壤湿度存在区域一致型与南北偶极型两个主要的年代际变率模态。但是对于深层土壤湿度时间演变而言,两种再分析资料都与观测有较大的差距。总体而言,再分析资料的次表层土壤湿度与站点观测较为接近,但是由于再分析资料陆面模式中地下水等影响深层土壤湿度的关键过程刻画较为简单,使得深层土壤湿度与观测有较大的差距。     

青藏高原土壤湿度时空分布特征研究进展

土壤湿度是陆面过程的重要参量,可以通过影响土壤本身的热力性质和水文过程,导致局部大气环流的改变以及区域性短期气候异常。青藏高原作为全球气候变化的敏感区,其地气间的水分与能量交换对亚洲季风和全球大气循环有着极大的影响,且高原地区的土壤水分数据能够为陆-气相互作用和数值模拟等研究提供重要的观测信息和初始输入数据。文中综述了青藏高原土壤湿度观测和研究对气候变化影响的重要性,高原土壤湿度观测站网建设现状,各种土壤湿度替代资料的适用性和评估研究,以及高原土壤湿度时空分布特征对降水的影响与气候变化响应,并提出了今后青藏高原土壤湿度研究着重解决的问题。      

多套土壤湿度替代资料在青藏高原的适用性分析

目前,仍没有一套公认的能够很好的描述高原土壤湿度变化特征的替代资料,为此利用收集到的多套观测资料作为参考,分别对各种替代资料在高原的适用性进行了评估。结果表明:(1)观测资料表明,高原的土壤湿度在表层、中层、深层的变化具有较好的一致性,表层与中层、中层与深层的土壤湿度相关系数均在0.8以上。(2)卫星反演资料SSM/I RETRIEVALS在各个站点与观测值的相关系数都为正,在高原东南部、中部、北部相关系数都在0.5以上,且标准差与高原东南和中部的观测标准差较为接近,适用于高原的大范围地区,是研究青藏高原土壤湿度多年变化特征的一套较好的替代资料。(3)春季高原土壤湿度的空间分布具有南部边缘较大、由东南向西北递减的特征,大部分地区的土壤湿度具有明显的线性增加趋势;去除趋势后,高原东、西各有一个均方差大值区,东、西关键区内的土壤湿度从春到夏都具有较好的持续性,可以作为预测我国夏季降水的重要因子。     

青藏高原季节性冻土湿度模拟及参数优化——以黑河上游为例

利用青藏高原东北部地区阿柔冻融观测站2013年5月至2014年11月观测资料,对通用陆面过程模式(CLM4.0)和动态陆面过程模式(DLM)青藏高原高寒地区土壤湿度模拟性能进行了评估。结果显示两种模式均能够较好的反映浅层(40 cm)土壤湿度动态变化,然而显著低估非冻结期土壤湿度;通过土壤有机质含量对土壤湿度模拟敏感性分析发现模式模拟土壤湿度偏干可能与模式中土壤有机质方案不足有关。在此基础上改进DLM模式土壤有机质和冻土液态水渗透方案,实验结果表明新参数化方案显著提高了高寒、高有机质含量地区模式土壤湿度模拟,平均偏差(BIAS)、均方根误差(RMSE),均方差(MSE)和相关系数(R)分别达到0.032 m~3·m~(-3),0.078 m~3·m~(-3),0.010 m~3·m~(-3)和0.866。     

四川省多种土壤水分资料对比分析

从降水响应、指标评估两个方面对比分析了四川省西昌、宜宾和乐至3站2017~2018年CLDAS土壤湿度产品、人工观测和自动土壤水分站3种土壤水分资料。结果表明,3种资料的土壤相对湿度对降水都有较好的响应,其中自动站对土壤水分变化的响应最为明显,而CLDAS的响应则较为平缓,CLDAS体积含水量对降水的响应不如CLDAS相对湿度好,特别是在深层,基本没有响应降水影响。对比评估指标显示,各站土壤相对湿度人工观测与自动站的相关性最好,西昌站3种资料两两间相关性最好,乐至站各资料间的相关性较差,偏差和均方根误差也较大,体积含水量各站各资料间相关性没有相对湿度高。总体看,CLDAS土壤湿度产品,特别是相对湿度在浅层对降水的响应要好于深层,与人工观测和自动站的相关性也好于深层,CLDAS土壤湿度产品在浅层可以弥补四川部分地区自动站稀疏的缺陷。      

内蒙古地区下垫面变化对土壤湿度数值模拟的影响

利用第二次全国土壤调查土壤质地数据（SNSS）和中国区域陆地覆盖资料（CLCV）将陆面过程模式CLM3.5（Community Land Model version 3.5）中基于联合国粮食农业组织发展的土壤质地数据（FAO）和MODIS卫星反演的陆地覆盖数据（MODIS）进行了替换,使用中国气象局陆面数据同化系统（CMA Land Data Assimilation System,CLDAS）大气强迫场资料,分别驱动基于同时改进土壤质地和陆地覆盖数据的CLM3.5（CLM-new）、基于只改进陆地覆盖数据的CLM3.5（CLM-clcv）、基于只改进土壤质地数据的CLM3.5（CLM-snss）和基于原始下垫面数据的CLM3.5（CLM-ctl）,对内蒙古地区2011～2013年土壤湿度的时空变化进行模拟试验,研究下垫面改进对CLM3.5模拟土壤湿度的影响。将四组模拟结果与46个土壤水分站点观测数据进行对比分析,结果表明:相对于控制试验,CLM-clcv、CLM-snss和CLM-new都能不同程度地改进土壤湿度模拟,其中CLM-clcv主要在呼伦贝尔改进明显,CLM-snss则在除呼伦贝尔以外的大部地区改进显著,CLM-ctl模拟的土壤湿度在各层上均系统性偏大,而CLM-new模拟土壤湿度最好地反映出内蒙古地区观测的土壤湿度的时空变化特征,显著改善了土壤湿度的模拟,体现在与观测值有着更高的相关系数和更小的平均偏差与均方根误差。     

基于风云三号气象卫星微波亮温资料反演东北地区土壤湿度及其对比分析

土壤湿度在陆面过程中发挥着重要作用,是联系陆地水循环和能量循环的纽带和关键环节。遥感技术可以实时地对土壤湿度进行长期、大区域动态监测,已成为监测土壤湿度的有效手段。本文基于风云三号气象卫星（FY3B）微波亮温资料,利用基于微波能量辐射传输方程的陆面参数反演模型（LPRM）反演了中国东北地区的土壤湿度（FY3B_LPRM）。把反演获得的FY3BLRPM土壤湿度与中国气象局农业气象站土壤湿度观测资料、NCEP和ERA-Interim土壤湿度再分析资料、欧洲空间局多卫星融合ECV（Essential Climate Variable）土壤湿度产品和国家卫星气象中心FY3B官方土壤湿度产品（FY3B_offical）进行了对比分析。结果表明:（1）本文反演的FY3B土壤湿度与农业气象站观测资料有较高的一致性;卫星土壤湿度整体上呈现自西向东逐渐增加的空间变化,与农业气象站观测资料较为一致;在季节变化上,两者高度相关,在大部分地区的相关系数都达到0.7以上。（2）在大兴安岭和东北三省东部等地表相对湿润的地区,FY3B_LPRM土壤湿度与NCEP、ERA-Interim和FY3B_offical土壤湿度呈现较强的负相关;再分析资料和FY3B_offical土壤湿度均无法反映该地区土壤干湿状况的季节性变化,甚至与观测资料呈反位相变化特征。FY3B_LPRM土壤湿度与欧洲空间局研发的多卫星融合ECV土壤湿度产品在绝大多数地区有较好的一致性。本文基于风云三号极轨气象卫星微波亮温反演的土壤湿度资料,可用于干旱监测、数值同化与天气预报、水文水资源等领域。     

基于自动站资料的WRF-EnSRF陆面同化系统的效果检验及应用

基于集合平方根滤波方法(En SRF)同化方法和NOAH陆面模式的WRF-En SRF陆面同化系统,同化了江苏省70个自动站资料进行试验,研究加入不同的同化资料(地表温度、10 cm土壤温度、20 cm土壤温度)及初始扰动强度的大小对陆面数据同化系统性能的影响,以及对不同区域(降水大值区和降水小值区)的分析场进行效果对比,并且检验了同化系统在一次典型的梅雨锋暴雨的同化效果,证明了这个系统的有效性和可行性。对于资料选取试验,比较全场平均的同化时刻分析场模拟观测相对真实观测的均方根误差可以得到:同化地表温度资料并且初始扰动强度1 K的时候同化效果最理想。对于选定的降水大值区和降水小值区来讲,降水大值区的土壤温度和土壤湿度分析场更加接近于真实场。运用于一次梅雨锋暴雨的同化实验,对于最后一个同化时次的分析场作为背景场做集合预报,最终证明预报结果是有效的。土壤温度、土壤湿度、地表温度和近地面风场的预报结果都较用NCEP再分析资料直接做预报作为控制试验的结果有不同程度的改进。这说明该系统应用于实际同化中的性能较为良好,可以应用于实际土壤湿度与温度的预报。     

青藏高原非冻结期观测的土壤湿度和模式产品的对比分析

对第三次青藏高原大气科学试验(TIPEX-III)的土壤湿度观测资料与ERA5、ERA-Interim、MERRA-2、NOAH2.1和CFSv2模式或再分析产品(简称模式产品)的土壤湿度在非冻结期(4-10月)的时空分布特征及相关系数、无偏均方根误差和标准偏差比的对比分析结果表明：(1)五套模式产品均能表现青藏高原西部偏干、东部偏湿的空间分布特点,以及青藏高原西部月尺度的土壤湿度与降水的关系。(2)五套模式产品与观测的日平均土壤湿度的相关性,高原西部的明显高于高原东部的;ERA5与观测的土壤湿度相关性最好,但是无偏均方根误差较大,尤其是在青藏高原西部;ERA-Interim的无偏均方根误差最小,但其相关性较低。(3)五套模式产品均高估了高原西部土壤湿度的变化幅度,低估了高原东部土壤湿度的变化幅度。