长时间序列多源土壤湿度产品在中国地区的比较分析

研究利用实测数据对遥感产品(ECV CCI)、全球陆面同化系统产品(GLDAS/CLM、NOAH2.7、NOAH3.3、VIC、MOSAIC)、再分析资料(ERA-Interim、NCEP/DOE)等不同来源的8套长时间序列土壤湿度产品进行时空比较。结果表明:上述产品均可以模拟出中国不同区域土壤湿度的空间分布;从各产品平均态与实测数据的偏差、均方根误差、相关系数统计结果来看,NOAH模式和ERA-Interim表现最好,MOSAIC和NCEP/DOE与实测相差较大;从区域尺度上来看,所有产品在东北区域表现最好,在华南、西南南区和西北西区较差;ERA-Interim有效的模拟了土壤湿度的年际变化。     

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。     

基于历史样本投影的四维变分陆面数据同化方法及其初步应用

法面临着计算量上的挑战。本研究将一种历史样本投影的四维变分同化方法(Historical-Sample-Projection4DVar,简写为HSP-4DVar)应用于陆面数据同化,建立起CoLM陆面模型的HSP-4DVar系统。相比其他四维变分同化方法,HSP-4DVar的分析值是显式求解,不需要编写和使用伴随模式,从而大大节省了计算量,是一种易于实现的同化方案。通过同化56个月的土壤湿度观测数据表明,新的陆面同化系统不仅省时,而且能够有效吸取观测信息,使得同化后的均方根误差显著降低,各层土壤湿度模拟都有所改善,陆表1000mm层的改善最为明显。     

基于HRCLDAS/CLM陆面数据同化系统的青藏高原地区土壤湿度模拟研究

利用最新的高时空分辨率（1 km、1 h）的中国气象局高分辨率陆面数据同化系统（HRCLDAS-V1.0）大气近地面强迫资料,驱动由NCAR发展的通用陆面模式（CLM）,对青藏高原地区2015年1月1日至9月30日的土壤湿度开展了模拟研究。结果表明模拟得到的高时空分辨率（1 km、1 h）土壤湿度能够体现出青藏高原地区从东南向西北逐渐变低的空间分布特征,较好地表现出各层土壤湿度的时间变化特征,6~9月土壤湿度波动较大,1~5月波动较平缓,上层土壤湿度变幅较大,深层变化较平缓。0~5 cm、0~10 cm和10~40 cm深度土壤湿度模拟结果与观测值的相关系数均在0.8以上,其中0~5 cm土层的相关系数达到0.92,各层土壤湿度观测值与模拟值的均方根误差变化则相反,3个土层土壤湿度模拟结果与观测值的偏差均小于0.04 mm3 mm-3,但模式对于研究时段土壤湿度变化的低值有高估现象,且模拟能力随着土层深度的加深而减弱。     

土壤湿度模拟研究进展

准确和高分辨率的土壤湿度数据是深入了解地气过程、研究生态环境演变、水文循环和气候变化,以及预测天气气候和评估水旱灾害等的基础性资料,受到多学科学者的广泛关注。近年来,全球土壤湿度观测计划及利用遥感反演和模式模拟具有高时空分辨率的土壤湿度得到长足发展,从最初的研究层面逐渐应用到实际业务中。简要介绍了模拟土壤湿度的主要陆面模式,以及陆面过程参数化方案比较计划(PILPS)和全球土壤湿度项目(GSWP)的相应结果;从数据同化算法和陆面同化系统两个方面介绍了国内外陆面数据同化系统模拟土壤湿度的进展;最后,归纳了土壤湿度验证的主要方法、验证指标和表现形式。文末从4个方面进行了展望:1)升级观测系统以获得高质量实地观测数据;2)研发高精度气象驱动数据和制备陆面参数以提升模式结果;3)增加地气系统的认识以完善模式物理过程;4)改进数据同化算法以最大限度鉴别和利用观测数据。     

三类陆面模式模拟土壤湿度廓线的对比研究

针对不同陆面模式对土壤湿度方程求解方法以及对土壤分层结构的差异, 本文选取了三类陆面模式（CLM, CABLE和ECMWF陆面模式）作比较研究。为了避免不同模式参数化方案引起的上边界误差, 上边界采用固定蒸发率、 入渗率和固定表层土壤湿度三类边界条件。土壤分层采用101层（细网格）和11层（粗网格）两种, 并考虑土壤性质沿深度变化。结果表明： 当土壤性质均匀时, 求解的差别主要在第三类边界条件下CLM 求出的水分入渗速度比其它两种快; 改用粗网格后由于土壤深层厚度加大无法与细网格得出的土壤湿度廓线相重合。当土壤性质非均匀时, 模拟结果间差别加大, 只有ECMWF模式模拟的土壤湿度廓线是严格连续的。对于模式和上边界的不同组合, 粗、 细网格模拟结果间均方根偏差不一致。一般而言, CABLE模拟的偏差除第一类条件较小外, 其它都是最大的。第二三类边界条件引起的偏差较大, 第一类最小。上述结果提示我们, 在比较不同陆面模式以及用观测资料来检验模拟结果时应充分考虑土壤分层及土壤性质非均匀性的可能影响。     

陆面模式中土壤湿度影响蒸散参数化方案的评估

本文将四个常见陆面模式CLM3.5（Community Land Model Version 3.5）、Noah_LSM（The Noah Land Surface Model）、VIC（Variable Infiltration Capacity）以及SSiB（The Simplified Simple Biosphere Model）中土壤湿度影响蒸散的参数化方案进行简化,并利用实验观测资料对不同参数化方案进行评估,探究不同陆面模式对土壤湿度与蒸散关系的模拟差异,从而为提高模式的模拟能力提供依据。结果表明,（1）CLM与SSiB中计算土壤湿度影响裸土蒸发的参数化方案较Noah_LSM和VIC更接近真实的物理过程,同时CLM与SSiB模式中土壤湿度对蒸发的影响程度较Noah_LSM和VIC大;而对于下垫面有植被条件下的蒸散而言,CLM中包含了植被光合作用、呼吸作用等生物物理学过程,与实际情况更为接近,并且CLM与SSiB中土壤湿度对植被蒸散的影响程度大于VIC,Noah_LSM最低;（2）根据干旱区、半干旱区、半湿润区以及湿润区各站点的分析可知,CLM、SSiB与Noah_LSM中土壤湿度影响蒸散的参数化方案的拟合效果较VIC好,同时在部分站点CLM与SSiB的参数化方案稍优于Noah_LSM。区域之间比较说明,四个模式对干旱半干旱区的模拟效果明显较半湿润区和湿润区好。     

两种陆面模式对中国区域土壤温度模拟的对比分析

为研究不同陆面模式对中国区域土壤温度的模拟效果,基于中国气象局陆面数据同化系统（CMA Land Data Assimilation System,CLDAS）大气驱动数据分别驱动Noah和Noah-MP陆面模式进行中国区域土壤温度的模拟（简称:CLDAS_Noah和CLDAS_Noah-MP试验）,使用2010—2018年中国气象局2380个土壤温度观测站点10和40 cm观测数据以及美国全球陆面数据同化系统（The Global Land Data Assimilation System,GLDAS）驱动的Noah模式（GLDAS_Noah试验）模拟的土壤温度结果,从空间分布、季节、分区等角度进行了评估,实现了不同驱动数据相同陆面模式和相同驱动数据不同陆面模式的对比分析。结果表明: GLDAS_Noah、CLDAS_Noah和CLDAS_Noah-MP试验均能合理模拟出中国区域土壤温度空间分布,但在量级上有一定差异,主要表现在中国东北、新疆、青藏高原等积雪区。对于相同陆面模式不同驱动数据,均方根误差显示CLDAS_Noah试验在季节与分区上均优于GLDAS_Noah试验,间接表明CLDAS大气驱动数据优于GLDAS大气驱动数据,且大气驱动数据是提高土壤温度模拟精度的重要因素之一;对于相同驱动数据不同陆面模式,总体上CLDAS_Noah-MP试验棋拟效果优于CLDAS_Noah试验,其中CLDAS_Noah试验模拟的10和40 cm深度土壤温度在冬季积雪区误差明显大于CLDAS_Noah-MP试验,可能与Noah-MP模式改进了积雪方案有关,但10和40 cm深度下CLDAS_Noah-MP试验在东北、华北、青藏高原地区对春季土壤温度模拟误差明显大于CLDAS_Noah试验,可能与Noah-MP模式融雪方案有关。总之,本研究对于后续开展土壤温度多模式集成、土壤温度站点资料同化,最终研制中国区域高质量土壤温度数据集具有一定的参考意义。      

CLDAS陆面同化资料和ERA5-Land再分析资料气温产品在江西省的适用性评估

以江西省376个气象自动观测站的逐小时气温数据为基准,采用偏差、相关性和平均绝对误差等评价指标,对比分析2017—2022年CLDAS陆面同化和ERA5 Land再分析气温资料在江西省的适用性。结果表明： 1） ERA5 Land、CLDAS资料均能很好反映大部分站点的气温变化,CLDAS资料与观测资料的相关系数为0.99,相关系数区间分布较为集中;ERA5 Land资料与观测资料的相关系数为0.97,分布较为分散。2） 相较于观测站点多年平均气温,CLDAS资料较为接近,ERA5 Land资料则偏离较大。3） CLDAS资料的平均绝对误差明显低于ERA5 Land资料,二者均存在平原、盆地部分站点平均绝对误差较小而局部高海拔山区站点异常偏大的空间特征,以及秋季最大而冬季最小的季节特征。4） ERA5 Land资料偏差的日变化范围为-0.65—0.39 ℃,整体呈现单谷形分布;CLDAS资料偏差日变化范围为-0.05—0.05 ℃,波动幅度较小,没有明显的变化特征。5） 两种格点资料均能较好反映大部分站点的低温日数变化,但对于高温日数变化,ERA5 Land资料偏差较大,CLDAS资料偏差较小。     

四套土壤湿度再分析数据在中国西北东部—华北—江淮地区的适用性研究

基于1992~2010年全国778个农业气象站土壤湿度观测资料、ERA-Interim、JRA55、NCEP-DOE R2和20CR土壤湿度再分析资料,通过平均差值、相关系数、差值标准差、标准差比四个参数,利用Brunke排名方法和EOF(Empirical Orthogonal Function)分析,对四套土壤湿度再分析资料在中国西北东部—华北—江淮区域的适用性进行了分析。主要结论如下:不同季节的平均偏差空间分布上,JRA55资料同观测数据的平均偏差在±0.08m~3 m~(-3)之间,春、夏季西北东部JRA55土壤湿度偏小,ERA-Interim、NCEP-DOE R2、20CR资料较观测数据偏湿,华北南部、江淮地区平均偏差小于西北东部、华北北部。在年际变化上,各个季节ERA-Interim资料同观测资料最为接近,能稳定地再现西北东部、华北、江淮地区土壤湿度干湿变化趋势,反映出重要的旱涝年。整体而言,四套再分析资料中ERA-Interim资料同观测资料接近,JRA55、NCEP-DOE R2资料次之,20CR资料最差。     

The relationship between spring soil moisture and summer hot extremes over North China

The increase in the occurrence of hot extremes is known to have resulted in serious consequences for human society and ecosystems. However,our ability to seasonally predict hot extremes remains poor,largely due to our limited understanding of slowly evolving earth system components such as soil moisture,and their interactions with climate. In this study,we focus on North China,and investigate the relationship of the spring soil moisture condition to summer hot extremes using soil moisture data from the Global Land Data Assimilation System and observational temperature for the period 1981–2008. It is found that local soil moisture condition in spring is closely linked to summer hot days and heat waves over North China,accounting for 19%–34% of the total variances. Spring soil moisture anomalies can persist to the summer season,and subsequently alter latent and sensible heat fluxes,thus having significant effects on summer hot extremes. Our findings indicate that the spring soil moisture condition can be a useful predictor for summer hot days and heat waves over North China.     

Estimating the Soil Moisture Profile by Assimilating Near-Surface Observations with the Ensemble Kalman Filter （EnKF）

The paper investigates the ability to retrieve the true soil moisture profile by assimilating near-surface soil moisture into a soil moisture model with an ensemble Kalman filter （EnKF） assimilation scheme, including the effect of ensemble size, update interval and nonlinearities in the profile retrieval, the required time for full retrieval of the soil moisture profiles, and the possible influence of the depth of the soil moisture observation. These questions are addressed by a desktop study using synthetic data. The ＂true＂ soil moisture profiles are generated from the soil moisture model under the boundary condition of 0.5 cm d^-1 evaporation. To test the assimilation schemes, the model is initialized with a poor initial guess of the soil moisture profile, and different ensemble sizes are tested showing that an ensemble of 40 members is enough to represent the covariance of the model forecasts. Also compared are the results with those from the direct insertion assimilation scheme, showing that the EnKF is superior to the direct insertion assimilation scheme, for hourly observations, with retrieval of the soil moisture profile being achieved in 16 h as compared to 12 days or more. For daily observations, the true soil moisture profile is achieved in about 15 days with the EnKF, but it is impossible to approximate the true moisture within 18 days by using direct insertion. It is also found that observation depth does not have a significant effect on profile retrieval time for the EnKF. The nonlinearities have some negative influence on the optimal estimates of soil moisture profile but not very seriously.     

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。     

中国区域多种微波遥感土壤湿度产品质量评估

以自动土壤水分观测站土壤湿度作为验证数据, 对2012年中国区域ASCAT、WINDSAT、FY3B、SMOS 4种微波遥感土壤湿度产品按省份进行了评估研究。结果表明:ASCAT质量最优, 在中国大多数地区与观测数据的相关系数较高, 归一化标准偏差较小。WINDSAT其次, 质量优于FY3B, 而SMOS在中国大部分地区质量差, 受无线电频率干扰严重。4种产品在中国西北地区表现均略好, 如山西、陕西、宁夏等省区。研究还发现, 同一卫星土壤湿度产品在同一季节, 不同地区评估质量不同, 这可能与不同地区的地表植被覆盖类型有关。     

长江中下游地区1988—2010年遥感土壤湿度的时空变化

利用农业气象站观测资料对长江中下游地区1988-2010年遥感土壤湿度进行了验证,并与NCEP和ERA-Interim土壤湿度做了对比分析。研究表明,ECV遥感土壤湿度冬季平均土壤湿度最高,春季和秋季次之,夏季平均土壤湿度最低;这种季节性干湿变化与农业气象站观测资料一致。但是,NCEP和ERA-Interim土壤湿度再分析资料,则夏季平均土壤湿度高,春季和秋季次之,而冬季平均土壤湿度最低;这种季节性变化与ECV遥感土壤湿度和农业气象站观测资料呈反位相。就年际变化而言,ECV遥感土壤湿度与农业气象站观测资料和两套再分析资料均有较高的一致性,并在春季和秋季最高,尤其是在长江以北地区和长江以南洞庭湖、鄱阳湖两大湖区,相关系数达到0.7~0.9;而夏季一致性最低,相关系数仅为0.4左右。在研究时段,ECV土壤湿度在冬季明显增加,在夏季则有明显下降趋势。     

三种再分析气温资料在中国西部地区的可信度评价

再分析资料质量检验和可信度分析是其合理使用的必要前提,是提高气候变化研究成果可靠性的根本保证,为了评价NCEP-II、ERA-40和JRA-25三种再分析资料在中国西部地区的可信度,研究对比分析了2m气温产品的质量。结果表明,这三种再分析气温产品都能较好地反映中国西部地区气温的空间分布特征,在地形复杂区域与站点气温的差异比较大,而在地势相对平缓的地区这三种再分析资料都能提供高质量的气温产品。由于同化了地面观测资料,ERA-40、JRA-25气温产品的可信度相对较高,且能够提供更为详尽的大尺度气温变异性。总体上,ERA-40的质量优于其他两种再分析资料。     

Influence of soil moisture in eastern China on the East Asian summer monsoon

The sensitivity of the East Asian summer monsoon to soil moisture anomalies over China was investigated based on ensembles of seasonal simulations(March–September) using the NCEP GCM coupled with the Simplified Simple Biosphere Model(NCEP GCM/SSi B). After a control experiment with free-running soil moisture, two ensembles were performed in which the soil moisture over the vast region from the lower and middle reaches of the Yangtze River valley to North China(YRNC) was double and half that in the control, with the maximum less than the field capacity. The simulation results showed significant sensitivity of the East Asian summer monsoon to wet soil in YRNC. The wetter soil was associated with increased surface latent heat flux and reduced surface sensible heat flux. In turn, these changes resulted in a wetter and colder local land surface and reduced land–sea temperature gradients, corresponding to a weakened East Asian monsoon circulation in an anomalous anticyclone over southeastern China, and a strengthened East Asian trough southward over Northeast China. Consequently, less precipitation appeared over southeastern China and North China and more rainfall over Northeast China. The weakened monsoon circulation and strengthened East Asian trough was accompanied by the convergence of abnormal northerly and southerly flow over the Yangtze River valley, resulting in more rainfall in this region.In the drier soil experiments, less precipitation appeared over YRNC. The East Asian monsoon circulation seems to show little sensitivity to dry soil anomalies in NCEP GCM/SSi B.     

A new version of regional ocean reanalysis for coastal waters of China and adjacent seas

A new regional ocean reanalysis over multiple decades (1958–2008) for the coastal waters of China and adjacent seas has been completed by the National Marine Data and Information Service (NMDIS) under the CORA (China Ocean ReAnalysis) project. Evaluations were performed on three aspects: (1) the improvement of general reanalysis quality; (2) eddy structures; and (3) decadal variability of sea surface height anomalies (SSHAs). Results showed that the quality of the new reanalysis has been enhanced beyond ～40% (39% for temperature, 44% for salinity) in terms of the reduction of root mean squared errors (RMSEs) for which the reanalysis values were compared to observed values in the observational space. Compared to the trial version released to public in 2009, the new reanalysis is able to reproduce more detailed eddy structures as seen in satellite and in situ observations. EOF analysis of the reanalysis SSHAs showed that the new reanalysis reconstructs the leading modes of SSHAs much better than the old version. These evaluations suggest that the new CORA regional reanalysis represents a much more useful dataset for the community of the coastal waters of China and adjacent seas.     

Variability of soil moisture and its relationship with surface albedo and soil thermal parameters over the Loess Plateau

Data from July 2006 to June 2008 observed at SACOL(Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University,35.946°N,104.137°E,elev.1961 m),a semi-arid site in Northwest China,are used to study seasonal variability of soil moisture,along with surface albedo and other soil thermal parameters, such as heat capacity,thermal conductivity and thermal diffusivity,and their relationships to soil moisture content.The results indicate that surface albedo decreases with increases in soil moisture content,s...