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。     

GLDAS资料驱动的Noah-MP陆面模式青藏高原地表能量交换模拟性能评估

使用Noah-MP陆面模式,在GLDAS数据的驱动下,对青藏高原不同区域6个观测站点的感热通量和潜热通量进行了模拟,并与实测值进行了对比分析。研究结果表明:使用默认参数化方案选项模拟的感热通量除在珠峰站冬春季偏高而夏秋季偏低以外,在其他站点均偏高;潜热通量的模拟在不同站点和不同季节存在较大差异,在藏东南站模拟结果较好,在珠峰站偏高,在慕士塔格站偏低,在纳木错站秋冬季偏低、在阿里站春季偏高、在那曲站夏季偏低。通过进一步分析模拟结果对各个参数化方案选项的敏感性,选出了更适合各站点感热通量及潜热通量模拟的参数化方案选项组合,提高了模式对各个站点全年整体模拟水平,使得模拟结果和站点观测相比具有更小的均方根误差和更高相关系数,但对一些站点部分季节的模拟可能会带来更大的误差。本研究为这些站点的陆面及耦合模式的模拟提供了参考,同时也能对青藏高原热源变化的模拟提供更准确的地气交换信息。     

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。     

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%。     

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。     

青藏高原土壤砾石对能量水分输送的观测与模拟研究

为了检验耦合了CLM4.5的区域气候模式RegCM4.7在加入砾石参数后对青藏高原土壤能量水分输送长期的模拟效果,因此选择青藏高原阿里站、那曲站、玛多站的观测数据和中国全球陆面再分析40年产品（CRA/Land）-逐日产品（陆面产品）对模式的模拟效果进行检验。结果表明：土壤温度的模拟效果较好,并且土壤深层较浅层相关系数更高,含砾石数据与再分析数据的偏差更小,多年数据的平均变化趋势更加统一;相较于土壤温度,土壤湿度的模拟效果稍差,尤其是在青藏高原中部,但是在青藏高原东部与西南部,模拟效果有较大提升,与再分析数据的偏差明显减小。通过连续多年的模拟发现,模式的模拟效果并未随着参数化方案的优化而逐年提升,而是在一定范围内波动,且每一年的模拟效果都较原模式在相关系数及均方根误差方面有所提升。     

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。     

根系吸水过程参数化方案对青藏高原陆面过程模拟的影响研究

根系吸水过程对地表能量平衡和水循环起着重要作用，目前不同的根系吸水过程参数化方案对青藏高原陆面过程模拟的影响尚不明确，探讨相关参数化方案的影响，可以为今后建立陆面过程模式根系参数化方案提供参考。本文利用2010年6月1日至9月30日青藏高原玛曲站的观测资料作为大气强迫资料，驱动BCC_AVIM模式（北京气候中心陆面模式）引入不同的根系吸水过程参数化方案，对玛曲站2010年6月1日至9月30日时段感热通量、潜热通量、土壤温度、土壤含水量等要素进行数值模拟，分析根系吸水过程参数化方案对青藏高原地区陆面过程的影响。模式中有关根系吸水过程的参数化方案主要分为根分布模型和土壤水分对根系有效性函数两类，根分布模型用Jackson方案、Schenk方案替换，土壤水分对根系有效性函数用Li方案、LSM1.0方案、CLM4.5方案替换。对比结果表明:不同的根系吸水过程参数化方案对土壤温度、土壤含水量的模拟影响较小，对感热通量、潜热通量模拟影响较大，尤其对冠层蒸腾量模拟差异显著，相关参数化方案的变动直接影响冠层蒸腾量。两类方案模拟的差异受降水的影响，在多雨期，根分布对比方案与原模式方案模拟的感热、潜热通量间存在较大差异；在少雨期，土壤水分对根系有效性函数对比方案与原模式方案模拟的感热、潜热通量间存在较大差异。     

陆面模式中土壤和植被经验参数随机误差的传播研究

数据质量问题和模式参数化方案的非完备性是陆面模拟中不确定性的主要来源。本文将高斯误差传播原理 (Gaussian Error Propagation, GEP) 应用于通用陆面模式 (the Common Land Model, CoLM), 研究关键的植被和土壤属性参数随机误差在模式中的传播, 确定由此类误差导致的CoLM模拟的不确定性。结果表明: (1) 基于本研究给定的土壤和植被参数的不确定性, CoLM模拟的表层土壤温度、 土壤湿度和植被蒸散通量 (植冠蒸腾+地表蒸发) 的相对误差分别为0.11%、 34.07%和5.58%; 砂土和稀疏森林上模拟效果最差。土壤参数随机误差对CoLM模拟的影响高于植被参数, 而土壤水文参数 (孔隙率、 饱和基质势、 气孔尺寸分布指数和饱和导水率) 对各模拟量不确定性的贡献率均远大于热力参数 (饱和反照率和热容)。对于本研究涉及的所有模拟变量而言, 最关键的参数均是气孔尺寸分布指数b, 这可能与描述基质势与体积水含量关系的函数有关, 其次重要的是砂土的孔隙度和粘土的饱和导水率。混交森林上的根深分布和苔原上的动力学粗糙度对蒸散通量贡献显著。本身相对误差大的经验参数对CoLM模拟不确定性的贡献不一定多。 (2) 干燥条件下 (表层液态水饱和度小于0.1) 土壤温度的不确定性大; 相变发生时刻附近 (表层土壤温度在0℃附近且表层液态水含量大于0) 土壤湿度不确定性显著; 蒸散通量的不确定性随本身绝对值的增大而增大, 在相对温暖干燥环境中 (表层土壤温度高于280 K且表层液态水饱和度小于0.3) 其不确定性最高。研究证实, GEP能够辨识CoLM中需优先提高观测精度的关键参数和关键参数化过程, 对陆面模拟的参数选定、 不确定性评估和模式完善具有重要意义。     

SHAW模式对青藏高原中部季节冻土区土壤温、湿度的模拟

利用水热耦合模式(Si multaneous Heat and Water,SHAW)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BJ站2002年8月1日—2003年8月31日的观测资料,对青藏高原中部季节冻土区的土壤温湿特征进行了单点模拟研究。SHAW模式能较好地模拟BJ站不同深度土壤温度,模拟值与观测值的相关系数在0.97以上,平均偏差在1℃以内。随着土壤深度增加,土壤温度的模拟效果变好,100 cm以下土壤温度的观测值和模拟值基本吻合。由于净辐射和土壤热通量在冬、春季的模拟值较观测值略偏大,使得模拟的土壤温度在冬、春季也略微偏大。就模拟结果而言,60 cm以上土壤温度对降雪是比较敏感的。模拟的土壤湿度基本上能够再现土壤未冻水含量随时间的实际变化趋势,除4 cm土壤层外,其他层的模拟值与观测值差异较大。由于影响土壤湿度的因素较多及其本身具有较复杂的相态变化,陆面模式中对其进行合理的参数化仍是难点之一。     

Improvement of a soil-atmosphere-transfer model for the simulation of bare soil surface energy balances in semiarid areas

A soil-atmosphere-transfer model (SATM) was evaluated using observational data from the Tongyu Cropland Station and Audubon Research Ranch in semiarid areas, where the land cover was nearly bare soil during the simulation period. Simulations by the SATM at both sites were conducted using the new and original surface thermal roughness length parameterization schemes, respectively. Comparisons of simulations and observations have demonstrated that using the new surface thermal roughness length scheme in this model made sound improvements in the simulation of soil surface temperatures, sensible heat fluxes and net radiation fluxes in the daytime at both sites, compared to the original scheme, because the new scheme produced a larger aerodynamic resistance for turbulent heat transfer in the daytime. With respect to latent heat fluxes, the improvement was not as obvious as that attained for soil surface temperature since the soil water content in the surface layer in a semiarid area is a more important factor than surface soil temperature in controlling evaporation rate. Accordingly, it can be concluded that the new surface thermal roughness length parameterization scheme could improve the ability of the SATM to simulate bare soil surface energy budget with latent heat flux component being innegligible in semiarid areas.     

基于陆面模式Noah-MP的不同参数化方案在半干旱区的适用性

针对陆面模式Noah-MP对兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）2009年8月地表热通量模拟值偏差大的问题,通过分析相关物理过程和模拟试验来探究偏差的来源,并确定合适的参数化方案:采用Chen97方案计算感热输送系数可以改善感热通量的模拟;采用Jarvis气孔阻抗方案能增大植被蒸腾,改进模式对潜热通量的模拟效果,同时也使热通量在感热和潜热间的分配比例合理;采用LP92方案可减小土壤蒸发阻抗并有利于土壤蒸发,使得模式对潜热通量的模拟效果变好。不同参数化方案的组合试验表明:同时采用2组或3组新的参数化方案组合可以进一步减小模拟的地表感热和潜热通量的均方根误差,但是土壤湿度和温度的模拟效果并没有同步改善。     

藏东南峡谷地区不同下垫面地表通量变化特征及其与降水的关系

利用藏东南峡谷地区排龙站、丹卡站、卡布站、墨脱站四个站点2018年11月至2019年10月的涡动协方差仪观测资料,分析藏东南峡谷地区不同位置入口、中段和末端地表通量变化的特征及其与局地降水的关系.研究表明:地表通量月平均日变化特征为夜间潜热通量大于感热通量,日间呈单峰变化特征.排龙站和丹卡站感热11月至次年4月较强,5...     

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。     

Improving CLM4.5 simulations of land–atmosphere exchange during freeze–thaw processes on the Tibetan Plateau

Soil is heterogeneous and has different thermal and hydraulic properties, causing varied behavior in heat and moisture transport. Therefore, soil has an important effect on land–atmosphere interactions. In this study, an improved soil parameterization scheme that considers gravel and organic matter in the soil was introduced into CLM4.5 (Community Land Model). By using data from the Zoige and Madoi sites on the Tibetan Plateau, the ability of the model to simultaneously simulate the duration of freeze–thaw periods, soil temperature, soil moisture, and surface energy during freeze–thaw processes, was validated. The results indicated that: (1) the new parameterization performed better in simulating the duration of the frozen, thawing, unfrozen, and freezing periods; (2) with the new scheme, the soil thermal conductivity values were decreased; (3) the new parameterization improved soil temperature simulation and effectively decreased cold biases; (4) the new parameterization scheme effectively decreased the dry biases of soil liquid water content during the freezing, completely frozen, and thawing periods, but increased the wet biases during the completely thawed period; and (5) the net radiation, latent heat flux, and soil surface heat flux of the Zoige and Madoi sites were much improved by the new organic matter and thermal conductivity parameterization.     

纳木错湖夏季典型大气边界层特征的数值模拟

为了进一步检验分析纳木错湖对当地地方性环流、湖气能量交换及大气边界层的影响,在本文中使用美国NCAR新版MM5V3.7非静力中尺度模式,设计了有湖面、3/4湖面、1/2湖面及无湖四组试验,以NCEP再分析资料做初、边值条件,做了48 h三重嵌套模拟试验,对比中国科学院"纳木错圈层相互作用"综合观测站实测资料,说明该模式模拟性能良好。白天在纳木错湖风与念青唐古拉山北坡谷风共同作用下,在念青唐古拉山脊处汇合,形成一强水平切变及辐合上升运动,造成了该地夏季白天复杂多变的天气;夜间由于南岸湖风与山风叠加,使得整个区域为强大南风气流控制,这也补给了水汽和热量,也为白天不稳定运动提供了能量。对大气边界层特征的模拟结果表明:由于白天(夜晚)纳木错湖的存在有很好的降温(保温)作用,该湖表现出了明显的冷(暖)湖效应;纳木错湖对感热和潜热的影响有很强的日变化,白天湖面感热、潜热均小于周围陆地,夜间湖面有强潜热通量;纳木错湖使得白天湖区边界层顶低,陆区边界层顶高,夜间相反。这样的地方性环流和大气边界层特征的配合,是该地中小尺度天气剧烈变化的重要原因。     

藏北高原地表能量和边界层结构的数值模拟

利用耦合了NCAR LSM陆面过程的中尺度模式MM5V3.7和2002年8月CAMP/Tibet加强期的观测资料,对藏北高原地区地气交换过程进行了48 h模拟研究。模式较好地模拟了该地区的山谷风环流;并将模拟的地表通量在中尺度区域上与NCEP/NCAR全球大气再分析格点资料(NNRP)获得的结果进行了比较,同时也与单站的实测值进行了比较,结果显示:模拟的地表通量与NNRP得到的结果比较吻合,同时可以得到雨季时藏北、藏东地区潜热通量大于感热通量,而高原西部感热通量大于潜热通量,这与观测试验分析结果一致;与单站试验结果比较,模拟的感热通量与实测值一致,潜热通量的模拟值和实测值有一定差别。模拟的边界层位温廓线与实测值比较,模式模拟的对流混合层和夜间残留层都与实测结果吻合,但模拟的混合层高度较实测值高。由此来看,中尺度模式MM5V3.7能够较好地模拟藏北高原的地表能量和边界层结构特征,但还需要进一步完善陆面过程和物理过程参数化方案。     

麻多高寒湿地冻结过程中土壤热通量变化特征分析

准确量化高寒湿地下垫面冻结过程中土壤热通量的变化特征,对认识高寒湿地—大气间水热交换过程有重要的科学意义。本文利用中国科学院麻多气候与环境综合观测站2014年5月至2015年5月的观测资料,分析了下垫面冻结过程中土壤热通量变化特征,探讨了冻结潜热对土壤热通量的贡献。基于温度积分计算土壤热通量的算法,指出在计算冻结过程中的土壤热通量时,需要同时考虑土壤热通量板以上的土壤热贮存及热通量板以上的冻结潜热。研究表明:（1）冻结锋面形成后,锋面所在深度土壤体积含水量迅速降低,锋面以下土壤热通量接近于零,土壤液态水开始冻结,冻结潜热向上穿过热通量板所在土壤层;降水下渗土壤后冻结所释放的潜热能使次日凌晨5 cm深度土壤热通量接近于零。（2）季节性冻结期,凌晨气温较高时穿过5 cm土壤层的向上土壤热通量很小,可能是由表层土壤发生了日冻融循环所致。土壤水释放的冻结潜热使土壤温度波动减弱并维持在冰点附近。高寒湿地下垫面仅在很浅的表层发生日冻融循环,无法通过5 cm土壤温度资料判断下垫面循环出现日期。（3）加入冻结潜热项,土壤热通量的计算值与实测值之间的均方根误差将会从11.5 W m-2下降到6.2 W m-2。以上研究结果对认识寒区陆面过程有重要的贡献。