陆面模式CLM4.5在青藏高原土壤冻融期的偏差特征及其原因

利用中国区域地面气象要素数据集制作的大气强迫场驱动通用陆面模式CLM4.5（Community Land Model version 4.5）对青藏高原区域进行离线模拟试验,模拟结果与D66、沱沱河（TTH）和玛曲（Maqu）3个站点的观测资料以及GLDAS（Global Land Data Assimilation System）-CLM2模拟结果进行了对比,并分析了陆面模式对冻融过程中土壤温度和湿度模拟的偏差及其可能原因。结果表明：CLM4.5对土壤温度模拟较好（平均RMSE≈3℃）,而GLDAS-CLM2计算的土壤温度偏高,偏差较大（平均RMSE>6℃）,且其偏差大于CLM4.5,尤其在冻融期;CLM4.5能较好地模拟出冻融过程中土壤湿度季节变化,但土壤湿度的模拟值与观测值存在一定偏差（平均RMSE≈0.1 mm³·mm^-3）,GLDAS-CLM2不能反映出土壤湿度在冻融过程中的变化特征。CLM4.5的模拟偏差主要来自大气强迫场,而GLDAS-CLM2的偏差除了大气强迫场的不确定性外,还来自于模式冻融参数化方案的不完善。大气强迫场中的气温和降水对土壤温度和湿度的影响在冻融期和非冻融期表现不同。在非冻融期,土壤温度的模拟主要受气温的影响（r>0.6）,气温偏差对土壤温度偏差的贡献率大于50%;土壤湿度的变化则主要受降水的影响,降水偏差对土壤湿度偏差的贡献率为20%~40%。在冻融期,受土壤水热相互作用的影响,气温和降水对土壤温度和湿度的作用效果减弱;土壤湿度的变化受气温影响显著,其贡献率为10%~20%。陆面模式中冻融参数方案的不完善是冻融过程中土壤温度和湿度偏差的重要来源之一。     

不同陆面方案对降水模拟的影响

基于区域气候模式RegCM4.0(Regional Climate Model 4.0),分别选取BATS(Biosphere Atmosphere Transfer Scheme)和CLM(Community Land Model)陆面方案,对2001-2005年中国的气候状况进行模拟,并将模拟结果与CRU(Climatic Research Unit)及GPCP(Global Precipitation Climatology Project)降水资料进行对比,研究不同陆面方案对降水模拟的影响。结果表明:在两种陆面方案下,区域气候模式均较合理地模拟出了中国降水的空间分布、时间变化;模拟降水对陆面方案敏感,RegCM_BATS总体上表现为正偏差,在东北区域的模拟偏差较大;RegCM_CLM表现为负偏差,在长江以南区域的模拟偏差较大;模拟结果的偏差在夏季较大,冬季较小;两模式模拟结果间的差异在空间上由东南向西北减少;两模式均较准确地模拟了不同强度降水出现频率的分布形势,总体上RegCM_CLM模拟低强度降水偏多;高强度降水偏少,而RegCM_BATS模拟低强度降水偏少,高强度降水偏多;不同陆面方案对地表蒸发量以及地表潜热通量模拟的差异是导致模拟降水差异的主要原因,夏季地表蒸发对降水的影响较冬季更强;水汽平流输送对两模式模拟降水差异的影响较小。     

水文模型与陆面模式耦合研究进展

水文模型与陆面模式耦合是目前全球变化研究中的热点问题,如何实现分布式水文模型与陆面过程模式的双向耦合,并将其有机嵌入大气模式中,是未来大气环流模式(GCM)和区域气候模式(RCM)发展和完善的重要目标之一.在简单介绍陆面过程模式和水文模型发展历程的基础上,对水文模型和陆面过程耦合研究的国内外进展进行了综述,指出了模式耦合中存在的共同问题和未来工作的研究要点.最后,探讨了分布式水文模型与陆面模式耦合在全球变化研究框架中的地位与意义,并展望了陆面水文过程发展的主流趋势和研究方向.     

陆面水文过程与大气模式的耦合及其在黑河流域的应用

陆面过程模式对陆面水文过程有比较详尽的描述,然而,目前的陆面水文过程只考虑了垂直方向的水分运移,比较适合平坦地区的模拟,而在地形坡度较大的山区只考虑垂直方向的水分移动是不够的,尤其是目前随着计算机条件提高,分辨率越来越高,地表水以及土壤水的侧向流动成为山区水文过程必须考虑的部分。同时,目前的陆面过程模式中的径流量是作为诊断量处理,不参与运算。针对以上问题,对Noah陆面过程模式进行了改进,增加了地表积水和积水蒸发、坡面汇流方案、次表面流方案,并且将Routing模块通过次网格过程与大气中尺度模式MM5耦合,发展了高分辨率大气—水文耦合模式。运用发展的高分辨率大气—水文耦合模式,对黑河流域中上游2003年6月23~25日降水过程进行了模拟,研究了陆面水循环过程对大气场的影响。结果表明陆面水循环过程对近地层大气影响很大,首先影响了土壤的湿度与蒸发,进而对边界层稳定性,云结构、云水、雨水含量产生影响,对区域降水也有一定影响。     

大气水文模式耦合研究综述

首先阐明大气水文模式耦合的必要性,总结作为二者耦合的共同界面——陆面模式的发展过程。在此基础上,从耦合研究方法和目的出发,分4个类别详细论述当前国内外大气水文模式耦合研究的现状。指出了单向耦合不足和进行双向耦合所面临的几个关键问题包括：尺度问题、次网格分布非均匀性、降水模拟等。未来要求充分利用“3S”、四维变分同化等新技术和新方法,加强多学科的联合研究,深入开展大气水文模式的双向耦合试验和敏感性分析,研究大气—植被—土壤—水文系统的交互影响,从根本上提高大气和水文模式的模拟和预报水平。     

珠江流域大尺度陆面水文耦合模式的构建及应用

以珠江流域为研究对象,通过更新陆面水文模式所需的下垫面参数数据库,建立适合于珠江流域的大尺度陆面水文耦合模式系统,并利用该模式开展了1963~2006年流域水文水循环过程的数值模拟,通过与实测流量比较,系统考察了陆面水文耦合模型对珠江流域水循环各分量的模拟性能。分析结果表明,该陆面水文耦合模式对珠江流域年平均各水循环要素具有良好的模拟能力;模式对珠江流域干流主要控制水文站的月平均流量也有较高的模拟精度,模式模拟的水量平衡系数均接近1,相关系数均高于0.84,IOA相似度系数均高于0.9;相对而言,模式对流量峰值的模拟能力还有待提高。     

耦合水库群参数化方案的区域陆面水文模拟

中国水库数目众多,密集的水库运行和调蓄影响着陆地水循环和陆气间的水分能量交换过程,给高强度开发地区水文规律认知和水文模拟及预报带来了挑战。围绕这一问题,本研究以鄱阳湖流域及流域内千余座水库为研究对象,从水库水量平衡方程、水库蓄泄规则、多阻断扩散波汇流等方面构建了水库群参数化方案,并从地表水、地下水、蒸散发、能量通量等角度实现了其与陆面水文双向耦合模式（CLHMS）的动态耦合。结果表明:所构建的水库群参数化方案可以较好地模拟水库的蓄泄过程,提高了耦合模式在鄱阳湖流域的径流模拟精度;水库群可以使赣江、信江、抚河丰水期径流减少3.7%~6.0%,枯水期径流增加5.9%~12.6%,多年平均径流减少0.6%~1.5%;在空间分布上,水库群对流域中部和北部径流的调蓄作用相对显著。本研究所改进的陆面水文模式可以为高强度人类活动影响下气象、水文、水资源交叉领域的研究提供分析工具和模型基础,从而支撑变化环境下区域水资源的可持续利用。     

陇中黄土高原LAS在非均匀下垫面的观测优势及其在区域陆面模式验证中的初步应用

目前通用的通量观测技术涡动相关仪（EC）在区域陆面模式验证中存在能量不闭合和空间代表性有限的问题,寻求改进EC观测热通量的新技术是提高陆面模式验证效果的关键环节,大孔径闪烁仪（LAS）的出现有效改善了这一现状。基于黄土高原定西站2010年1月和6月的同步综合观测资料以及目前比较有代表性的陆面过程模式CLM的模拟数据,分析研究了LAS对EC观测地表能量不平衡问题的改进以及LAS对EC在区域陆面模式验证中的提高,结果表明：LAS可有效解决EC观测存在的地表能量不平衡问题,提高EC的地表能量闭合度,在非均匀下垫面LAS观测优势突出;利用LAS观测的感热通量进行区域陆面模式的验证,能够很大程度地避免EC能量不闭合和空间尺度不匹配在验证中造成的偏差,LAS观测更适合于大尺度模拟的验证,验证效果更好。     

黑河流域陆地-大气相互作用研究的几点思考

陆地和大气之间是相互作用、相互影响的,不仅陆面分布与地表过程对大气变化有着响应过程,而且陆面物理过程、地表特征分布对大气过程也有着重要影响。我国西北地区地形分布极不均匀,是水资源变化和气候变化的敏感区与脆弱地区。这里,由于海拔高度起伏造就了以水为主线的上游山区冰雪、冻土—中游森林、绿洲—下游戈壁荒漠的多个自然景观带共存的内陆河流域,是开展陆—气相互作用研究的理想场所。文章集中黑河流域水循环过程、冰雪/冻土与大气相互作用、降水异质性、人类活动影响以及尺度等问题,阐述了流域研究现状以及研究热点,指出发挥各学科优势,将大尺度的大气过程与中间尺度和小尺度的陆面水文/生态过程结合,建立流域尺度大气—水文—生态过程真正的双向耦合模式,不仅研究气候变化对陆面水文、生态的影响,同时探讨陆面小尺度过程对大气的反馈机理,探索流域尺度的水循环过程和驱动机理,为水资源合理利用提供理论基础。     

CLM3和SHAW模式在青藏高原中部NMQ站的模拟研究

利用那曲地区NMQ站2010年11月1日至2011年7月26日的观测资料作为通用陆面过程模式CLM3.0和水热耦合模式SHAW的大气强迫, 在青藏高原中部季节冻土区进行了单点模拟研究.在参照观测资料的基础上, 对两个陆面模式的模拟结果对比发现: SHAW模式和CLM3.0模式模拟的向上短波辐射和向下长波辐射值基本相近或重合, 但两个模式均未考虑新雪存在对向上短波辐射的影响, 以及青藏高原日冻融循环过程中潜热释放对向上长波辐射的影响.此外, SHAW模式和CLM3.0模式均能模拟各层土壤温度的逐日变化, 均是上层土壤的模拟效果较下层好; 相比SHAW模式, CLM3.0各层土壤温度的模拟值更接近于实测值.对土壤含水量的模拟而言, 60 cm以上(包括60 cm)SHAW模式和CLM3.0模式各有其优缺点, 60 cm以下SHAW模式的模拟结果要好于CLM3.0, 尤其是土壤冻结和消融时段的模拟结果.     

冰川水文模型研究进展

定量评估冰川变化对干旱区流域/区域水资源管理、海平面上升以及冰川自然灾害预防等十分重要。从冰川产流(消融)和汇流两个水文物理过程出发,介绍了国内外冰川水文模型的研究进展,对目前应用最广的两类消融模型——基于气象因子的统计模型和基于物理机制的能量平衡模型进行了分析和讨论;从冰川表面、内部以及下部汇流3个方面阐述了冰川汇流模型所取得的成果。表明冰川产流(消融)模型已相对较为成熟,而冰川汇流过程目前仍处于探索阶段。构建适合不同规模和类型冰川的、包含冰川运动信息的分布式冰川水文物理模型是今后的研究重点。     

气候变化对陆地水循环影响研究的问题

简要地回顾了现存的由气候情景驱动水文模型研究气候变化对陆地水循环影响的方法。指出这种单向连接方法很难将气候变暖及人类活动引起的陆地水循环变化反馈给大气。这既影响对降雨的预测精度,又不能正确地描写陆地水循环的变化。近10年来气候学家对大气环流模型中陆面过程模型的改进以及水文气候学家对大尺度水文模型研究所取得的进展,展现了它们之间的互补性,以及未来用水文-气候耦合模型方法研究气候变化与人类活动对陆地水循环影响及水资源预测的可能性。     

西苕溪流域城镇化对径流的长期影响研究

城镇化的发展使流域下垫面产生了较大变化,从而使流域降雨径流条件发生变化,随着城市化水平的提高,土地利用性质发生了改变,不透水地面积的增加,对径流的形成过程产生很大影响。长期水文影响模型(Long-Term Hydrological Impact Analysis,L-THIA GIS)是一个基于GIS平台的城市水文模型,可用于评价城市化对径流的长期影响。本文选取太湖上游浙江省安吉县西苕溪流域作为研究区域,利用L-THIA GIS模型对流域31年的长期径流进行模拟,在验证模型有效应用的基础上,探讨了城镇化对径流的影响。     

基于分布式水文模型的长江上游水资源时空变异性分析

本文首先分析了长江流域内154个气象站降水量和26个干支流水文站流量在1950～2000年期间的变化趋势。为定量分析长江上游地区降水量时空变化对水资源量的影响,构建了基于物理机理的分布式水文模型,模拟再现了天然河道条件下的水文过程。有别于传统的河道径流性水资源评价方法,本文尝试用径流深的空间变化来探讨水资源分布及演变态势。并以渠江罗渡溪水文站为个案,剖析了90年代秋季流量大幅减少的主要缘由。结果表明:受降水在时空分布上存在变异的影响,长江上游局部地区夏季径流深比率呈增加趋势,而秋季则相反;导致嘉陵江渠江水系秋季流量减少的主要原因是降雨,其次才是人为因素。     

水文模型在估算冰川径流研究中的应用现状

冰川径流估算是气候变化风险评估和水资源可持续管理的重要内容.冰川径流估算方法主要包括:直接观测法、冰川物质平衡法、水量平衡方程法、水化学示踪法和水文模型法.本文首先对五种方法的应用情况进行简要总结,进而重点阐述水文模型法在估算冰川径流研究中的应用现状.水文模型法是冰川径流估算研究中使用最频繁的方法,使用方式主要包括耦合冰川模块和开发新的冰川水文模型.冰川水文模型中的消融算法主要包括温度指数模型(度日因子法)、修正的温度指数模型、能量平衡模型.受当前观测条件限制,修正的温度指数模型兼顾能量平衡模型和温度指数模型的优势而成为冰川水文模型中最流行的方法.随着学科的发展进步,能量平衡模型与水文模型的耦合将会成为未来的研究重点,发展大尺度分布式冰川水文模型是冰川水文学的未来发展方向之一.     

陆面水文过程研究综述

在简单介绍陆面过程模式发展的基础上，从裸土蒸发、植被蒸散、土壤水传输、排水和径流等五个方面详细综述了陆面模式研究中对水文过程的参数化。目前陆面参数化方案中仍存在很大的不确定性，其中陆面水文过程参数化的关键问题包括：土壤分层、土层厚度、根带分布；参数的代表性和移植；观测资料；径流的参数化。分析了径流在陆面模式中的重要性，及目前陆面模式中对径流参数化存在的不足，介绍了部分陆面模式对径流的模拟研究，讨论了未来工作的研究重点。     

一种可用于表征土地利用变化水文效应的水文模型探讨--SWAT模型在云州水库流域的应用研究

基于对SWAT模型的发展和运行流程的概述，以云州水库流域为例，模拟了20世纪80年代土地覆被状况下的1985年的流量过程。从结果来看，云州水库流域日径流模拟值与实测值曲线拟合度较好，其模拟结果的确定性系数为0．79，达到了乙等方案的要求，取得了较好的模拟效果。由此可以看出，SWAT模型在云州水库流域的应用是比较成功的，从而为该流域不同土地利用变化和土地覆被变化(LUCC)下的水文效应研究奠定了较好的基础。     

HSPF模型在流域水文与水环境研究中的进展

HSPF(Hydrological Simulation Program-Fortran)模型是在Stanford水文模型的基础上发展起来的.作为半分布式水文水质模型的优秀代表,HSPF模型能够综合模拟河道水力、流域径流、土壤流失、污染物迁移等过程,从而被广泛应用于流域水文与水环境研究中.通过概述HSPF模型研发与整合...     

雅鲁藏布江流域气候和下垫面变化对径流的影响研究

典型高原寒区雅鲁藏布江流域径流变化是反映该区域气候和下垫面变化的重要指标。在全球升温背景下,由于观测资料稀缺,导致缺乏针对整个流域的气候和下垫面变化对径流影响的研究。因此,本研究基于1986—2010年的气象数据和奴下水文站月尺度、动态土地利用数据等,利用改进的水文模型并结合不同的模拟策略厘清了流域1991—2010年不同时段间气候和下垫面变化对径流的影响。结果表明：在1991—2010年期间,不同时段间气候和下垫面变化对径流变化的贡献率差异较大,气候变化对径流变化的贡献率高于下垫面变化,且使径流量增加。从空间上看,气候变化对流域产流的贡献率在上游和中游都较大,在下游东北部的贡献率较小,而在该区域下垫面变化的贡献率较大。雪冰融水径流呈增加的趋势,对年径流的平均贡献率在21.1%~48.6%范围内,多年平均贡献率为33.6%;雪冰融水径流一般从4月开始增大,8月达到最大,10月达到消融末期。本研究的开展和发现既是雅鲁藏布江流域水文、水资源基础性研究的需要,具有重要的理论研究意义,同时也可为该流域的水资源保护、规划与管理提供科学理论和决策依据,具有重要的现实意义。