通用陆面模式对土壤质地和亮度的敏感性分析

使用前苏联Valdai 1966～1971年的气象观测资料,研究了通用陆面模式(Common Land Model,CoLM)模拟的水分循环和地表通量在12种土壤质地和8种土壤亮度条件下的差异。结果表明,在相同的气象条件下,模拟的热通量对土壤质地和亮度都比较敏感,而地表水文过程只对土壤质地敏感。土壤亮度相同时,相对砂性土壤,粘土含量高的土壤保水性强,土壤湿度、地表蒸发和径流量都比较大（月均最大差值：土壤湿度约为5 kg·m-2,地表蒸发和径流量约为年降水量的7%和1.2 %）,相应地在热通量分配上存在明显差异（月均最大差值为8 W·m-2）;土壤质地相同,亮度由亮变暗时,潜热通量变化很小,地表温度略有升高,而感热通量和净辐射增加显著（月均最大差值为7 W·m-2）。土壤质地和亮度对模拟的影响主要存在于降水少、植被覆盖度低的3～5月。     

基于中国植被数据的陆面覆盖及其对陆面过程模拟的影响

本文基于中国1:100万植被图、马里兰大学AVHRR森林覆盖资料和中国753个气象站点40年的降水气温资料, 发展了一套用于气候模拟的中国陆面覆盖资料(Chinese land cover derived from vegetation map, 简称CLCV)。该套资料与CLM(Community Land Model)原来所用的MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) 陆面覆盖资料相比有较大不同: 其中裸土比例减少了14.5%, 森林、灌木、草原和农作物比例分别增加了3.3%、4.8%、4.4%和0.3%, 冰川、湖泊和湿地比例分别增加了0.4%、0.8%和0.6%。将CLCV和MODIS资料分别与全国土地资源概查汇总结果分省统计资料和基于中国1 km土地利用图的土地利用资料比较表明, CLCV与两者较为接近。最后, 利用CLM模式分别采用CLCV与MODIS陆面覆盖资料在中国区域内进行数值模拟, 结果显示, 使用CLCV资料所模拟的蒸散增加了约7.7 mm/a; 地表反照率、 感热和径流分别减小了约0.7%、 0.3 W/m2和7.6 mm/a; 与MODIS卫星反演地表反照率和GRDC (Global Runoff Data Centre) 径流资料比较表明, 利用CLCV资料所模拟的地表反照率有一定改进, 并能基本模拟出径流分布趋势。     

土壤数据集对全球陆面过程模拟的影响

基于通用陆面模式（Common Land Model, CoLM）,首次评估了两套最新的全球土壤数据集GSDE（Global Soil Dataset for Earth System Model）和SG（SoilGrids）对全球陆面过程模拟的影响。比较分析了两套数据中砂粒、粘粒、砾石、有机碳的含量和容重这五个土壤属性在全球分布上的差异以及这种差异造成的对模式估计的土壤特性参数、水力热力变量的影响。结果表明,土壤特性参数在全球的空间分布主要受土壤粒径分布（砂粒、粉粒和粘粒）影响,同时也受砾石、有机碳和容重的影响。土壤资料对全球模拟结果影响主要体现在区域差异,对水文学变量的影响（R_e最大达到±100%）大于对土壤热力学变量的影响（R_e<±10%）,对地表辐射变量的影响较小（R_e<±5%）。其中,土壤体积含水量在加拿大中部及西北部、俄罗斯东南部及中西部和澳大利亚中部地区模拟结果相差较大,总径流在低纬地区模拟结果出现较大的差异,热力学变量在非洲北部、加拿大西北部以及俄罗斯中北部的差异稍大。将模拟的土壤体积含水量与站点观测相比,两套数据的表现接近,与站点观测相比都存在一定的偏差,但SG更接近观测,其中在Molly Caren站点（39°57′N,83°27′W）上SG相比GSDE整体提高约0.01～0.02。本研究表明,模式模拟结果受不同土壤数据集的影响显著,可优先考虑诸如SG较准确的土壤数据。土壤属性对陆面模拟的影响需进一步研究。     

陆面过程模式LPM-ZD及其对我国中东部地区陆面特征的模拟

该文利用陆面过程模式ＬＰＭ┐ＺＤ和一套观测分析资料对我国中东部地区的陆面特征进行了模拟研究．模拟结果表明：模式ＬＰＭ┐ＺＤ比较好地模拟了该区域内不同类型植被和土壤的温、湿变量以及陆气间通量交换的日变化特征；能够合理地模拟我国中东部区域的陆面过程特点分布，很好地反映了我国南北方区域气候特点的差异和我国夏季风气候特点     

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。     

陆面过程模式LPM—ZD及其对我国中东部地区陆面特征的模拟

该文利用陆面过程模式ＬＰＭ－ＺＤ和一套观测分析资料对我国中东部地区的陆面特征进行了模拟研究，模拟结果表明，模式ＬＰＭ－ＺＤ比较地模拟了该区域内不同类型植被和土壤的温，湿变量以及陆气间能量交换的日变化特征，能够合理地模拟我国中东部区域的陆面过程特点分布，很好地反映了我国南北方区域气候特点的差异和我国夏季风气候特点。     

陆面过程模式SSiB在中国西北典型干旱区使用性能的检验

利用2000年5月25日～6月15日敦煌试验加强期的观测资料，检验了SSiB模式在我国西北典型干旱区的使用性能。结果表明，在无降水强迫的情况下，模式对净辐射、感热、潜热和地表温度有较好的再现能力；但当加入降水强迫时，模式输出的模拟值与实测值有较大的差别，究其原因这可能与该模式对干旱区土壤水运动过程描述不准确有关。因此，要将此模式应用于典型干旱区，需要做进一步的改进工作。     

藏北高原陆面过程的模拟试验

利用NCAR陆面过程模式(Land Surface Model)和1998年"青藏高原能量与水分观测实验"加强观测期(GAME/Tibet IOP)的观测资料对青藏高原地区陆面过程进行了模拟研究.结果表明,在观测资料的强迫下模式能够较好地模拟出地表特征量的变化趋势,深层的土壤温度的模拟对初始场在0℃左右的变化敏感.模拟的感热通量、潜热通量以及地表反射的太阳辐射较观测值偏大.在高原地区地表类型分布状况的真实描述及植被、土壤参数的选取可能是提高该地区效果的首要问题;草地下垫面的陆面特征有待进一步研究;对土壤水热运动的真实描述,及冻土过程的加入对大气环流模式(GCM)跨季节的数值模拟会有所改进.     

ＣＬＭ３０对中国区域陆面过程的模拟试验及评估（Ⅱ）：土壤湿度

利用CLM3.0及普林斯顿大学的全球大气外强迫场资料,对中国地区1948—2001年的土壤湿度进行了off-line模拟,进一步评估了CLM3.0对中国地区土壤湿度的模拟能力。结果表明:模式基本能揭示土壤湿度的空间分布型,即华北干、东北和东南湿二湿一干的分布特征,但模拟值较观测值普遍偏高;就年际变化而言,在5个分区中,云贵地区模拟的年际变化与观测的相关性最好,东北区域次之,模拟的东部中纬度区域的年际变化较差,全区范围内7月的模拟好于4月;模式对于土壤湿度倾向有一定程度的模拟能力,基本能模拟出4月东北东部区域的干化趋势,但模式模拟的变化幅度较观测值偏小很多,其中以黄淮江淮地区模拟的趋势最差。     

NIM陆面过程模式的研究Ⅱ：青藏高原夏季陆面过程的数值模拟

采用南京气象学院（NIM）5层陆面过程模式，利用1979年5－8月“青藏高原气象科学实验”资料模拟和分析了夏季青藏高原不同地区的陆面特征和地表能量特征。并将模拟值与根据观测资料计算得到的感热和潜热以及观测得到的净辐射、土壤温度、土壤热通量进行了对比。结果表明，NIM5层陆面过程模式可以模拟青藏高原夏季不同下垫面情形下的能量交换过程。     

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。     

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。     

不同陆面模式对我国地表温度模拟的适用性评估

基于CLDAS大气驱动数据驱动CLM3.5陆面模式和3种不同参数化方案下的Noah-MP陆面模式模拟得到的地表温度,利用中国气象局2009-2013年2000多个国家级地面观测站地表温度进行质量评估。结果表明:从时间分布看,模拟地表温度与观测的偏差及均方根误差均呈季节性波动;从空间分布看,模拟地表温度与观测的偏差及均方根误差在中国东部地区相对于中国西部地区更小。选择Noah-MP陆面模式3种不同参数化方案模拟结果进行对比,结果表明:Noah-MP模式的非动态植被方案不变时,考虑植被覆盖度的二流近似辐射传输方案的Noah-MP陆面模式模拟的地表温度优于考虑太阳高度角和植被三维结构的二流近似辐射传输方案Noah-MP陆面模式模拟的地表温度;选择动态植被方案的Noah-MP陆面模式模拟的地表温度优于选择非动态植被方案的Noah-MP陆面模式;总体而言,考虑动态植被方案的Noah-MP陆面模式模拟的地表温度优于其他两种参数化方案的Noah-MP陆面模式以及CLM3.5陆面模式模拟的地表温度。     

陆面过程模型中垂直非均匀土壤的水分传输及相变的模拟

土壤湿度在陆气相互作用中的重要性体现在它既能影响陆地和大气之间水循环的速率, 又能改变地表的能量分配。本文针对陆面过程模型中描述土壤湿度变化的方程进行了理论分析, 指出在非均匀土壤和冻土中采用土壤水势梯度描述垂直非均匀土壤水分流动的合理性。基于描述土壤内部水热传输的统一土壤模型, 并利用推广的表征土壤水分特征的Clapp-Hornberger关系式, 研究了非冻结和冻结的土壤湿度对于垂直非均匀土壤的敏感性。结果表明, 由土壤质地决定的土壤水势和导水率对土壤湿度的模拟有重要的影响。具体地, 在决定土壤性质的Clapp-Hornberger关系式中, 与土壤质地有关的饱和水势、饱和导水率以及土壤孔隙大小分布指数B, 对土壤湿度的模拟起到了关键作用。参数B的重要性尤为突出, 它的增加会引起导水率的大大下降, 从而对水分在土壤中的垂直分布产生重要影响。饱和水势的绝对值和参数B的增加会使得土壤水势绝对值增加明显, 使土壤的结冰(融化)过程延迟, 土壤温度因为没有结冰(融化)释放(吸收)的潜热加热(冷却)而持续下降(上升), 因此在冻融时期土壤温度会比观测值振幅偏大。上述结果揭示了考虑土壤垂直非均匀性并采用有效的土壤特性参数对于陆面过程模型的重要性。     

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。     

陆面生态过程的一维数值模拟

建立了一个研究大气、植被、土壤相互作用的传播模式。模式是由多层大气模式、多层土壤模式和植被模式通过界面上能量、水汽传输平衡方程耦合而成。对植被和土壤的不同性质,进行了一系列的数值试验。结果表明,不同的植被覆盖以及降水等因子会对大气、植被、地表界面上能量、水汽传输以及热状态产生显著的影响。此模式还可以耦合进中尺度模式用以研究非均匀区域陆面过程和大气的相互作用。     

北半球陆面过程对全球变暖响应特征的初步分析

利用NCAR气候系统模式CCSM3.0 IPCC AR420世纪气候（20C3M）和21世纪SRES A1B排放情景下的模拟结果,着重分析了未来北半球陆面情况对全球变暖的总体响应特征。对比分析模式对20世纪和21世纪SRES A1B情景下的模拟结果表明：北半球陆面的水、热过程在全球变暖背景下将发生显著的变化。伴随全球地面温度的持续升高,北半球陆面的净辐射通量、感热通量和潜热通量均表现出不同程度的上升趋势,其中潜热通量的增幅明显高于感热通量;伴随着全球变暖,地表的水循环也发生了明显的变化,具体表现为北半球降水持续增多,陆面蒸发明显增加,地表径流也呈现出总体增加的趋势,但土壤含水量则表现出减少的趋势。