青藏高原植被对未来气候变暖的反馈

本文使用NCAR的公共陆面过程模型CLM4.5-CNDV对21世纪末青藏高原（以下简称高原）植被的变化趋势和时空分布进行了预测,以研究高原植被对未来气候进一步变暖的反馈。模式大气驱动数据基于“美国大气科学研究中心”NCAR/NCEP历史时期的气候数据和“第五次国际耦合模式比较计划”CMIP5的多模式集成数据未来气候的变化构建而成,目的是为模式提供高原未来相对真实的气候变化特征。研究得到的主要结论如下：未来高原叶面积指数（LAI）总体呈增加趋势,植被覆盖度增加,高原总体变绿。在未来高原气候变暖湿的状况下,高原植被迁移活动明显,以乔木为代表的植被功能类型倾向于向更冷干的西北方向扩展,覆盖面积增大,高原植被类型整体呈现从冷到暖的一个“升级”调整过程。在未来气候进一步暖化的情况下,高原植被LAI的显著变化区与降水和土壤水变化表现出了较好的一致性,表明未来地表水循环分量（尤其是降水和土壤水）可能成为限制植被生长的最重要的气候因子。研究中也发现CLM4.5-CNDV模式初始植被类型设置与高原实际植被分布严重不符,导致了高原植被模拟和预测上产生了较大的不确定性,这也是未来模式改进的方向。     

高分辨率大气强迫和植被功能型数据对青藏高原土壤温度模拟影响

土壤温度是陆气相互作用以及陆面模式模拟的关键参量,但高分辨率时空连续的土壤温度获取困难,尤其是我国青藏高原地区,融合遥感资料的陆面模式模拟可以获得高时空分辨率的资料。研究制作了新的地表植被功能型融合数据(MVEG),然后利用最新的高时空分辨率的中国气象局陆面数据同化系统HRCLDAS-V1. 0(1 km,1 h)驱动CLM模式对青藏高原2015年10 cm的土壤温度开展了模拟研究。结果表明,HRCLDAS-V1. 0的大气强迫数据(1 km,1 h)显著降低了模式模拟的误差,MVEG可以改善对极值的模拟,并使土壤温度空间分布较为合理。CLDAS/CLM(6 km,1 h)模拟值整体比观测值偏高1℃左右,HRCLDAS/CLM(1 km,1 h)有所改进,模拟的土壤温度年平均偏差绝对值和均方根误差分别降低0. 82和0. 18℃。HR-MVEG/CLM(1 km,1 h,同时改进了植被功能型)的模拟值最接近观测值,年平均均方根误差减小0. 27℃,且可以体现出土壤温度空间分布的细节特征。     

CLM4.5模式对青藏高原土壤湿度的数值模拟及评估

本文利用1981～2016年的CRUNCEP资料（0.5°×0.5°）作为大气驱动数据,驱动CLM4.5（Community Land Model version 4.5）模式模拟了青藏高原地区1981～2016 年的土壤湿度时空变化。将模拟数据与台站观测资料、再分析资料（ERA-Interim和GLDAS-CLM）和微波遥感FY-3B/MWRI土壤湿度资料对比验证,表明了CLM4.5模拟资料可以合理再现青藏高原地区土壤湿度的空间分布和长期变化趋势。而且基于多种卫星遥感资料建立的较高分辨率（0.1°×0.1°）的青藏高原地表数据更加细致地刻画了土壤湿度的空间变化。对比结果表明:CLM4.5模拟土壤湿度与各个台站观测的时空变化一致,各层土壤湿度的模拟和观测均显著相关,且对浅层的模拟优于深层,但模拟结果比台站观测系统性偏大。模拟与再分析资料和微波遥感资料土壤湿度的空间分布具有一致性,均表现为从青藏高原的西北部向东南部逐渐增加的分布特点,三江源湿地和高原东南部为土壤湿度的高值区,柴达木盆地和新疆塔里木盆地的沙漠地区为低值区,土壤湿度由浅层向深层增加。土壤湿度的长期变化趋势基本表现为“变干—变湿”相间的带状分布,不同层次的土壤湿度变化趋势基本一致。模拟资料也合理地再现了夏季土壤湿度逐月的变化:高原西南地区的土壤湿度明显大范围增加,北部的柴达木盆地的干旱范围也明显的向北收缩,高原南部外围土壤湿度也明显增加,CLM4.5模拟土壤湿度比再分析资料和微波遥感资料更加细致地描述了夏季逐月土壤湿度空间分布及其变化特征。     

青藏高原多雪年与少雪年土壤水热特征模拟分析

利用耦合了陆面过程模式(CLM4.5)的区域气候模式(RegCM4)分别对青藏高原的一个多雪年和少雪年进行了数值模拟.通过对比模拟雪深与遥感雪深、土壤温湿度的模拟值与观测值、多雪年与少雪年的土壤温湿度模拟值,结果表明,RegCM4-CLM4.5可以有效模拟出高原的多雪年与少雪年特征,模拟雪深大值中心比遥感雪深高10～2...     

植被分布对青藏高原东侧暴雨过程影响的数值模拟

在颜宏等有限区域细网格的基础上，引入Ｄｅａｒｄｏｒｆｆ植被参数化方案，并以此模式模拟了青藏高原东侧的两次暴雨过程，模拟表明：加入植被参数化的模式仍保持其稳定性，对降水强度的模拟有一定改进。     

植被退化对青藏高原冬夏季气候影响的模拟研究

利用区域气候模式RegCM3,模拟分析了青藏高原地区植被退化对自身及周边地区气候产生的影响。结果表明：植被退化后,在退化区域冬夏季地表温度明显升高,最大增值2℃,而外围则温度降低,量值为-0.5℃～-1℃。夏季气温的变化趋势与地表温度类似,但量值较小,冬季退化区气温增加范围较大。夏季退化区湿度和降水增大,增加值分别达到0.6g/kg和35mm/month;退化区外围降水减少,外围西部及北部地区湿度减小,中心值为-0.4 g/kg。在冬季,湿度稍有减小,主要分布在西藏地区和青海、四川的交界处。     

植被根系对青藏高原中部土壤水热过程影响的模拟

针对青藏高原中部高寒草甸表层植被根系密集、土壤有机质含量较高的特征,利用陆面模式Noah-M P对1998年5 9月安多站水热过程进行模拟,初步评估了对土壤温度影响较大的物理过程,对比分析了土壤垂直分层、有机质和根系对土壤水热、地表能量模拟的影响。结果表明:Noah-MP模式中地表热交换、辐射传输等6个物理过程对土壤温度的影响较大;考虑垂直分层和有机质影响后,模式对土壤含水量的模拟有所改善,但浅层仍存在较大干偏差;加入根系的影响后,浅层土壤含水量的平均偏差显著减小,由原来的-0.094 m3·m-3减少到-0.016 m3·m-3,浅层土壤温度在模拟后期偏冷,但在深层有一定改善;同时地表感热通量和潜热通量也有明显改善,平均偏差分别由原来的24.3W·m-2、-22.5 W·m-2减小到5.9 W·m-2、1.2 W·m-2。     

青藏高原植被变化对区域气候影响研究进展

陆地生态系统与气候变化之间存在这密不可分的相互作用过程。青藏高原地区是全球气候变化的敏感区,全球变暖对高原陆地生态系统演变的影响非常明显,这必将导致高原生态系统变化。生态系统的变化又将会引起局地、区域气候的响应,导致局地、区域、甚至全球的气候变化。因此研究青藏高原地区植被演变及其与气候变化的关系是一个有着重要学术价值和实际意义的课题。本文在对青藏高原植被与气候关系研究回顾的基础上,介绍了近年来关于青藏高原植被变化对区域气候影响取得的新的进展,提出了一些可能的物理过程,同时指出了研究中存在问题及今后的工作重点。     

土壤砾石参数化对一次高原低涡形成发展影响的数值模拟

为了验证陆面过程模式砾石参数化方案在青藏高原上的天气过程的模拟能力,本文通过耦合了砾石参数化方案CLM4.5的区域气候模式RegCM4,对一次高原低涡个例进行模拟研究,利用模拟的500 hPa高空形势场、2 m温湿度和土壤温湿度等数据,结合ERA5资料对比验证分析。结果表明：加入砾石参数化方案的RegCM4对本次高原涡个例模拟效果整体较好;在500 hPa高空形势场中,新方案比旧方案更为准确地模拟出高原涡中心位置和涡区温度场特征;在高原涡生成和发展阶段,新方案模拟的2 m温度和相对湿度效果明显较旧方案强,为低涡的生成和发展提供有利条件;在土壤温湿度的模拟中,加入砾石后提升了土壤的导热率和导水率,使高原涡在初生和发展阶段提供更好的土壤热力和水分条件;高原涡消亡阶段,新方案使浅层土壤温度下降,深层土壤温度升高;在500 hPa反气旋性环流地区,新方案模拟的土壤体积含水量较旧方案偏低,而当青藏高原高空无强烈天气系统时,新旧方案在土壤体积含水量的模拟表现差别不大。在高原涡整个生命史中,新方案在浅层土壤温度的模拟明显优于旧方案,而在土壤体积含水量模拟中第1层效果最好。     

气象要素对华北地区夏季植被覆盖度的影响

植被覆盖对气候变化极其敏感,华北区地处我国半干旱—半湿润过渡地区,气象因子对该地区植被覆盖有重要的影响,但缺少有效的数理模型定量刻画气象要素对植被的影响。因此,本文基于华北区2000～2018年中分辨率成像光谱仪的植被覆盖数据和主要气象要素数据,开展了多气象要素影响植被覆盖度的研究,初步建立了华北夏季植被覆盖度与气象要素的关系。研究表明:(1)华北存在向暖干转变的趋势,且夏季植被覆盖度与降水、相对湿度呈正相关,与气温、日照时数和地温呈负相关。(2)影响华北地区植被覆盖度最重要的气象要素是相对湿度,体现了温度和降水的共同作用。(3)基于多元回归法和最小二乘法可以定量描述气象要素变化对植被覆盖度的可能影响。其中,五变量影响模型对植被覆盖度模拟的相关系数略偏高,因此,基于五变量气象要素可以更好的模拟植被覆盖度的变化。研究结果有利于了解气象要素如何影响植被生态系统,进而为国家生态文明建设提供理论参考依据。     

植被覆盖度算法对中国区域WRF模拟的影响

利用MODIS NDVI资料,采用线性(GI方法)和非线性(CR方法)两种方法计算中国区域植被覆盖度,并利用WRF模式模拟了2006年7月中国区域气象场,对比分析了这两种植被覆盖度算法对WRF模式模拟结果的影响。结果表明,在半干旱区,两种方法计算的植被覆盖度差异较大,在该区域的模拟结果差异明显;而在干旱区和湿润区两种算法计算的植被覆盖度差异相对较小,模拟结果差异也相对较小。采用GI方法计算的植被覆盖度,模拟的中国区域近地面平均气温和最高气温与观测值的偏差较小,而采用CR方法计算的植被覆盖度,模拟的最低气温偏差较小,同时能更准确的模拟夏季高温天气。与GI方法相比,CR方法能更准确的模拟出降水的平均值、逐日变化和空间分布特征。不同区域两者模拟性能存在一定差异,总体上采用CR方法得到的植被覆盖度,WRF模式对温度和降水的模拟效果会有所改进。     

CLM3.5模式对青藏高原玛曲站陆面过程的数值模拟研究

利用通用陆面过程模式(CLM3.5)和青藏高原玛曲站2010年6月-2011年2月的观测资料进行了9个月的单点数值模拟试验。通过比较辐射通量、能量通量、土壤温度及土壤含水量的模拟值和观测值,结果表明,CLM3.5模式能较成功地模拟玛曲地区的陆面能量与水分特征。该模式对夏季向上短波辐射的模拟较好,冬季整体偏小。向上长波辐射的模拟整体较好,但模拟值稍偏大。净辐射的模拟整体较好,模拟值与观测值的相关系数为0.99,偏差为-1.28 W.m-2。感热通量的模拟较差,整体显著偏高。潜热通量的模拟较好,随季节变化特征明显。土壤热通量的模拟夏季较好,冬季土壤冻结及消融期的偏差较大,主要原因与冬季模拟的积雪偏少有关。土壤温度的模拟夏季较好、冬季较差,6层土壤温度模拟值与观测值的相关系数均在0.98以上,平均偏差为-1.80℃。模式较好地模拟出了冬季土壤冻结后存留的未冻水,冻结后土壤含水量的模拟较该模式以前的版本有了很大的改善,6层土壤含水量模拟值与观测值的平均相关系数为0.94,平均偏差为-0.015m3.m-3。     

动态冠层模型ICM的改进及其对中高纬地区植被季节和年际变化的模拟试验

植被动态冠层模型Interactive Canopy Model(ICM)考虑了生态系统中较完整的碳氮循环过程,能够较为客观真实地描述较短时间尺度上植被的动态变化特征.本文在ICM原有碳氮分配方案基础上,考虑了植物花、果实等新生组织对碳氮分配的影响,假设新生组织碳库是花期以后植物的主要碳汇之一,并利用物候模型Fore-...     

半干旱区植被覆盖度对边界层气候热力影响的数值模拟

在陆－气相互作用的中小尺度系统研究中，水平非均匀下垫面的强迫作用是主要的物理过程。本文利用能量闭合二维陆面过程与大气边界层耦合模式，研究了我国西北半干旱地区（３８°Ｎ，１０５°Ｅ）夏季下垫面物理特征的变化对区域边界层气候的影响。结果表明：土壤湿度、植被覆盖度对局地环流和区域边界层气候的形成起着决定性的作用。模拟结果揭示了在半干旱地区大面积植树造林、提高植被覆盖度，可涵养土壤水分，改善局地生态环境，是人工持续改造干旱、半干旱荒漠地区局地气候的重要途径。     

一个动态植被模型在欧洲森林碳水循环模拟中的适应性评估研究

对动态全球植被模型M-SDGVM (Modified Sheffield Dynamic Global Vegetation Model), 在1996～1998年15个欧洲森林通量站碳通量和水汽通量的季节和年际变化进行模拟和评估研究, 总的来说, 模型能够合理再现各个站点春、 夏季节碳的吸收, 秋、 冬季节碳的释放, 以及水汽释放的季节变化趋势, 其中, 对水汽通量的模拟更为理想。对模型的上述适应性评估研究表明, 改进后的M-SDGVM有能力研究不同气候条件下欧洲森林生态系统碳、 水循环过程及其响应机制, 但是, 模型对部分站点的模拟仍存在不确定性, 通过对这些偏差及其可能的产生机理进行分析, 有助于模型的进一步发展和应用研究。     

青藏高原及其周围植被对夏季气候影响的套网格数值试验比较

利用钱永甫有地形５层原始方程模式,与颜宏等复杂地形条件下有限区域细网格模式进行单向嵌套,即初始场采用前者计算５ｄ后,得到各特征等压面上的高度场和湿度场,向后者每２４ｈ输送一次边界值。地－气模式采用经Ｄｅａｒｄｏｒｆ植被参数化修正的地面热量平衡方程进行耦合。在此基础上进行了夏季（７月）有植被和无植被两种情况的数值试验。有植被情况模拟的高度场、温度场与实测场的相关系数高于无植被的情况。试验发现,有植被比无植被情况的海平面气压场、低层高度场、潜热输送、整层大气湿度和降水量有所增加,而温度场和大陆热低压强度有所降低。     

青藏高原冬、春季植被特征及其对西南地区夏季降水的影响

本文利用西南地区96个气象台站1982-2001年夏季(6-8月)月平均降水资料和归一化植被指数(GIMMS NDVI)资料,分析了青藏高原冬、春季植被特征及其对西南地区夏季降水的影响,得到以下几点认识:青藏高原冬、春季植被呈现东南部覆盖较好,逐渐向西北部减少的特征.近20 a来,高原冬、春季植被总体呈增加趋势,其高原中西部、南部、北部增加明显,而南部侧边界和中东部呈减少趋势.相关分析和奇异值分解表明:高原冬、春季植被对西南地区夏季降水有较明显影响,且这种影响也存在一定的区域差异.高原前期植被变化可以作为西南地区夏季降水长期预报综合考虑的一个参考因子.     

青藏高原大气一植被相互作用的模拟试验Ⅰ.物理通量和参数

在原大气-植被相互作用模式AVIM的基础上作了改进,包括对植被生理过程,如(1)光合作用;(2)呼吸;(3)分配和(4)物候等新的描述方法.对青藏高原上30个站点进行模拟计算,给出了高原上地表辐射及水热物理通量以及地表拖曳系数和地面反照率的分布特征.模拟结果表明净辐射和感热通量由东南向西北增加,高原西北部地表反照率较高,东南部地表反照率较低.     

青藏高原植被下垫面对东亚大气环流影响的数值试验

采用Ｊ．Ｗ．Ｄｅａｒｄｏｒｆｆ（１）地表植被参数化方案，利用Ｐ－ａ原始方程５层模式（２），分析了青藏高原有植被和无植被两种不同下垫面情况下的大气响应，结果表明有植被下垫面通过增加向大气输送潜热通量，加强了高原上空的热低压，增强了高原北部的热成风，加强了高原南侧的季风环流，使青藏高原及我国东南地区的降水增多。     

青藏高原大气一植被相互作用的模拟试验 Ⅱ.植被叶面积指数和净初级生产力

利用大气-植被相互作用模式AVIM对青藏高原上30个站点进行模拟计算,给出了青藏高原上植被叶面积指数和净初级生产力的分布特征.模拟结果表明,高原上叶面积指数、净初级生产力由东南向西北减少,模拟和观测的分布相一致.分析指出,青藏高原净初级生产力的分布决定于水热条件的共同作用,降水充沛、温度适宜的青藏高原东南部净初级生产力较高,而青藏高原西北部由于降水过少或温度过低,初级生产力很低.