土壤质地对中国区域陆面过程模拟的影响

利用陆面过程模式(CLM3.5)和中国区域两种土壤质地数据(分别来自第二次中国土壤调查SNSS和联合国粮食农业组织FAO),研究了土壤质地变化对于模式模拟的陆表水热变量的影响。结果显示,土壤质地对土壤水文学变量的影响远大于对土壤热力学变量的影响,尤其是对于饱和土壤含水量和饱和水力传导率的影响。对于模式的输出,土壤质地影响比较明显的有土壤湿度、总径流和土壤渗透等水文学变量以及地表潜热、地表感热和土壤热通量等热力学变量,而影响相对较小的有地面吸收的太阳辐射和地表反照率。同时,发现基于SNSS模拟的土壤湿度与站点观测值更加接近。因此,本研究认为基于SNSS土壤质地数据可以有效地改进模式模拟结果,建议以后在陆面模式试验中尽可能使用以观测为基础的SNSS土壤质地数据。     

陆面过程模式对土壤含水量初值的敏感性研究

利用IAP94陆面过程模式,采用淮河流域能量与水份循环试验(HUBEX)期间两种下垫面(森林和旱田)、不同季节(5月、8月和11月)的观测资料,研究了模式对土壤含水量初值的敏感性.结果表明:对于森林和旱田下垫面,当土壤含水量减少时,地表净辐射均略有减少,同时潜热通量减少而感热通量增加.另外,模式对土壤含水量初值的敏感性有较明显的季节差异,相对而言在晚春和夏季较强,而在秋季明显减弱.这说明春夏季节的土壤含水量初值在淮河流域区域气候的模拟和预测中尤其值得关注.     

陆面过程模式的敏感性试验

本文对文献[1]中提出的陆面过程模式(简称LPM)进行了下列敏感性试验:1)植被的覆盖度,2)土壤湿润程度,3)不同植被类型(半荒漠、草原、混交林、森林和作物地五种)和4)不同气候带(半干旱、半湿润和湿润带三类)。试验结果与相应的观测和气候状况进行了比较,表明了模式对上述参数或参数组变化的敏感程度。模拟的不同植被和气候带的温湿状况和能量平衡关系是合理的。因此可以用于气候模拟的研究。     

陆面过程模式的改进及其检验

文中对陆面过程模式 (BATS)进行了改进 ,改进后的模式能较好地模拟地表物理量的年、季和日变化 ,它有两方面的特点 :采用热扩散方程模拟 7层土壤温度 ,模拟的温度可与实测值进行比较 ;在BATS的地表径流方案中 ,考虑了空间不均匀性的一般地表径流 (GVIC)过程 ,研究结果表明 :⑴模式能很好地模拟各层土壤温度的年、季和日变化。冬季土壤温度下层高于上层 ,而在夏季上层高于下层 ,这种上下层温度的转换时间大约在 4和 10月份 ,这与实测土壤温度的年变化非常一致。较为准确地模拟了各层土壤温度日变化的时滞效应。⑵用南京和武汉站的资料 ,将BATS地表径流方案模拟的地表水分分量与GVIC方案进行比较 ,BATS地表径流方案模拟的地表水分分量 ,与总水量的平衡相差较大 ,而GVIC模拟的效果相对较好 ,地表总水量基本上与降水总量达到了平衡     

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。     

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     

通用陆面模式CLM在东亚不同典型下垫面的验证试验

利用野外观测资料,考察了通用陆面过程模式(CLM)对东亚地区3种典型下垫面(高原稀疏植被下垫面、森林、水田)的模拟能力.验证结果表明,在高原稀疏植被下垫面,CLM模拟的地表气温跟实测较为接近,同时CLM还可以较好地模拟出土壤温度随时间和深度的变化特征,但模式模拟的地面温度的幅值跟观测相比显著偏小;对于能量通量而言,除感热通量外,CLM所模拟出的其它能量通量的变化均与观测实况比较一致.对于淮河流域的森林下垫面,CLM所模拟出陆气间的各能量通量均与实测较为接近,尤以夏季(8月份)的模拟性能最好.对于水田下垫面,CLM模式较好地模拟出了各能量通量的主要变化特征及其季节差异,如水田的净辐射以及潜热通量夏季最大,而感热通量则是秋季最大等.     

陆面模式中土壤呼吸的研究概况

土壤呼吸是陆地植被吸收的CO2返回大气的基本途径,土壤呼吸速度轻微变化也会引起大气中CO2浓度的明显改变,进而影响气候变化。陆面过程模式中更好地描述土壤呼吸过程对于预测未来气候变化是至关重要的。对于土壤呼吸的模拟研究,介绍了经验模型和以过程为基础的机理模型,以及国内外陆面过程模式中土壤呼吸的研究情况,并讨论了土壤呼吸模式中需要改进的问题。       

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。     

LASG/IAP 大气环流谱模式对陆面过程的敏感性试验

将中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室最近发展的高分辨率全球大气环流谱模式SAMIL-R42L26, 分别与两个陆面模式--NCAR通用陆面模式CLM和简化的简单生物圈模式SSiB进行耦合.在比较了两个陆面过程模式, 指出CLM改进方面的基础上, 通过分析两个陆气耦合模式所模拟的陆气通量交换结果, 指出新版本的陆气耦合模式(SAMIL-R42L26与CLM耦合)对表面感热、温度、降水率、潜热通量和海平面气压场的模拟能力大大提高, 尤其对于夏季表面感热通量场, 使亚洲北部和东南部、格陵兰岛以及北美洲大部分地区的数值从100 W/m2 降低到接近60 W/m2, 与NCEP再分析资料一致.新版本的陆气耦合模式模拟陆地表面能量收支趋于平衡, 为下一步发展海-陆-气-冰耦合气候系统模式提供保障.采用CLM陆面模式, SAMIL-R42L26能较好地模拟亚洲季风区地表感热和潜热的季节演变趋势, 而采用SSiB陆面模式的结果, 则存在较大误差.文中的结果表明, 不同的陆面模式所模拟的大气下垫面(包括洋面)通量发生的变化, 通过陆气耦合过程产生的影响不仅仅是局地性的, 而且是全球范围的.     

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。     

基于陆面模式基准平台ILAMB对陆面模式CoLM的评估

模式评估是模式发展中不可或缺的重要一环。本文利用最新版陆面模式评估软件—ILAMB（International Land Model Benchmarking）对通用陆面模式 (The Common Land Model, CoLM)进行客观评估,并与NCAR陆面模式CLM5(Community Land Model version 5)结果进行比较。作为一个陆面模式评估软件,ILAMB能对参与评估的模式变量自动生成诊断图形并对模式性能进行评分。评估结果表明,CoLM总体性能良好,模拟结果与基准数据较为接近。与CLM5相比,CoLM在总初级生产力及水文方面的表现略微逊色,在辐射方面则表现相当,对部分变量如地表向上长波辐射、地表净辐射等的模拟甚至优于CLM5。通过对比CRUNCEPv7和GSWP3v1两种强迫资料发现,它们在气候平均态上具有一定的差异,模式在GSWP3v1强迫下的表现相对较好。CoLM和CLM5在CRUCNEPv7强迫下模拟的潜热通量在亚马逊平原、亚洲东部和南部地区以及北美东部一带正偏差显著,而在GSWP3v1强迫下的模拟则有明显改善。这两个模式对感热通量的模拟在非洲北部、亚洲中部一带均明显偏高。在辐射方面,CoLM模拟的地表向上短波辐射在全球以偏高为主,这在一定程度上造成了地表净辐射的模拟偏低。各组试验模拟的地表向上长波辐射得分相差不大,但在具体的空间分布上有一定的差别。     

Testing and Improving the Performance of the Common Land Model:A Case Study for the Gobi Landscape

Land surface processes take place on the interface between the earth and atmosphere, exerting significant influences on the weather and climate. Correct modeling of these processes is important to numerical weather forecast and climate prediction. In order to obtain a more thorough understanding of the land surface processes over the Gobi landscape, we evaluated the performance of the Common Land Model(Co LM) at Dunhuang station in Gansu Province of China to determine whether the model formulation, driven by observational data, is capable of simulating surface fluxes over the underlying desert surface. In comparison with the enhanced observation data collected at Dunhuang station over the period 22–28 August 2008, the results showed that the surface albedo simulated by Co LM was larger than that in the observation, and the simulated surface temperature was lower than the observed. After the measured values were used to correct the surface albedo, the solar radiation absorbed by the ground surface was more consistent with the measurements. A new empirical relationship of the surface thermal exchange coefficient rah was used to modify the thermal aerodynamic impedance. The simulated soil surface temperature became significantly closer to the observed value, and the simulated surface sensible heat as well as net radiative fluxes were also improved.     

Evaluating Weather Research and Forecasting Model Sensitivity to Land and Soil Conditions Representative of Karst Landscapes

Due to their particular physiographic, geomorphic, soil cover, and complex surface-subsurface hydrologic conditions, karst regions produce distinct land–atmosphere interactions. It has been found that floods and droughts over karst regions can be more pronounced than those in non-karst regions following a given rainfall event. Five convective weather events are simulated using the Weather Research and Forecasting model to explore the potential impacts of land-surface conditions on weather simulations over karst regions. Since no existing weather or climate model has the ability to represent karst landscapes, simulation experiments in this exploratory study consist of a control (default land-cover/soil types) and three land-surface conditions, including barren ground, forest, and sandy soils over the karst areas, which mimic certain karst characteristics. Results from sensitivity experiments are compared with the control simulation, as well as with the National Centers for Environmental Prediction multi-sensor precipitation analysis Stage-IV data, and near-surface atmospheric observations. Mesoscale features of surface energy partition, surface water and energy exchange, the resulting surface-air temperature and humidity, and low-level instability and convective energy are analyzed to investigate the potential land-surface impact on weather over karst regions. We conclude that: (1) barren ground used over karst regions has a pronounced effect on the overall simulation of precipitation. Barren ground provides the overall lowest root-mean-square errors and bias scores in precipitation over the peak-rain periods. Contingency table-based equitable threat and frequency bias scores suggest that the barren and forest experiments are more successful in simulating light to moderate rainfall. Variables dependent on local surface conditions show stronger contrasts between karst and non-karst regions than variables dominated by large-scale synoptic systems; (2) significant sensitivity responses are found over the karst regions, including pronounced warming and cooling effects on the near-surface atmosphere from barren and forested land cover, respectively; (3) the barren ground in the karst regions provides conditions favourable for convective development under certain conditions. Therefore, it is suggested that karst and non-karst landscapes should be distinguished, and their physical processes should be considered for future model development.     

Coupling a Terrestrial Biogeochemical Model to the Common Land Model

A terrestrial biogeochemical model (CASACNP) was coupled to a land surface model (the Common Land Model,CoLM) to simulate the dynamics of carbon substrate in soil and its limitation on soil respiration.The combined model,CoLM CASACNP,was able to predict long-term carbon sources and sinks that CoLM alone could not.The coupled model was tested using measurements of belowground respiration and surface fluxes from two forest ecosystems.The combined model simulated reasonably well the diurnal and seasonal variations of net ecosystem carbon exchange,as well as seasonal variation in the soil respiration rate of both the forest sites chosen for this study.However,the agreement between model simulations and actual measurements was poorer under dry conditions.The model should be tested against more measurements before being applied globally to investigate the feedbacks between the carbon cycle and climate change.     

沙漠地区微波地表发射率和土壤质地关系分析

利用微波地表发射率模型,模拟计算了沙漠地区石英、砂岩、花岗岩和石灰石不同粒子尺度、砂土含量和土壤含水量时的地表发射率频谱,并用先进微波扫描辐射计-地球观测系统AMSR-E资料对塔克拉玛干沙漠地区进行了地表发射率卫星反演和模型模拟计算的对比研究,分析了该地区不同地表类型和矿物成分的微波地表发射率特征.结果表明,微波地表发射率和地表类型密切相关,并且随着土壤含水量、土壤质地、矿物成分和土壤粒子尺度的不同存在显著变化,成为现有微波地表发射率模型用于沙漠地区模拟计算结果的误差主要来源.根据沙漠地区准确的土壤类型、土壤组分比例、粒径尺度和矿物颗粒等信息对近地表土壤进行了辐射传输过程的分层分析,为改进现有微波地表发射率计算模型提供理论依据.     

基于FLUXNET数据集对陆面模式CoLM能量通量的单点评估

模式评估是模式发展中的重要一环。本文利用来自FLUXNET2015数据集的30个站点的涡动相关系统观测数据,重点关注能量通量,对通用陆面模式（Common Land Model version 2014,CoLM2014）在不同典型下垫面的模拟能力进行评估。结果表明,模式总体上能抓住感热、潜热和净辐射通量在日、季节和年平均等不同时间尺度上的变化特征,对感热、潜热和净辐射通量都有较好的模拟能力,净辐射的模拟效果最好,潜热通量次之。季节变化模拟中,感热、潜热通量在夏季不同植被型下站点的空间离散程度大于冬季,不同站点间模拟效果相差较大,净辐射多站点标准差变化幅度要小于感热、潜热,不同站点间模拟效果偏差较小。CoLM在常绿针叶林、稀树林地、草地、农田模拟感热、潜热通量的效果相对较好,在永久湿地、落叶阔叶林下模拟感热通量较差。本研究对CoLM2014在未来的改进和发展中提供了有用的参考。