陆面模式CLM对若尔盖站冻融期模拟性能的检验与对比

陆面模式CLM(Community Land Model)是目前国际上发展较为完善并被广泛应用的陆面过程模式。本文使用中国科学院寒区旱区环境与工程研究所位于青藏高原东部的若尔盖高原湿地生态系统研究站的观测资料,对CLM3.0版本及CLM4.0版本在上述地区的模拟性能进行了检验与对比。通过比较观测值与模拟值,验证了模式在高原季节性冻土地区的适用性,发现CLM4.0较CLM3.0在模拟结果上有了一定提高。CLM4.0加入了未冻水参数化方案,使模式可以模拟到冬季土壤冻结后存留的未冻水,显著增加了冻融期间土壤含水量的模拟,同时减小了土壤含冰量的模拟值。并因此增大了模拟的冻土热容量,减小了热导率,使冻融期间土壤温度的模拟也有了一定改善。但是模拟中也发现对于较深层土壤,温度模拟值在冻融期间较观测显著偏低。另外,在消融(冻结)过程阶段CLM4.0模拟的土壤含水量骤增(骤降)的时间均较观测提前。消融过程、冻结过程阶段模拟时间偏短,而完全冻结、完全消融阶段模拟时间偏长。因此CLM对于高原冻土地区的模拟仍是其需要重点改进的地方之一。     

三个陆面过程模式在西北半干旱区的模拟性能对比

利用NOAH(The Community Noah Land Surface Model)、SHAW(Simultaneous Heat and Water)和CLM(Community Land Model)3个不同的陆面过程模式及兰州大学(Semi-Arid Climate Observatory and Laboratory,SACOL)2007年的观测资料,对黄土高原半干旱区的陆面过程进行了模拟研究。通过与观测值间的对比,考察不同陆面过程模式在半干旱区的适用性。研究结果表明:3个模式在半干旱区的模拟性能有较大差异。其中,CLM模式模拟的20 cm以上的浅层土壤温度最优,SHAW模式模拟的深层土壤温度最优;SHAW模式模拟的土壤含水量与观测值最为接近,而NOAH和CLM模式模拟值有较大偏差;3个模式均能较好地模拟地表反射辐射,其中SHAW模式模拟值与观测值的偏差最小;对地表长波辐射的模拟,CLM模式的模拟最优;3个模式均能较好地反映感热、潜热通量的变化趋势,其中CLM模式对感热的模拟性能优于其他两个模式,在有降水发生后的湿润条件下,CLM模式对潜热的模拟性能最优,而无降水的干燥条件下,CLM模式的模拟偏差最大,NOAH模式对冬季潜热的模拟最优。总体而言,CLM模式能够更好地再现半干旱区地气之间的相互作用,但模式对土壤含水量及干燥条件下的潜热通量的模拟较差,模式对半干旱区陆气间的水文过程还有待进一步的研究和改进。     

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。     

CLM4.0土壤水分传输方案改进在青藏高原陆面过程模拟中的效应

利用2010年5月25日-12月31日玛曲高寒草原的气象观测资料和陆面过程模式(CLM4.0)对玛曲高寒草原陆面过程进行了数值模拟。通过评估模式的模拟性能、模式对含砂量的敏感程度以及模式土壤水分传输方案改进对青藏高原地区陆面过程模拟的影响,发现CLM4.0模式能较好地再现观测站土壤温、湿度、地表辐射、湍流通量等的变化趋势,但土壤温度模拟偏低,感热通量模拟偏大;含砂量增多会减弱土壤的持水能力,使得夏季感热通量增大而潜热通量减小;CLM4.0模式中新引入的有机质对土壤温、湿度模拟均有重要影响,Richards方程和径流计算的修改则对土壤含水量模拟影响较大,这对其他陆面模式的改进具有一定的指导意义。     

Noah-MP陆面模式对干旱区不同下垫面水热通量模拟评估

陆面水热通量的准确模拟可为气候模式提供高质量的下边界条件，对气候模拟和预测具有重要意义。本研究基于干旱区张掖国家气候观象台2021年1月-2022年6月和大满灌区绿洲农田站2020年1-12月的观测数据，评估Noah-MP模式对干旱区荒漠和农田两种下垫面的水热通量的模拟性能。结果表明：Noah-MP模式模拟的干旱区荒漠下垫面辐射及感热和潜热通量的变化特征、峰谷值与观测值总体一致，模拟效果较好；模拟的5 cm土壤湿度对降水过程有明显的响应，表现出明显的冷暖季差异，但其模拟性能仍有待改进。Noah-MP模式对干旱区农田下垫面辐射通量及各层土壤温度的模拟效果较理想，但模拟的潜热通量及各层土壤湿度较观测值偏低，尤其在生长季模拟性能并不理想。总体而言，Noah-MP模式对干旱区荒漠下垫面水热通量的模拟性能优于农田下垫面，优化和发展模式水文过程的参数化方案，在模式中考虑人为作用，是提高干旱区陆面过程模式模拟能力的重要方向。     

基于陆面过程模式CLM4的中国区域植被总初级生产力模拟与评估

植被总初级生产力(Gross Primary Productivity,GPP)决定进入陆地生态系统的初始物质和能量,是陆地碳循环与大气碳库的重要联系纽带。利用陆面过程模式CLM4-CN(Community Land Model version 4 with CarbonNitrogen interactions)模拟和分析中国区域1982~2004年GPP(CLM4_GPP)时空变化特征,并通过与基于观测数据升尺度所得到的MTE_GPP(Model Tree Ensemble,MTE)进行比较,评估CLM4在中国区域GPP的模拟能力,同时探讨了不同土地覆盖资料对GPP的影响。结果表明:(1)CLM4-CN能够较好地刻画中国区域GPP空间分布格局,表现为由东南向西北递减,但在量值上大部分区域尤其是30°N以南地区存在高估,CLM4-CN模拟的GPP多年平均值为13.7 Pg C a-1,而MTE_GPP仅为6.9 Pg C a-1;(2)CLM4-CN可以合理模拟GPP的季节变化(与MTE_GPP相关系数大于0.9),在量值上对温带阔叶落叶林、寒带阔叶落叶林、寒带阔叶落叶灌木、C3极地草地、C3非极地草地和农作物模拟较好(均方根偏差RMSD100 g C m-2 month-1);(3)不同植物功能型CLM4_GPP表现出的年际变率均大于MTE_GPP,仅热带针叶常绿林、寒带阔叶落叶林和C3极地草地的CLM4_GPP与MTE_GPP变化趋势一致;(4)降水是研究时段内控制整个中国区域GPP的主要气候因子,但不同地区存在较大差异;(5)两种不同土地覆盖资料GPP模拟结果的显著差异表明,精确的土地覆盖是准确模拟GPP的重要基础。     

CoLM模式在中国温带混交林和亚热带人工针叶林的水热通量模拟性能评估

利用中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)在长白山温带混交林观测站点和千烟洲亚热带人工针叶林观测站点的强化观测资料,考察了一个较为完善的陆面过程模式(Common LandModel,CoLM)在这两种不同植被类型下垫面的模拟性能,特别是其对潜热通量的模拟。模拟结果与强化观测资料的对比表明,CoLM能较好地模拟出实验站点地表能量平衡的基本特征以及潜热通量的日变化和季节变化。其中长白山站和千烟洲站潜热通量日平均的观测值与模拟值的相关系数分别为0.804和0.692,均通过了0.001的显著性水平检验。总体而言,CoLM在长白山站的模拟效果更好一些,模式对不同植被覆盖类型的土壤—植被—大气间水热传输过程的处理可能是造成差别的原因。     

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。     

CLM4.5在西北农牧交错带盐池站的模拟性能评估

农牧交错带具有草地、裸地、农田大面积相互镶嵌的独特下垫面,其地表水热过程变化复杂,亟需深入研究。利用宁夏盐池站2017年实际观测资料,对陆面过程模式CLM4.5的模拟性能进行检验。结果表明,在复杂下垫面下,CLM4.5仍能较好地模拟出草地的地面反射辐射、地面长波辐射和净辐射以及0~10 cm土壤含水量和温度的变化特征,但模拟值与观测值还存在一定偏差。CLM4.5能模拟出辐射通量的日变化特征,除5月外,地面反射辐射模拟值与观测值之间的偏差较小。地面长波辐射模拟值白天偏高,净辐射观测值与模拟值的相关系数为0.99,均方根误差为22.50 W·m^-2。土壤含水量观测值与模拟值的相关系数达0.83,但模拟值偏低,且模式对降雨后土壤含水量变化过程的模拟性能有待提高。土壤温度模拟值的日变化特征较为明显,观测值与模拟值的相关系数为0.98,均方根误差为2.82℃。     

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。     

黄河源区土壤温湿和大气参量变化特征

利用中国科学院西北生态环境资源研究院玛曲土壤温湿观测网2008-2009年、2013-2014年数据验证了3套再分析资料ERA-Interim,CFSR（Climate Forecast System Reanalysis）和JRA-55（Japanese 55-year Reanalysis）在黄河源区的适用性,结合中国气象数据网玛曲气象站1980-2014年观测资料与CLM4.5（Community Land Model 4.5）进一步分析了黄河源区近35年气候变迁、土壤温湿分布和变化,结果表明:CFSR能够较好地描绘黄河源区土壤湿度变化,ERA-Interim对于土壤温度刻画能力更强,JRA-55效果较差;35年来气温、土壤温湿总体呈上升趋势且发生突变;近年来10 cm土壤温湿有暖干化趋势,降水量稍有增加,土壤冷季冻结周期变短,暖季持续时间拉长;CLM4.5模拟精度高,能够较好地刻画源区土壤温湿变化细节,两湖及黄河周边暖季为冷湿中心,冷季为暖干中心。     

Impact of rain snow threshold temperature on snow depth simulation in land surface and regional atmospheric models

This study investigates the impact of rain snow threshold (RST) temperatures on snow depth simulation using the Community Land Model (CLM) and the Weather Research and Forecasting model (WRF-coupled with the CLM and hereafter referred to as WRF CLM), and the difference in impacts. Simulations were performed from 17 December 1994 to 30 May 1995 in the French Alps. Results showed that both the CLM and the WRF CLM were able to represent a fair simulation of snow depth with actual terrain height and 2.5℃ RST temperature. When six RST methods were applied to the simulation using WRF CLM, the simulated snow depth was the closest to observations using 2.5℃ RST temperature, followed by that with Pipes’, USACE, Kienzle’s, Dai’s, and 0℃ RST temperature methods. In the case of using CLM, simulated snow depth was the closest to the observation with Dai’s method, followed by with USACE, Pipes’, 2.5℃ RST temperature, Kienzle’s, and 0℃ RST temperature method. The snow depth simulation using the WRF CLM was comparatively sensitive to changes in RST temperatures, because the RST temperature was not only the factor to partition snow and rainfall. In addition, the simulated snow related to RST temperature could induce a significant feedback by influencing the meteorological variables forcing the land surface model in WRF CLM. In comparison, the above variables did not change with changes in RST in CLM. Impacts of RST temperatures on snow depth simulation could also be influenced by the patterns of temperature and precipitation, spatial resolution, and input terrain heights.     

Use of a land surface model to evaluate the observed soil moisture of grassland at the Tongyu reference site

A land surface model driven by the continuous three-year observed meteorological data with a time interval of 30 minutes at the Tongyu station, a reference site of the Coordinated Enhanced Observing Period （CEOP）, was used to evaluate the observation bias of soil moisture （SM） data and analyze the variation of SM at different time scales. The saline-alkaline soil of the grassland at the Tongyu site makes the measured SM too high, especially in boreal summer of 2003-05. The simulated annual mean SM has the lowest value in 2004 and its three-year variation corresponds to the change of precipitation, whereas the observation shows the increasing trend from 2003 to 2005. Compared to the variation range between -60% and 40% for the anomaly percentage of the simulated daily mean SM during May-October of 2004, the measured data show the higher values more than 40%. The magnitude of the variation trend of the observed daily mean SM in 2003 and 2005 is generally consistent with the simulation. The largest deficiency for the soil moisture observation of the grassland is the overestimated value in the drought year with less precipitation. The simulated monthly mean SM has the lowest value in March due to the large contribution of evaporation relative to precipitation and this phenomenon can not be reproduced in the observation.     

利用区域尺度气象模式模拟黑河地区地表能量通量的研究

应用中尺度区域模式RAMS (the regional atmospheric model system), 在40余组不同参数的条件下模拟中国干旱半干旱黑河地区的地表能量通量和土壤温度特征, 并以此探索模式在干旱半干旱地区的适用性。为了证明模拟结果的准确性和模式的稳定性, 模拟连续运行30天, 其中包含晴好和阴雨的天气过程。模拟结果表明: 即使使用较为可靠的NECP再分析气压层资料和实地探测资料, 进行初始场和参数的输入, RAMS的默认设置也很难较为合理地反演出地表能量通量, 只有合理地调整好其土壤特征参数, RAMS才能得到与实测资料符合得较好的结果。土壤特征参数对模拟结果影响较大, 影响因子的重要性依次为: 土壤含水量、 土壤层总厚度、 土壤温度。     

Improving the vegetation dynamic simulation in a land surface model by using a statistical-dynamic canopy interception scheme

Canopy interception of incident precipitation, as a critical component of a forest＇s water budget, can affect the amount of water available to the soil, and ultimately vegetation distribution and function. In this paper, a statistical-dynamic approach based on leaf area index and statistical canopy interception is used to parameterize the canopy interception process. The statistical-dynamic canopy interception scheme is implemented into the Community Land Model with dynamic global vegetation model （CLM-DGVM） to improve its dynamic vegetation simulation. The simulation for continental China by the land surface model with the new canopy interception scheme shows that the new one reasonably represents the precipitation intercepted by the canopy. Moreover, the new scheme enhances the water availability in the root zone for vegetation growth, especially in the densely vegetated and semi-arid areas, and improves the model＇s performance of potential vegetation simulation.     

东亚中纬度夏季陆面增暖与土壤湿度异常的联系

利用1979—2015年ERA-Interim再分析土壤湿度、云量资料,NCEP/NCAR再分析环流资料和CPC土壤湿度资料,分析了东亚中纬度夏季陆面热力异常的时空分布特征及其与前期春季土壤湿度异常的联系,探讨了前期春季土壤湿度影响东亚中纬度夏季陆面增暖的可能途径。结果表明,东亚中纬度夏季土壤表层温度呈全区一致增暖趋势,其中贝加尔湖及以南地区温度变化最剧烈、增暖最迅速,且1990年代中期前后存在一个明显由冷向暖的年代际转变。进一步分析发现,春、夏季西西伯利亚到贝加尔湖北部地区的土壤湿度与夏季贝加尔湖及以南地区的土壤表层温度在年代际和年际尺度上均存在紧密联系:西西伯利亚到贝加尔湖北部地区土壤湿度异常偏高,通常对应贝加尔湖及南部地区夏季土壤表层温度偏高。西西伯利亚到贝加尔湖北部地区春、夏土壤湿度异常可以引起夏季大气环流异常,从而对东亚夏季中纬度陆面热力异常产生影响:春、夏土壤湿度偏高时,贝加尔湖及其南部地区上空位势高度为正异常,对应为反气旋性异常环流,云量减少,有利于东亚中纬度陆面增暖;反之,则对应为气旋性异常环流,不利于陆面增暖。     

利用海-气-浪耦合模式(COAWST)对北印度洋一次强热带风暴\

相对中国其他海域,三面环陆的黄渤海区域海洋与中纬度大气间的相互作用有其独特性,在该区域开展海气耦合模式对气象要素的影响研究十分必要。本文基于大气和海洋的全球预报和再分析资料,利用高分辨率区域海气耦合模式（简称耦合模式）和非耦合模式,开展数值模拟试验。并根据国家地面常规气象观测站和埕北石油A平台实况观测资料,对比分析了2020年6月两种模式对近地层大气温湿要素预报结果,并结合海温、海气热通量变化和风场调整情况,分析了海气双向耦合过程对近地层温湿要素预报影响的原因。结果表明：耦合模式对近地层的湿度要素预报改进较大,以增湿效应为主;海气双向耦合对温湿要素的影响范围可扩展至黄渤海周边省市全域,可提升耦合模式对黄渤海周边区域近地层湿度和白天温度的预报效果;湿度对海气双向耦合的响应速度明显快于温度,说明耦合模式先改进了近地层湿度预报效果;耦合模式海表向上的潜热通量增加是近地层温湿要素预报改进的主要原因。

     

Sensitivity evaluation of the different physical parameterizations schemes in regional climate model RegCM4.5 for simulation of air temperature and precipitation over North and West of Iran

In this research the dynamic downscaling method by Regional Climate Model (RegCM4.5) was used to assess the performance and sensitivity of seasonal simulated North and West of Iran (NI&WI) climate factors to different convection schemes, and transforms the large-scale simulated climate variables into land surface states over the North of Iran (NI) and West of Iran (WI). A 30-year (1986–2015) numerical integration simulation of climate over NI&WI was conducted using the regional climate model RegCM4.5 nested in one-way ERA-Interim reanalysis data. The Grell, Kuo and MIT-Emanuel cumulus convection with Holtslag and University of Washington (UW) planetary boundary layer (PBL) parameterization schemes were applied in the running of RegCM4.5 to test their capability in simulating precipitation and temperature in winter-spring (January–April) over NI and WI. The results demonstrated that the RegCM4.5 model has a good potential for simulating the variables and trend of surface temperature over the NI and WI region. Magnitude of the model bias for land surface temperature over different regions of Iran varies by convection parameterization schemes. In most cases, the root mean square error between post-processed simulated seasonal average temperature and observation value was less than 1 °C, but there is a systematic “cold bias”. In general, with respect to land surface temperature simulations, a better performance is obtained when using post-processing model’s data with Holtslag PBL-Grell and Holtslag PBL-Kuo configuration schemes, compared to the other simulations, over the NI&WI region. Also, the UW PBL convection schemes show a relatively excellent spatial correlations and normalized standard deviations closer to 1 for thirty-year seasonal land surface temperature anomalies over the entire NI&WI region. However, the simulation accuracy of model for precipitation is not as optimal as for temperature. The dominant feature in model simulations is a dry bias with the largest average value (∼1.04 mm/day) over NI region, while the lowest mean bias precipitation (∼−0.47 mm/day), mainly located in WI region. In the comparison of six configuration convection schemes, the Emanuel scheme has been proven to be the most accurate for simulating winter-spring seasonal mean precipitation over NI&WI region. The accuracy of the scheme also showed great difference in simulated station interpolation of precipitation, which urges the improvement for the simulation capability of spatial distribution of precipitation. In general, for seasonal variation of precipitation, the Emanuel convection with two (Holtslag, UW) PBL configuration schemes outperforms with a good correlation score between 0.7−0.8 and normalized standard deviations closer to 1.