Noah-MP陆面过程模式对西双版纳热带雨林下垫面碳水热通量的模拟评估

陆地植被生态系统是气候系统的重要组成部分,准确模拟植被与大气间碳水热通量交换对提高气候预测具有重要意义.本研究使用西双版纳热带雨林站近地层综合观测资料,评估了Noah-MP模式中72组不同参数化方案组合对碳水热通量的模拟能力.在此基础上,利用Tukey's检验方法,对比分析了4个物理过程的不同参数化方案对模拟碳水热通量...     

基于陆面模式Noah-MP的不同参数化方案在半干旱区的适用性

针对陆面模式Noah-MP对兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）2009年8月地表热通量模拟值偏差大的问题,通过分析相关物理过程和模拟试验来探究偏差的来源,并确定合适的参数化方案:采用Chen97方案计算感热输送系数可以改善感热通量的模拟;采用Jarvis气孔阻抗方案能增大植被蒸腾,改进模式对潜热通量的模拟效果,同时也使热通量在感热和潜热间的分配比例合理;采用LP92方案可减小土壤蒸发阻抗并有利于土壤蒸发,使得模式对潜热通量的模拟效果变好。不同参数化方案的组合试验表明:同时采用2组或3组新的参数化方案组合可以进一步减小模拟的地表感热和潜热通量的均方根误差,但是土壤湿度和温度的模拟效果并没有同步改善。     

陆面过程模式CLM4.5在半干旱区退化草原站的模拟性能评估

利用国际协同强化观测期(CEOP)在中国半干旱区退化草地站——通榆站的观测资料,对一个较为完善的陆面过程模式NCAR_CLM4.5(Community Land Model 4.5)的模拟性能进行检验。模拟结果与观测资料的对比表明,CLM4.5能很好地模拟出观测站点的辐射通量、水热交换、土壤温湿的空间分布和时间变化特征。但地表吸收的辐射模拟值略低,土壤湿度偏低,地表吸收的辐射及土壤温度等日变化略大;大气强迫变量处于某些特定的形势下时,模拟存在较大误差,如8月底的模拟。此外,冬季辐射通量、水热交换以及土壤温湿的模拟均存在较大误差,说明CLM4.5模式在冬季地表物理过程的参数化方案上需要进一步改进。     

Noah-MP陆面模式在东疆黑戈壁的适用性

新疆东部黑戈壁作为气候恶劣、人迹罕至及黑色砾石下垫面的生态脆弱区,陆面过程参数化方案不易确定。利用东疆哈密戈壁陆气相互作用站观测数据集,开展Noah-MP陆面模式离线模拟试验,找出适合戈壁区域的最佳参数化方案,并给出了土壤湿度对戈壁区域陆气热交换的影响。结果表明：（1）针对感热通量、潜热通量、净辐射通量和土壤地表温度均表现为第二种参数化方案组合的模拟误差最小,模式效率最高。（2）模式针对土壤湿度的模拟效果均不好,模式预报土壤湿度偏干,第七种方案的模式效率指数较高。（3）针对土壤10 cm温度,第一种方案虽预报效率指数最高,但误差达1.2 ℃左右,第二种方案是模拟和实测误差最小的一种方案,模式预报结果比实测低0.4 ℃。综上所述,第二种方案在东疆黑戈壁地区的普适性最高。（4）Noah-MP在RMAPS-CA系统中在线耦合后,2 m温度的预报效果整体要优于离线Noah模式。     

干旱区绿洲与荒漠相互作用下陆面特征的数值模拟

用新发展的二维中尺度土壤－植被－大气连续体数值模式,系统地模拟了绿洲与荒漠相互作用下的陆面特征和地表面能量输送特征。这一模拟结果不仅部分地验证了陆面过程野外实验的观测结果。     

西北干旱区荒漠戈壁陆面过程的数值模拟

首先利用“中国西北干旱区陆 气相互作用试验”2 0 0 0年 5～ 6月在甘肃敦煌进行的陆 气相互作用野外试验的观测资料 ,确定了西北干旱区荒漠戈壁的陆面过程参数 ,并用这些参数改进了已有的陆面过程模式。然后用该陆面过程模式对敦煌陆 气相互作用野外试验荒漠戈壁上的大气感热通量、潜热通量、摩擦速度以及净辐射、地表和土壤温度、土壤水份等重要陆面变量进行了模拟 ,结果表明 ,模拟值与观测值非常接近 ,这说明改进后的模式对干旱区陆面过程有较强的模拟能力     

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。     

半干旱区不同下垫面近地层湍流通量特征分析

本文分析了2003～2005年半干旱区退化草地和农田下垫面近地层湍流通量日、季、年的变化特征, 探讨了不同年份的气候背景和下垫面土地覆被对地气交换过程的影响。结果表明: 半干旱区退化草地和农田近地层湍流通量具有明显的日变化、季变化周期; 地气间通量交换年际间的差异主要受当年的气候背景影响, 尤其是降水的影响; 同时还受到下垫面覆被的影响。潜热通量和感热通量的能量分配比率呈反位相变化, 且农田和退化草地的变化趋势相似, 在夏季潜热通量所占比例均超过感热通量; 两种下垫面的波恩比月均值变化趋势十分相似, 量级接近, 夏季低, 春、秋季高; 夏季退化草地和农田下垫面波恩比均小于或等于1。     

黄土高原不同作物下垫面陆气水热交换的模拟研究

黄土高原农田种植结构的改变对陆面能量和水分交换、区域蒸散发等产生影响,不同作物下垫面复杂的水热耦合机制在黄土高原陆-气相互作用中起着重要作用。本文利用陇东黄土高原2019-2021年共计34个月的观测数据,结合耦合了作物模块的通用陆面模式(Community Land Model with BGC Biogeochemistry and prognostic crop,CLM5.0-BGCCROP)对黄土高原不同作物下垫面(冬小麦、玉米、苹果林地)的陆面特征进行离线单点模拟,以验证CLM5.0陆面过程模式在黄土高原农田地区的模拟能力,对比分析不同作物下垫面土壤温湿度和地表能量通量的差异。结果表明：(1)CLM5.0对土壤温湿度特征的模拟效果较好,平均均方根误差分别小于2.5℃和0.1 m³·m^-3,小麦地土壤温度模拟值偏高,玉米地和苹果林地土壤温度模拟存在冷偏差。生长期在旱期的冬小麦造成土壤干燥的程度大于玉米,苹果林地因根系丰富,吸收了更多的土壤水,使土壤整体更加干燥。(2)模拟偏差一部分是由于在模式中将作物下垫面设置为单一作物类型(冬小麦、...     

不同陆面过程模式对半干旱区通榆站模拟性能的检验与对比

随着全球气候变化和伴随而来的日益严重的干旱化问题,干旱/半干旱地区的陆气相互作用引起了越来越多的重视。利用国际协同强化观测期(CEOP)观测资料对3个不同的陆面过程模式BATS、LSM和CoLM在半干旱区通榆站进行了模拟检验与对比,考察了不同陆面过程模式对半干旱地区的模拟性能。结果表明,3个模式都可以较好地模拟出半干旱地区地气间的能量通量的季节和日变化,但模拟性能存在较大差异。对于地表温度和出射长波辐射的模拟,BATS表现最优;而对于感热和潜热通量的模拟,CoLM和LSM要好于BATS,其中CoLM的表现最好。各模式的模拟性能随着季节不同存在着很大的差异,夏季的模拟要好于冬季,3个模式都不能很好地模拟冬季该地区的潜热通量,说明对半干旱地区冬季地表过程的刻画还有待进一步提高。     

空气热储存和垂直平流对干旱均匀裸土地表能量平衡的影响

利用"内蒙古微气象观测蒸发试验"的数据,估算了我国西北干旱区典型均匀裸土下垫面条件下的空气热储存和垂直平流输送,并分析了空气热储存项和垂直平流输送项对干旱区地表能量不闭合的影响。研究发现:由于干旱区温度梯度大,热力抬升作用较强,即使在均匀下垫面条件下也存在可观的垂直平流输送。在地表能量平衡方程中引入空气热储存项和垂直平流输送项之后,二者对能量不闭合的平均补偿分别达到1.0 W/m2和7.1 W/m2,闭合度分别提高2%和14%,地表能量不平衡残差平均值由26.4 W/m2减小到18.2 W/m2,地表能量闭合度由82%提升到98%,干旱区地表能量平衡有明显改善。     

Systematic Hydrological Evaluation of the Noah-MP Land Surface Model over China

We evaluate water budget components—namely, soil moisture, runoff, evapotranspiration, and terrestrial water storage (TWS)—simulated by the Noah land surface model with multi-parameterization options (Noah-MP) in China, a large geographic domain challenging for hydrological modeling due to poor observational data and a lack of one single parameterization that can fit for complex hydrological processes. By comparing the model simulations with multi-source reference data, we show that Noah-MP can generally reproduce the overall spatiotemporal patterns of runoff and evapotranspiration over six major river basins, with the annual correlation coefficients generally greater than 0.8 and the Nash–Sutcliffe model efficiency coefficient exceeding 0.5. Among the six basins evaluated, the best model performance is seen over the Huaihe River basin. The temporal trend of the modeled TWS anomalies agrees well with GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) observations, capturing major flood and drought events in different basins. Experiments with 12 selected physical parameterization options show that the runoff parameterization has a stronger impact on the simulated soil moisture–runoff–evapotranspiration relationships than the soil moisture factor for stomatal resistance schemes, a result consistent with previous studies. Overall, Noah-MP driven by GLDAS forcing simulates the hydrological variables well, except for the Songliao basin in northeastern China, likely because this is a transitional region with extensive freeze–thaw activity, while representations of human activities may also help improve the model performance.     

关于用台站资料估算西北干旱区夏季感热通量的热力参数化比较

气象台站观测的气象要素可能受城市化等因子的影响而与野外试验站的观测存在一定的差异,这影响野外试验获取的热力参数直接应用于西北干旱区台站感热通量的估算。本文选取了一些常用的热力参数化方案(包括Z10、B82、Z98、Y08和Z12等方案),通过敦煌站夏季估算的感热通量与野外观测的比较以及对整个西北干旱区夏季感热通量的估算,评价了这些热力参数化对动量粗糙度的敏感性和在西北干旱区的适用性。结果显示,热力输送系数取定值的方案计算西北干旱区的感热通量可能存在较大不确定;台站的动量粗糙度可能受城市化等因子的影响,但在感热通量计算时建议取台站下垫面的动量粗糙度;Y08方案估算的感热通量相对比较合理,可以用来研究西北干旱区的夏季地表感热输送特征。     

中国北方干旱区感热及潜热的异常特征

通过对1949—1999年逐月NCEP／NCAR感热通量和潜热通量再分析资料的分析，发现在我国北方干旱区感、潜热通量的年际变化存在着2～3个敏感区，分别位于西北和华北及内蒙一带。其中以东部的华北—内蒙区最为显著。代表上述两个地区通量的平均年际变化表明，在20世纪60年代后期，感、潜热通量存在一个突变；进入70年代以后，上述两个地区的感热通量保持在一个较高的水平上，潜热通量的变化则呈现出相反的变化。     

卫星遥感结合气象资料计算的西北干旱区地面感热特征分析

选取1981年7月-2006年12月美国国家海洋和大气局(NOAA)系列卫星观测的归一化植被指数(NDVI)资料和Ch-INDV参数化关系式,计算了我国西北干旱区84个测站历年各月的地表热力输送系数Ch值和地面感热通量序列,得到如下主要结论:(1)西北干旱区地面感热通量实际计算值与ERA-40再分析感热资料相比,两者在数值大小、分布形势和年际变化趋势上均较一致,感热实际计算值的空间分布更明显地突出了各气象站所在区域的局地特征。(2)西北干旱区地面感热输送呈单峰型年变化特征,春、夏季非常强,秋、冬季较弱;大部分区域全年均为正值,地表为感热源。(3)以97.5°E为界,西北干旱区东、西部具有不同的年际变化趋势,东部的地面感热四季均有逐年增加的趋势,而西部秋、冬季逐年略有增加,春、夏季逐年减弱明显,气候倾向率分别为-1.15 W.m-2.(10a)-1和-2.08W.m-2.(10a)-1。(4)西北干旱区地面感热输送具有明显的年代际变化特征,1980年代总体偏强,1990年代总体偏弱,2000年以来,西北地区中部的感热输送偏弱,东、西部除个别测站外均偏强。(5)西北干旱区的感热变化并不只由地气温差的变化来决定,它与地面风速和地表状况的变化也有较强的依赖关系。在冬季,主要响应地气温差的变化,春季地面风速和地气温差的影响作用同等重要,夏季以地面风速的影响为主,地气温差的影响次之,秋季与夏季相反。另外,夏季地表状况对感热的影响作用也不容忽视。     

干旱半干旱区非均匀地表区域能量通量的卫星遥感参数化

卫星遥感在估算非均匀地表区域能量通量时有其独到的作用。文中介绍了利用Landsat TM资料估算非均匀地表区域地表能量通量和蒸发(蒸散)量的参数化方案、研究结果和存在的难点问题。并提出了解决问题的可能途径。     

河西地区地表感热特征分析

利用河西地区13个测站的资料和金塔试验资料,通过聚类分析和小波分析等研究方法,分析了河西地区地表感热的变化特征,结果表明:河西地区13个站感热输送的最大值一般出现在5月或6月,最小值出现在12月。3~4月份普遍急剧增大,在10~11月急剧减少。近50年间,河西地区大部分台站春季感热输送呈上升趋势,夏季呈明显的下降趋势。春季感热通量的主要显著性周期为3年。河西地区中部春季感热变化与风速、地气温差变化的相关关系都比较好,在河西西部春季感热变化与风速的相关关系较好,而在河西东部春季感热变化与地气温差的相关关系较好。     

干旱及半干旱地区地表能量通量的卫星遥感参数化

对干旱及半干旱地区非均匀地表区域地表能量通量的研究是一个十分重要但又是一个难点问题。作者提出了一个基于卫星遥感和地面观测的参数化方案,并把其用于中国西北地区“我国重大气候和天气灾害形成和预测理论的研究”(国家重点基础研究发展规划项目G1998040900,1999-2003)的“敦煌试验”区和“黑河试验”(HEIFE,1989-1994)区,并利用4个景(“敦煌试验区”:2000年6月3日-初夏、2000年8月22日-夏末和2001年1月29日-冬天:“黑河试验”区:1991年7月9日-夏季)的陆地资源卫星Landsat5 TM和Landsat-7 TM资料进行了分析研究,得到了有关干旱及半干旱地区非均匀地表区域地表特征参数、植被参数和地表能量通量的分布图像。最后还讨论了参数化方案的适用范围和需改进之处。     

关于干旱和半干旱区陆面水分过程的研究

简要阐述了陆面水分过程的内涵,论述了干旱半干旱区陆面水分过程的独特性,提出了干旱半干旱区生态和土壤特性对陆面水分过程的敏感性。并且,总结了国内外陆面水分过程的研究现状,分析了干旱半干旱区陆面水分过程研究的不足之处,讨论了进一步开展干旱半干旱区陆面水分过程研究的思路。