陆面模型Noah-MP的不同参数化方案在沙漠区域的适用性研究

为研究陆面模型Noah-MP在沙漠下垫面的最优参数化方案组合,本文利用中国气象局塔克拉玛干沙漠气象野外科学试验基地观测数据,根据沙漠环境特征进行不同参数化方案组合的三组模拟实验,利用观测数据对10 cm土壤温湿度、感热、潜热通量模拟值对比分析得出最优组合。研究表明:第三组对10 cm的土壤温度模拟效果最好,主要原因是Chen97感热交换系数和全网格二流近似(gap=0)辐射传输方案比较符合沙漠的环境特征。三组试验对土壤湿度模拟效果差,其主要原因是沙漠的土壤信息未能体现在模式中,第二组选择CLM方案对土壤类型影响蒸发方面有一定考虑,其模拟结果相对较好。对于感热通量,第一、二组模拟值在波峰存在高估,尤其是第二组模拟值在降水后出现了明显低估情况,第三组模拟效果最好,主要得益于选择了感热交换系数Chen97方案,能够较为真实的刻画Ch变化特征。潜热通量在四个特征量中模拟效果最差,主要原因是沙漠土壤水分极低,观测降水和实际进入土壤的水量有差异,另外没有植被和植物根系,模式无法准确计算土壤蒸发和植被蒸散。根据统计分析和泰勒图可知,第三组能够更好地还原沙漠区域的陆面过程。     

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。     

基于不同陆面参数化方案的高温天气数值模拟

基于3种不同的陆面过程方案(SLAB、NOAH和RUC方案)利用WRF模式对2009年7月发生在江苏沿江及苏南地区包括沪宁高速公路在内的一次高温天气过程进行了对比模拟和分析.结果表明:①WRF模式中耦合陆面参数化方案后的试验结果更接近实况,且模拟的高温天气过程对不同陆面方案的选择较为敏感;②SLAB、NOAH、RUC ...     

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。     

典型干旱地区陆面特征的模拟及分析

运用NCAR -LSM (Landsurfacemodel)模式对典型干旱区—沙漠站进行了独立试验 (Off line) ,检验了LSM模式在典型干旱地区的性能 ,并分析了典型干旱地区的陆面特征。结果表明 :LSM模式对干旱地区有较好的模拟性能。在不同的季节 ,典型干旱地区的感热和潜热有着不同的特征 ,4月份的感热通量较大 ,约为 4 0 0W·m-2 ;1月和 8月相对较小 ,约为 2 30W·m-2 。 1月和 4月的潜热通量很小 ,约为 4～ 6W·m-2 ,可以忽略 ;但 8月份的潜热通量大 ,平均最大约为 12 0W·m-2 ,当有降水发生时 ,潜热通量可达 5 70W·m-2 ,与感热通量相当。     

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。     

西北半干旱区感、潜热通量特征及近50年来的变化趋势

在对比分析2007年兰州大学SACOL测站观测值和NCEP模式产品的感、潜热等变化特征的基础上,用观测资料和NCEP感、潜热通量资料的误差对1961—2008年的NCEP感、潜热通量资料进行了订正。分析了近50年西北半干旱区感、潜热的年际变化趋势。结果表明:平均而言,在半干旱区,4月感热最大,7月潜热最大;在过去的近50年间,年平均潜热通量大于感热通量。近50年来,潜热通量有减小的趋势,感热通量有增加的趋势。     

两次暴雨过程模拟对陆面参数化方案的敏感性研究

选取发生在江西和福建境内的两次暴雨个例,利用NCEP再分析资料在对暴雨发生前、后的环境场和物理量场进行诊断和对比分析的基础上,采用中尺度模式WRF V3.3,通过数值模拟探讨了陆面过程对两次暴雨过程的可能影响及其相关的物理过程。结果表明,2012年5月12日江西大暴雨主要受大尺度环流和中尺度天气系统影响,具有范围大、持续时间长等特点,属于大尺度降水为主的暴雨;而2011年8月23日福建暴雨发生在副热带高压控制下的午后,局地下垫面强烈的感热和潜热通量使低层大气不稳定性增强,触发了此次对流性降水为主的暴雨。通过资料诊断分析,可以判断陆面过程对福建暴雨个例的影响程度明显强于江西暴雨个例。通过关闭地表通量试验发现,陆面过程对暴雨模拟十分重要,尤其是对于该个例中对流性降水的发生起到关键性的作用。通过陆面参数化方案的敏感性试验发现,两次暴雨过程对陆面参数化方案均较为敏感。江西暴雨对陆面过程的敏感性主要体现在对流降水的模拟上,而福建暴雨则体现在大尺度降水的模拟方面,即福建暴雨对陆面参数化方案的敏感性强于江西暴雨。敏感性产生机制与降水类型关系紧密,大尺度降水对陆面过程的敏感性主要来源于不同参数化模拟的中高空对流系统的差异,而对流降水的敏感性则与不同参数化模拟的地表通量的差异有关。通过陆面参数的扰动试验进一步发现,相比于地表粗糙度和最小叶孔阻抗,土壤孔隙度和地表反照率则是影响对流降水对陆面过程敏感的关键因子,这在本质上与地表通量是否受到扰动有关。地表通量较风场而言,受扰动引起变化的空间范围广、时间响应快,变化具有明显规律性。所得结果可为深入理解陆面过程影响暴雨等天气过程和改进数值模式对暴雨的模拟能力提供一定的参考。     

不同边界层和陆面过程参数化方案对比分析

利用WRF模式选用不同的边界层参数化方案 (YSU、MRF) 结合三种陆面过程方案 (RUC、SLAB、Noah) , 模拟了2011年5月1~3日的四川东部暴雨过程, 对不同参数化方案结合不同陆面过程结果进行对比试验基础上发现, 模式对24h降水落区及强度有较强预报能力, 但对单站小时降水分布的预报能力还需改进;不同边界层方案与陆面过程的对比试验说明降水对于边界层物理过程有一定敏感性, 各试验的差异主要体现在对暴雨中心雨强以及降水峰值强度和峰值出现时段的预报上;WRF模式基本上能够模拟出边界层要素日变化特征。     

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。     

耦合不同陆面方案的WRF模式对“8.8”舟曲暴雨过程的模拟

利用NCEP每6 h一次的1°×1°格点资料和中尺度模式WRF(V3.2),选用不同的陆面参数化方案,对2010年8月7—8日发生在甘肃舟曲的一次西北地区特大暴雨天气过程进行数值模拟试验。结果表明,此次暴雨过程数值模拟的准确率对陆面参数化方案的选择比较敏感。在WRF模式中,耦合陆面方案比不耦合陆面方案对暴雨的模拟效果更好,耦合陆面方案所模拟的降水分布、地表通量以及地面气象要素都与实况更加接近。耦合不同的陆面方案模拟的降水以及感热通量、潜热通量都存在较大的差别,但是采用不同的陆面方案模拟的地表温度和水汽差别并不大。总体而言,采用PX陆面方案对降水的模拟效果比采用其他方案都合理,与实况最接近。     

GRAPES模式中不同陆面方案对新疆一次强降水事件的模拟

本文采用中尺度数值预报模式GRAPES_Meso V3.3.2.5版本以及NECP的GFS资料,分别选用模式中不同陆面参数化方案(SLAB、LSM、NOAH)对2013年9月14-17日新疆强降水过程进行数值模拟试验,模拟的结果表明：陆面方案对主要雨带的落区和大致走向影响并不大,但对降强度的模拟还是敏感的,耦合陆面方案比不耦合陆面方案的模拟效果更接近实况;不同陆面方案模拟的降水量存在一定差异,它们对降水中心落点、强度以及类型方面各有所长;在各种试验的综合比较中,NOAH方案较其他方案的模拟结果显得更稳定与合理。     

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。     

耦合不同陆面方案的WRF模式对2007年7月江淮强降水过程的模拟

利用WRF模式, 分别选用不同陆面参数化方案 (SLAB、 RUC、 NOAH、 UCM) 对2007年7月7～8日的江淮暴雨进行数值模拟试验, 模拟结果的对比分析表明: 虽然主要雨带的基本位置和大致走向受陆面方案的影响并不大, 但是降水强度的分布对陆面物理过程是敏感的, 耦合陆面方案比不耦合陆面方案的模拟效果更接近实况; 不同陆面方案模拟的降水量均较实况偏小, 然而由于考虑的要素和物理过程存在一定差异, 它们对降水的中心落点、 雨量值、 降水日变化、 降水类型以及降水条件的模拟各有所长; 特别值得指出, TRMM资料与4种方案的模拟结果均反映出本次降水日变化过程中夜间的峰值特征, 这是短时降水 (1～3 h) 和持续性降水 (≥6 h) 的综合反映, 而凌晨后的降水则主要由持续性降水造成; 在各种试验的综合比较中, NOAH方案较其他方案的模拟结果显得更稳定与合理, UCM方案针对城市下垫面的模拟有一定优越性。