次网格积雪参数化在祁连山区斑状积雪带模拟中的应用

运用中尺度大气模式MM5,积雪参数化分别采用简单的积雪参数化方案以及考虑次网格积雪分布和雪密度变化的复杂积雪参数化方案,对黑河流域上游祁连站附近气温和降水进行模拟,与祁连站的观测值对比,检验积雪参数化方案中次网格积雪分布和雪密度变化在该地区气温和降水模拟中的作用.结果表明:简单积雪方案对网格积雪的非0即1描述在斑状积雪带是不合理的,尤其在黑河流域海拔3 300 m以下积雪多为斑状或片状,网格内积雪非均匀性的处理是非常必要的;通过耦合简单和复杂积雪方案的大气模式对气温模拟和观测值比较发现,新方案模拟的气温比旧方案模拟值更接近观测值,在气温低于0℃时改进尤其明显,说明使用复杂积雪/融雪方案可改进斑状积雪带气温的模拟.耦合复杂积雪方案的大气模式模拟的降水与观测值绝对误差低于耦合简单积雪方案模拟结果,复杂积雪方案的模拟结果降水错报率为使用简单积雪方案结果的一半,证明了耦合复杂积雪方案可以提高大气模式对该地区春季降水模拟的准确性.与积雪面积变化相对应,耦合复杂积雪方案模拟出了融雪产流量,而使用简单积雪方案则没有模拟出来.综上所述,耦合考虑次网格积雪分布和雪密度变化的复杂积雪参数化方案比耦合“非0即1”积雪方案可以更准确地模拟祁连山区冬、春季气温和降水.     

高寒山区冻土对水文过程的影响研究——以黑河上游八宝河为例

冻土对寒区水文过程具有重要的调节作用,是寒区水循环研究的核心内容之一.在分布式水文模型中对土壤冻融过程进行显式表达,对探索寒区水循环的机理、定量研究寒区流域径流的时空变化十分重要.先在黑河上游八宝河流域对考虑了土壤冻融过程的分布式水文模型进行简单验证,然后分析土壤冻融对流域水文过程的影响.对考虑和不考虑土壤冻融的模型模拟结果进行对比,发现冻土对流域的产流方式和速度有很大的影响,主要表现为：1）考虑冻土时,流域产流以壤中流为主,径流对降雨或融雪的响应速度较快,径流过程线变化较为剧烈,径流系数较高.冻土有效地阻碍了入渗过程,促进地表径流和壤中流的形成.壤中流发生的平均土壤深度冬季深,春季浅,年平均深度约为1.1 m;2）在不考虑冻土时,土壤下渗能力强,地下水补给是考虑冻土时的3倍,流域产流方式以基流为主,径流对降雨或融雪的响应速度减缓,径流过程线较为平滑,夏季洪峰在时间上存在明显的延迟.即便在降水强度较大的夏天,流域内都不会产生地表产流,而且壤中流产流的平均土壤深度平稳地处于2.4 m左右.研究对从机理上认识土壤冻融对水文过程的影响有一定的帮助.     

祁连山黑河干流山区水文模拟研究进展

流域水文模拟是在认识水文规律的基础上, 对流域水文过程的一种数学描述.黑河流域作为典型的内陆河流域历来是研究寒区、 旱区水文过程的热点区域.祁连山黑河干流山区的水文模拟研究也备受学者们的关注, 经验模型、 概念模型和分布式水文模型在该区域均有应用, 虽然都对出山径流做出了准确的模拟, 但是引进的模型对高寒山区水文过程的刻画不够详细.内陆河高寒山区流域的水文模拟要充分考虑冰川、 积雪、 冻土等因素所引起的特殊寒区水文过程, 准确刻画这些水文过程是高寒山区流域水文模拟成功的关键.今后应该继续加强野外观测, 深入开展冻土水文过程、 冰雪水文过程的模拟研究, 发展真正适合于高寒山区流域水文过程的分布式水文模型.     

寒区典型下垫面冻土水热过程对比研究(Ⅰ)：模型对比

冻土水热传输和水热耦合过程是寒区水循环的核心环节和重要组成部分,土壤温度和湿度(含水量)的观测和模拟是冻土水热过程分析的基础. 以中国科学院寒区旱区环境与工程研究所黑河上游生态-水文试验研究站葫芦沟试验小流域为依托,选取季节冻土区的高寒草原、高寒草甸和多年冻土区的沼泽化草甸、高山寒漠等4种典型寒区下垫面,分别布设自动气象站,并调查相关土壤和植被参数,利用SHAW和CoupModel模型对试验点的土壤水热条件进行模拟计算.结果表明：4个试验点多层土壤含水量和地温SHAW模型计算值与实测值对比平均相关系数R²分别为0.65和0.90;CoupModel模型计算值与实测值对比平均R²为0.72和0.93. 总体上,地温的模型估算结果略好于含水量;相对于SHAW模型,CoupModel模型是更适合寒区各种下垫面的一维SVATs模型.     

基于模块化建模方法的寒区水文过程模拟——在中国西北寒区的应用

中国西北高山、 高原广泛分布着冻土和积雪, 春季融雪和冻土融化是该地区重要的水文过程.基于模块化的寒区水文建模环境CRHM, 根据流域水文过程特征和观测数据约束, 选取描述不同寒区子水文过程的模块构建寒区水文模型, 并基于长期观测的两个典型寒区小流域来验证模块化的寒区水文模型.在冰沟流域, 主要模拟雪的积累/消融、 雪的升华、 融雪下渗和融雪径流过程. 结果显示: 冰沟流域积雪升华占降雪量(145.5 cm)的48%, 其中风吹雪引起的升华损失量(35 cm)占积雪升华(69 cm)的一半, 风速和辐射引起的积雪升华是该地区积雪物质平衡的重要组成; 构建的寒区水文模型可以再现春季积雪消融引起的径流过程.在左冒孔冻土流域, 主要模拟冻土下渗过程、 冻土坡面产流过程和土壤冻融对径流的影响. 结果显示: 构建的寒区水文模型可以捕捉到春季主要的冻土融化径流过程.两个流域的验证结果揭示: 模块化的建模方法在搭建模型结构的时候减少了模型的不确定性, 所以在未经率定的情况下, 具有在无资料和资料缺少地区模拟寒区水文要素和水文过程的能力.     

黑河流域上游寒区水文遥感-地面同步观测试验

介绍了黑河流域上游寒区水文遥感-地而同步观测试验,论述了试验目标与研究内容、试验区的选择设计以及寒区水文长期观测试验.上游试验以理解寒区水文过程、提高寒区定量遥感水平为主旨,以积雪和冻土为主要研究对象,开展了微波辐射计、高光谱成像仪航空遥感和地面同步观测,并选择典型小流域进行长期寒区水文过程观测与研究.试验集中在冰沟积雪小流域、阿柔草场和扁都口裸露耕地3个不蚓地表覆盖区,以积雪和冻土变量与参数的测量为主.同步试验在流域尺度、重点试验区、加密观测区和观测小区4个尺度上展开,分别布置了加密的地面同步观测、通量和气象水文观测、降雨、径流及其它水文要素观测网络;航空飞行传感器分别采用微波辐射计、高光谱成像仪、热红外成像仪和多光谱CCD相机,收集获取了试验区丰富的可见光/近红外、热红外、主被动微波等卫星数据.通过试验,初步构建了上游寒区航空-卫星-地面综合数据集,可以应用于改进和验证寒区陆面/水文过程模型.     

黑河上游山区典型站的水热过程模拟研究

Noah LSM陆面过程模型在国际上被广泛应用于陆面的水热过程模拟, 但在高寒山区的适用性研究并不充分, 目前还没有在黑河上游高寒山区应用的案例. 利用Noah和黑河上游两个典型站(大冬树山垭口站和阿柔站)2008-2009年的观测数据, 对两站的水热过程进行了模拟. 通过比较模拟结果和实测的地温和液态水含量, 表明Noah能够较真实地反映该地区的水热过程. Noah对观测站的地温模拟较好, 但冬季存在一定偏差; 液态水含量的模拟总体偏低, 表层液态水含量在春季土壤融化期的模拟偏差较大. 以上现象与该地区土壤异质性较大、 春季融化期土壤冻融过程中土壤含冰量判定存在偏差、 冬季降水量观测不准等有关. 此外, 结合模拟结果, 讨论了观测数据的质量问题.     

山区太阳辐射对水热过程影响的敏感性分析

山区短波辐射的空间异质性非常强, 地形的遮蔽影响在山区能水循环模拟研究中不容忽视. 改进了SHAW模型和SHAWDHM模型的辐射模块, 使之能考虑地形的遮蔽作用对山区辐射平衡及其空间分布的影响, 并在单点和流域尺度进行数值模拟实验, 对比分析山区辐射过程对流域能水循环和径流的影响. 结果表明, 因地形的遮蔽作用, 地表接收的太阳直射辐射可减少25%左右, 模型模拟的土壤温度和蒸散发量分别降低约0.5 ℃和20%. 考虑山区辐射过程后, 模型模拟的春季融雪和夏季蒸散发均有所减缓, 导致春季融雪径流降低和夏季径流增加. 与观测径流对比发现, 考虑山区辐射过程后, 模型对径流量的模拟精度有所提高, 逐时径流量的纳什效率系数由0.677提高到0.711, 径流量的观测值与模拟值间的相关系数由0.835提高到0.851.     

SRM融雪径流模型在黑河流域上游的模拟研究

以黑河流域上游作为典型干旱区流域, 探讨了SRM(Snowmelt Runoff Model)融雪径流模型的可操作性. 在论述模型结构、参数意义的基础上, 重点研究以MODIS雪产品为基础的积雪面积衰减曲线的获取方法, 细化了退水系数的获取, 并分析了其中存在的问题. 通过利用WinSRM1.10版本对黑河上游2004年融雪期进行径流量模拟, 结果表明: SRM模型在以融雪水为主要补给的黑河流域上游有着较好的径流量模拟精度, 拟合优度确定系数R2为0.020, 体积差Dv为7.124%. 在实际应用中应最大限度利用已有的气象水文资料, 以更为准确地描述融雪径流过程. 针对数据稀缺的问题, 需要加强小流域的观测, 改进SRM模型以更适用于以融雪为主的我国西北山区流域.     

内陆河高寒山区流域分布式水热耦合模型（Ⅱ）：地面资料驱动结果

以黑河出山日平均流量作为对比，利用26个降水站点、11个气温站点和14个潜在蒸发站点2000年日资料，模型设计了6套气象因子空间分布方案，进行数值模拟试验，结果表明，在黑河流域现有观测站点的情况下，利用各种空间插值方法所得结果基本相当，考虑地面高程的三维插值与不考虑地面高程的二维插值结果相差不大，补充距离研究区较远的站点观测资料，模型结果反而变差。最终模型采用基于二维算法的最近距离法（nearest），利用2000年资料校正模型，计算与实测黑河日出山平均流量序列的效率系数为0.6101，平衡误差为0.0808％。以1999年资料验证模型，效率系数和平衡误差分别为0.6270和-2.9824％。模型基于水热连续方程模拟了黑河山区流域水热交换和耦合过程，探讨了流域的水量平衡，分析了水量平衡因子的时空分布，其模拟结果表明，内陆河高寒山区流域主要为浅表产流，高山草甸具有拦蓄降水和水源涵养作用，并反映了高山地区浅表土壤地下厚层冰的聚集过程。各种模型结果与本区野外实际调查结果基本一致，也符合当前对寒区流域水文循环过程的定性认识。     

冻土过程参数化方案与中尺度大气模式的耦合

将发展的冻土过程参数化方案与耦合了NCARLSM陆面过程模式的中尺度大气模式MM5相耦合,对包括我国北方,蒙古国,东西伯利亚的高纬度地区进行了模拟.模拟时间选为北半球季节冻土生成的10月份.模拟结果表明,模式能够较好地模拟出该区域的冻土分布,并且对大气模式中海平面气压场、气温场的模拟改进显著.     

陆面水文过程与大气模式的耦合及其在黑河流域的应用

陆面过程模式对陆面水文过程有比较详尽的描述,然而,目前的陆面水文过程只考虑了垂直方向的水分运移,比较适合平坦地区的模拟,而在地形坡度较大的山区只考虑垂直方向的水分移动是不够的,尤其是目前随着计算机条件提高,分辨率越来越高,地表水以及土壤水的侧向流动成为山区水文过程必须考虑的部分。同时,目前的陆面过程模式中的径流量是作为诊断量处理,不参与运算。针对以上问题,对Noah陆面过程模式进行了改进,增加了地表积水和积水蒸发、坡面汇流方案、次表面流方案,并且将Routing模块通过次网格过程与大气中尺度模式MM5耦合,发展了高分辨率大气—水文耦合模式。运用发展的高分辨率大气—水文耦合模式,对黑河流域中上游2003年6月23~25日降水过程进行了模拟,研究了陆面水循环过程对大气场的影响。结果表明陆面水循环过程对近地层大气影响很大,首先影响了土壤的湿度与蒸发,进而对边界层稳定性,云结构、云水、雨水含量产生影响,对区域降水也有一定影响。     

冻土模式的改进和发展

本研究首先对当今常用的冻土模式进行了改进。以土壤总焓和土壤水总质量替代原来的温度和体积水含量作为方程预报量,使冰水相变速率项变为诊断量,避免了原冻土模式计算过程中由于冰水相变速率项预估的误差造成计算过程中的温度偏差。同时对该新形式模式所发展的诊断量方程组设计了合理省时的数值计算方案。实验表明,改进后模式的模拟结果与观测值有较好的吻合。此外,分析比较了目前常用的3种冻融方案的理论基础及模拟结果,发现基于热力学平衡态推导得到的包含土壤水势影响的参数化方案能很好地模拟土壤的冻融变化过程,不同的冻融方案会对土壤内的温度、水量及表面的感热和潜热模拟结果产生较大的影响。      

陆面模式CLM4.5在青藏高原土壤冻融期的偏差特征及其原因

利用中国区域地面气象要素数据集制作的大气强迫场驱动通用陆面模式CLM4.5（Community Land Model version 4.5）对青藏高原区域进行离线模拟试验,模拟结果与D66、沱沱河（TTH）和玛曲（Maqu）3个站点的观测资料以及GLDAS（Global Land Data Assimilation System）-CLM2模拟结果进行了对比,并分析了陆面模式对冻融过程中土壤温度和湿度模拟的偏差及其可能原因。结果表明：CLM4.5对土壤温度模拟较好（平均RMSE≈3℃）,而GLDAS-CLM2计算的土壤温度偏高,偏差较大（平均RMSE>6℃）,且其偏差大于CLM4.5,尤其在冻融期;CLM4.5能较好地模拟出冻融过程中土壤湿度季节变化,但土壤湿度的模拟值与观测值存在一定偏差（平均RMSE≈0.1 mm³·mm^-3）,GLDAS-CLM2不能反映出土壤湿度在冻融过程中的变化特征。CLM4.5的模拟偏差主要来自大气强迫场,而GLDAS-CLM2的偏差除了大气强迫场的不确定性外,还来自于模式冻融参数化方案的不完善。大气强迫场中的气温和降水对土壤温度和湿度的影响在冻融期和非冻融期表现不同。在非冻融期,土壤温度的模拟主要受气温的影响（r>0.6）,气温偏差对土壤温度偏差的贡献率大于50%;土壤湿度的变化则主要受降水的影响,降水偏差对土壤湿度偏差的贡献率为20%~40%。在冻融期,受土壤水热相互作用的影响,气温和降水对土壤温度和湿度的作用效果减弱;土壤湿度的变化受气温影响显著,其贡献率为10%~20%。陆面模式中冻融参数方案的不完善是冻融过程中土壤温度和湿度偏差的重要来源之一。     

新一代中尺度预报模式（WRF）国内应用进展

随着中尺度大气模式的不断发展,新一代中尺度天气研究和预报模式WRF因其完全开放、可移植性强、更新快等特点在国内外得到了广泛应用。从物理参数化方案研究,实时个例模拟研究及与中尺度大气模式MM5的对比研究3个方面介绍近10年来WRF模式在国内的发展和应用概况,阐明WRF模式在中尺度模拟中的普适性和优越性,展望WRF模式在国...     

内陆河高寒山区流域分布式水热耦合模型（Ⅰ）：模型原理

在全球变暖的背景下，我国多数大江大河源区存在冰川退缩、雪线上升以及多年冻土和季节冻土明显退化等现象，并由此造成河源区产流量减少以及生态环境恶化等诸多问题，这在内陆河山区流域体现的较为明显，但目前分布式水文模型中很少涉及冻土水热耦合问题。文章以黑河干流山区流域为例，构建了一个内陆河高寒山区流域分布式水热耦合模型（DWHC）。模型基于土壤水热连续性方程将流域产流、入渗和蒸散发过程融合起来，在植被截留、入渗、产流和蒸散发计算方面也有所改进和创新，部分模块具有多个可选择方案。模型设计了与中尺度大气模式MM5的嵌套接口，也可以用地面气象资料驱动。模型在1 km×1 km网格基础上，以日为时间步长，将流域土壤分为18类，土壤剖面分为3～5层不等，流域植被概化为9类。模型只需要土壤初始含水量、初始地温和常规气象资料，以及土壤和植被物理参数，就能够连续演算各层土壤的温度、液态含水量、固态含水量、感热传导、潜热变化、水势梯度、导水率以及水分入渗和毛细上升量等水文循环要素。主要介绍了模型的基本原理和构建思路，有关模型的地面资料驱动结果和与MM5嵌套结果部分，参见后续文章(Ⅱ)、(Ⅲ)。     

Variation of coastal atmospheric boundary layer characteristics with convective activity along the west coast of India during the Arabian Sea Monsoon Experiment (ARMEX) 2002

This paper investigates the characteristic features of the coastal atmospheric boundary layer (CABL) along the west coast of India during the south-west monsoon (SWM) 2002. Extensive surface and upper-air findings were obtained during the same period from the Arabian Sea Monsoon Experiment (ARMEX; 15th June to 15th August 2002) 2002. The operational general circulation model (GCM) of the National Centre for Medium Range Weather Forecasting (NCMRWF) was used in this study to see the spatial variation of the CABL during two specific convective episodes that led to heavy rainfall along the west coast of India. The impact of a non-local closure (NLC) scheme employed in the NCMRWF GCM was carried out in simulating the CABL. The same episodes were also simulated using a similar parameterization scheme employed in the high resolution mesoscale modelling system (MM5). The diurnal variation of CABL is better represented from MM5 simulation. Comparing the MM5 simulation with that of the coarser grid NCMRWF GCM, we observed that the NCMRWF GCM underestimates the values of both latent heat flux (LHF) and the coastal atmospheric boundary layer height (CABLH). Results from MM5 therefore indicate that the best way to move forward in addressing the short-comings of coarse grid-scale GCMs is to provide a parameterization of the diurnal effects associated with convection processes.     

冻土-气候关系模型评述

冻土-气候关系模型是目前冻土学领域的研究热点,评述了冻土对气候系统的响应模型以及陆面过程模型中的各种冻土参数化方案.建立在传热学基础上的物理模型具有动态性、普适性的优点,适合于冻土工程计算,当把它们推广到面上时,需要对其进行简化.经验模型大都只使用有限的变量,与地理信息系统结合紧密,因此模型具有空间性,较为适合于冻土制图.陆面过程模型中的冻土参数化目前有3类方法:1)限定或修正水热参数;2)比较单位土层中耗热或放热量与可耗热或可放热量而计算产冰率;3)使用土壤基质势定义土壤冻结后的未冻水含量.现有的陆面过程模型中的冻土参数化方案需要进一步的改进.