CLM4.0模式对中国区域土壤湿度的数值模拟及评估研究

本文利用普林斯顿大学全球大气强迫场资料,驱动公用陆面过程模式（Community Land Model version 4.0,CLM4.0）模拟了中国区域1961～2010年土壤湿度的时空变化。将模拟结果与观测结果、美国国家环境预报中心再分析数据（National Centers for Environmental Prediction Reanalysis,NCEP）和高级微波扫描辐射计（Advanced Microwave Scanning Radiometer-EOS,AMSR-E）反演的土壤湿度进行了对比分析,结果表明CLM4.0模拟结果可以反映出中国区域观测土壤湿度的空间分布和时空变化特征,但东北、江淮和河套三个地区模拟值相对于观测值在各层次均系统性偏大。模拟与NCEP再分析土壤湿度的空间分布基本一致,与AMSR-E的反演值在35°N以北的分布也基本一致;从1961～2010年土壤湿度模拟结果分析得出,各层土壤湿度空间分布从西北向东南增加。低值区主要分布在新疆、青海、甘肃和内蒙古西部地区。东北平原、江淮地区和长江流域为高值区。土壤湿度数值总体上从浅层向深层增加。不同深度土壤湿度变化趋势基本相同。除新疆西部和东北部分地区外,土壤湿度在35°N以北以减少趋势为主,30°N以南的长江流域、华南及西南地区以增加为主。在全球气候变暖的背景下,CLM4.0模拟的夏季土壤湿度在不同程度上响应了降水的变化。中国典型干旱区和半干旱区土壤湿度减小,湿润区增加。其中湿润区土壤湿度对降水的响应最为显著,其次是半干旱区和干旱区。     

中国不同气候区土壤湿度特征及其气候响应

为获得中国不同气候区各层深度土壤湿度变化特征及其对气候变化的响应,利用中国区域台站观测土壤湿度资料、降水及气温资料,采用趋势、相关性分析及突变检验等方法,讨论了东北、河套、江淮区域1981~1999年不同深度土壤湿度变化特征及其对气温、降水的响应。结果表明:东北、江淮地区为土壤湿度高值区,河套地区为土壤湿度低值区,土壤湿度由浅层至深层呈上升趋势;东北、河套地区降水和土壤湿度变化呈正相关,江淮地区降水和土壤湿度呈负相关;东北、河套地区气温和土壤湿度变化呈负相关,江淮地区气温与土壤湿度呈正相关关系。土壤湿度对降水的响应比对气温变化的响应更加显著。      

四川盆地土壤湿度时空分布及影响因子分析

基于四川盆地24个农业气象站1996~2012年浅层10cm的旬土壤湿度、温度、降水和日照等观测资料,采用统计分析方法,分析了盆地四季多年土壤湿度时空分布特征以及气象因子对土壤湿度的影响。结果表明:四川盆地浅层土壤湿度空间分布整体呈现南多北少的态势,其大小为春、冬两季偏低;夏、秋相对较高,其中以秋季为一年内最高。时间变化趋势则表现为春夏有微弱的降低趋势,而秋冬呈现微弱上升趋势。小波分析表明,各季节普遍存在4~6年的准周期。从倾向率分析来看,在不同季节表现出减少的区域主要集中在南部及东北部地区,四川盆地其余各地呈现不同程度增加趋势,以绵阳地区变化较为显著,夏、秋两季均达到了1.4%/a。与气象因子相关分析中得出,在相对偏干的盆地西北部,浅层土壤湿度变化受降水的影响最大,而在较为湿润的南部和东北部受日照影响最大。      

中国南方旱涝时空分布特征分析

用1955-2001年我国南方81个测站全年逐月降水量资料,利用Z指数确定单站旱涝等级.结果表明,春季华中地区和两广交界处更易发生干旱,湖南与华南沿海地区降水偏多,出现洪涝的几率较大;夏秋两季106～115 °E,23～32 °N区域和四川西北部地区出现干旱的频率较高,洪涝频率较高地区主要集中在长江流域,同时四川南部、云南中部、华南沿海出现大涝的频率较高;冬季南方大部分地区发生旱涝的频率较小,干旱多发区主要集中在云南中部以及江苏、安徽两省,西南部出现降水偏多的频率较高.通过对降水资料的EOF分析发现,我国南方春季降水主要为南旱北涝、南涝北旱两种分布型.夏季降水区域主要分为长江流域与华南沿海地区、云南两个区域,而秋、冬季南方降水分布比较均匀,表现为南方一致旱或涝.     

中国东部前冬、春土壤湿度与夏季气候的关系

利用中国东部(100°E以东)139个站的1951~1999年逐月反演的土壤湿度资料以及160个气象台站的气温、降水资料,分析了我国东部不同区域前冬、春土壤湿度异常与夏季气候的关系。研究结果表明,黄河以南地区上年冬季土壤湿度与夏季降水存在正的相关关系,但这种滞后相关存在明显的地域差异。其中云贵高原和华中地区夏季气候对上年冬季土壤湿度响应最显著。黄河以北的华北和内蒙地区上年冬季土壤湿度与夏季降水有弱的负相关关系。除了云贵高原地区外,多数地区上年冬季土壤湿度与夏季温度存在负相关关系,其中负相关最显著的是华北地区。春季土壤湿度除与云贵高原的夏季气候关系密切外,与其他地区夏季气候的关系不显著。土壤湿度与气候的滞后相关表明土壤湿度在年际尺度上对后期气候有一定的影响。     

西北地区东部春季土壤湿度变化的初步研究

利用中国西北地区东部 (包括宁夏、内蒙古西部以及甘肃、陕西两省 35°N以北地区 )农业气象站近 2 0年固定地段旬土壤湿度资料 ,对该地区春季土壤湿度的变化进行了初步分析。结果表明 ,中国西北地区东部土壤湿度的变化具有 3年左右的周期 ,而且 2 0世纪 90年代以来呈下降的趋势 ,这与该地区的降水和气温变化有关系 ;西北地区东部的土壤湿度变化对该地区群发性沙尘暴的爆发有一定影响     

春季中国大陆降水的特征及其与全球海温的关系

利用NOAA CMAP 1979—2010年逐月再分析降水资料、1978—2010年逐月ERSST资料和NCEP 850 h Pa再分析风场资料,研究了春季中国大陆的降水特征,及影响其降水的关键时段和关键海温区。结果表明,春季中国大陆降水偏多年和偏少年频次与强度都相当,年际变化明显。20世纪80年代前期降水偏多,80年代后期至90年代末降水偏少,2000年后至今降水偏多;降水主要有2个周期频段:8~10和3~4年。确定影响春季中国大陆降水的3个关键海温区:海区1:75°—180°E,30°S—30°N;海区2:150°—120°W,30°—60°N;海区3:180°E—130°W,20°S—20°N。不同海区海温在不同时期对中国大陆不同地区春季降水的影响有所不同。     

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。     

结露时间与浅层土壤湿度相关特征

天气现象自动化观测系统,通过图像自动化识别技术,能自动观测地表结露天气现象,并能记录结露发生的时间。北京市平谷气象站安装了土壤湿度仪和天气现象自动化观测系统,通过统计分析平谷气象站2011年4—9月天气现象自动化观测系统得到的结露时间资料与浅层土壤湿度资料,得到结露时间与土壤湿度具有一定的相关关系,即0~10cm层土壤湿度越大结露时间越早。相反,0~10cm土壤湿度越小,结露时间越晚,当0~10cm土壤湿度小于一定值后就不发生结露现象。为了进一步验证结露时间与土壤湿度具有一定的相关关系,分析了北京市怀柔、门头沟、朝阳、大兴和延庆等站结露时间与降水后日数的关系。     

烘干称重法与自动观测土壤湿度的差异分析

利用2008年12月至2009年2月烘干称重法、自动观测的土壤湿度及同期气象资料进行统计分析得出:(1)在同一气候环境、同一地段烘干称重法与自动观测的土壤湿度变化趋势是一致的,0～10cm土壤湿度一致性最好。(2)烘干称重法测得数据所反映土壤湿度的变化程度大于自动观测。⑶烘干称重法、自动观测的0～50cm土壤湿度与降水、气温相关密切,建立的回归方程通过0.01的显著性检验,采用烘干称重法测得的土壤湿度与气温、降水的响应程度好于自动观测。     

2008年的湛江土壤湿度特征

对湛江地面气象观测站2008年0～50 cm土壤湿度、降水及蒸发皿蒸发资料进行了分析。结果表明,湛江土壤湿度的垂直分布形态为垂直均匀型;按土壤湿度随时间的变化规律,可将其划分为春季相对稳定期、夏季增墒期和秋季迅速下降期3个时段。对0～10 cm、10～30 cm与30～50 cm土层土壤湿度进行回归分析,表明土壤湿度与降水量、蒸发皿蒸发量存在线性关系,除春季30～50 cm土壤湿度的预报值明显偏低外,其余回归方程的预报结果均较好。同一土壤类型、不同时段,或同一时段、不同的土壤层次,拟合的方程不同,反映出土壤湿度时间和空间分布的复杂性。     

冬季北大西洋涛动对中国春季降水异常的影响

利用中国397个测站降水资料和NCEP/NCAR再分析资料,采用相关分析、合成分析等方法,研究了冬季北大西洋涛动(NAO)对我国春季降水的影响。结果表明,我国春季降水与前期冬季NAO关系密切,冬季NAO偏强(弱)时,我国东部南方地区春季降水偏多(少),北方地区春季降水偏少(多)。冬季NAO信号通过波列形式传播至东亚地区,使得春季东亚副热带急流和温带急流发生变化,冬季NAO偏强(弱)时,春季东亚副热带西风急流增强(减弱),温带急流减弱(增强)。进一步分析表明,冬季NAO异常会引起春季乌拉尔山高压脊和东亚大槽的变化,导致东亚对流层上层的温度发生变化,并由此产生经向温度梯度异常,这可能是NAO影响东亚高空急流的原因之一。春季东亚对流层上层的气温变冷(暖),使得东亚地区30°-40°N区域产生下沉(上升)运动,20°-30°N区域产生上升(下沉)运动,最终导致我国东部南方地区春季降水偏多(少)、北方地区春季降水偏少(多)。     

中国土壤湿度的分布与变化 II. 耦合模式模拟结果评估

利用中国区域土壤湿度观测资料,对目前世界上较具有代表性的14个全球海-陆-气耦合模式模拟的中国区域土壤湿度进行了评估,发现尽管几乎所有的耦合模式基本都能够再现实际的土壤湿度空间分布,但模拟的土壤湿度季节循环和年际变化,却与观测相差较大。除了少数模式中降水变化与土壤湿度变化的关系不明显外,大部分模式都揭示了前期降水对后期土壤湿度变化的显著影响,在部分模式中,前期降水对土壤湿度的影响偏强。耦合模式在土壤湿度模拟上的偏差,主要来自降水模拟上的偏差。在土壤湿度的年平均和夏季平均空间分布、年际变化方面,高分辨率模式（水平格距高于1.875°×1.875°）的结果,整体上要好于中（水平格距在1.875°×1.875°与3.75°×3.75°之间）、低(水平格距小于3.75°×3.75°)分辨率的模式;而中等分辨率模式结果相对于低分辨率而言则优势不明显。     

初值对中国东部初夏土壤湿度可预报性影响

土壤湿度是影响天气和气候非常重要的因子之一,但目前针对土壤湿度可预报性的研究报道相对较少。该文在对BCC_CSM模式进行了适合的陆面初始化的条件下,设计了两组在中国东部地区采用不同土壤湿度初值的回报试验研究该地区土壤湿度的可预报性及初值对其可预报性影响问题。试验结果表明:BCC_CSM模式在真实的外场强迫下可以模拟出相对合理的土壤湿度;土壤湿度的可预报性在表层约为3候,随着深度的增加,土壤湿度的可预报性持续时间增加,在中层预报性甚至能达到月尺度以上;初值对于土壤湿度的预报存在影响,在表层影响时间约为2~3候,影响时间随着深度增加;浅层土壤湿度受降水的影响较大,浅层土壤湿度变化滞后降水变化约1~2 d,中层土壤湿度变化与降水变化存在5 d左右的滞后关系。     

基于GLDAS产品的青藏高原土壤湿度特征分析

选取青藏高原中部那曲地区10个试验点2010年8月至2012年12月的土壤湿度数据与全球陆面数据同化系统(GLDAS)中4个陆面过程模型(NOAH、CLM、VIC、MOSAIC)模拟得到的土壤水分产品进行对比分析,发现NOAH陆面模式资料在青藏高原适用性较好。采用中国科学院青藏高原研究所那曲站10个试验点观测土壤湿度资料和长时间序列的GLDAS陆面模式资料研究青藏高原地区不同深度土壤湿度的时空分布特征。结果表明:那曲地区土壤湿度呈现显著的季节变化特征,一年之中出现两个峰值和两个低值阶段。基于NOAH陆面数据同化产品发现青藏高原土壤湿度的空间分布呈现明显的纬向分布特征,随纬度的升高,土壤湿度值降低;同时,青藏高原中部浅层土壤和中间层土壤湿度有变湿的趋势。0~10 cm、10~40 cm、40~100 cm土壤湿度EOF展开第一模态(EOF1)在高原北部及南部呈反位相分布。     

中国土壤湿度的垂直变化特征

使用中国 57个站 1981～ 2 0 0 0年 0～ 10 0cm的土壤湿度资料 ,逐站进行了垂直方向土壤湿度的诊断分析 ,根据湿度的垂直分布形态归纳为 3种主要类型 :夏季均匀型、急剧变化型和季节差异型 ;分析土壤湿度的年际变化发现 :多数测站湿度的距平符号在垂直方向是一致的 ,变化趋势以长时间持续干和湿以及 3～ 4a振荡周期为主 ;进一步对干和湿期土壤湿度和降水量进行合成 ,发现湿期和干期的土壤湿度垂直分布多数情况下保持了气候态的基本特征 ,湿期减干期的土壤湿度差与降水差有很好的对应关系     

2011年春末夏初长江中下游地区旱涝急转成因初探

选用NCEP/NCAR、NOAA、国家气候中心(NCC)提供的各要素资料及NOAA-Hysplit模型,对2011年春末夏初发生在中国长江中下游地区旱涝急转的降水异常事件及其影响机制进行初步分析,并建立天气学概念模型.结果表明:(1)长江中下游地区,尤其是(27°N～～32°N,l10°E～120°E)区域在6月第1候...     

长江三角洲夏季持续性高温预报方法的研究

采用1999～2008年逐日最高气温观测资料和NCEP逐日再分析资料,统计分析了长江三角洲地区近10a夏季温度的低频周期,揭示了对该地区夏季温度变化产生影响的区域和特征。研究表明,该地区夏季温度的低频周期为10-30d。通过相关分析在42．50～47．5°N、82．5°～90°E,42．5°～47．5°N、80°～90...     

中国南方秋季降水极端异常年份分析

利用1979～2008年由NCEP/NCAR再分析资料计算所得的水汽输送通量资料、同时段中国南方97个站点月降水总量资料以及NCEP/NCAR的月平均再分析资料,采用线性倾向估计及合成分析等方法对中国南方秋季降水、水气输送特征及其异常情况进行分析.结果表明:30a中,中国南方秋季降水总体上呈现递减的趋势;中国南方不同区...     

青藏高原春末土壤湿度对初夏降水的影响

为了研究青藏高原(简称高原)春末(5月)土壤湿度与初夏(6月)降水的关系,利用1979-2019年ERA-Interim土壤湿度月平均资料和同时段高原109站观测降水资料,分析了高原春季土壤湿度与汛期(5-9月)降水之间的关系.结果 表明:春末表层(0～28 cm)土壤湿度与高原初夏降水呈显著的正相关,在空间上土壤湿度...