土壤湿度和土壤温度模拟中的参数敏感性分析和优化

使用一种复杂洗牌算法 (SCE-UA, Shuffled Complex Evolution Algorithm) 对Noah陆面模式中的参数进行敏感性分析和优化,其中水文参数采取直接优化和优化土壤成份的形式,侧重于研究两种水文参数给出方法对土壤湿度和土壤温度模拟的敏感性。结果表明:将土壤湿度和土壤温度作为判据,模式中水文参数敏感性最高,水文参数对土壤湿度的敏感性要高于对土壤温度的敏感性。表层土壤湿度作为判据对土壤水文参数优化后,可以改善土壤湿度和土壤温度的模拟,加入深层土壤湿度同时作为判据后,优化使土壤温度的模拟变差。当土壤成份作为优化的参数,表层和深层土壤湿度作为判据,优化能够同时改善土壤湿度和土壤温度的模拟。单独使用土壤温度作为判据不能达到优化水文参数的目的。将土壤成份作为优化的参数后,土壤湿度和土壤温度的多判据优化效果最好,且减少不敏感参数的个数后对优化结果的影响总体不大。基于以上结果,将土壤成份作为优化水文参数的方法能够更好的考虑不同水文参数之间的约束关系,优化后的水文参数具有很好的一致性,优化效果较直接优化水文参数更好。     

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。     

CoLM模式在西北干旱区和青藏高原区的适用性研究

运用CoLM(CLM3.0)模式对典型干旱区(张掖站)和青藏高原区(安多站、MS3478站)进行了off-line验证试验,检验了CoLM模式在典型干旱区和青藏高原区的性能。结果表明:CoLM模式对典型干旱区绿洲灌溉农业的陆面过程模拟较好,土壤各层温度的日变化趋势和季节变化趋势都能较准确地模拟出来,模拟的地表温度与观测值相关系数为0.885,均方差为0.873;模拟的5 cm土壤温度值与实测值的相关系数为0.944,均方差为0.891。在高原地区能量平衡分量的模拟中,净辐射、感热模拟效果较好,潜热分量模拟值偏大,故将CoLM模式用于高原地区还有待进一步改进。     

CoLM模式对青藏高原中部BJ站陆面过程的数值模拟

利用公共陆面模式Common Land Model(CoLM)及"全球协调加强观测计划之亚澳季风青藏高原试验"(CAMP/Tibet)中那曲地区Bujiao(BJ)站2002—2004年的观测资料对该地区进行了单点数值模拟试验。通过比较模拟与观测的地表能量通量,表明CoLM较成功地模拟了该地区的能量分配。模式对向上的短波辐射、向上的长波辐射、净辐射及土壤热通量模拟得较好,但冬季存在偏差。进一步比较了模拟和观测的土壤温度及土壤湿度,发现浅层60 cm土壤温度模拟较好,深层存在偏差,表现为土壤温度变化滞后于实际变化。土壤湿度总体偏小,尤其是冬季冻结期,土壤冻融过程中忽略了土壤液态水在温度0℃以下仍能存在,含冰量模拟偏高。     

基于CoLM模型的根分布对陆-气水热交换的影响研究:以玉米农田为例

利用2007—2008年辽宁锦州玉米农田生态系统野外观测站资料,基于CoLM模型对玉米根分布在陆-气水热通量模拟中的影响进行研究,结果表明:模型模拟性能随年际气象条件的差异而不同,与2007年相比,2008年生长季内降水偏多,感热和潜热模拟精度明显提高;决定根分布形态的50%和95%根总量土层深度(d50和d95)两个参数中,d50比d95敏感;根分布对土壤湿度的影响在极端干旱条件下很小,在一定土壤湿度范围内随土壤湿度及土层深度的增大而减小;在水汽通量各分量中,植物蒸腾受根分布影响最大,其次是土壤蒸发,而叶片蒸发不受影响;根分布对潜热和感热模拟的影响随土壤湿度增大而减小。     

青藏高原那曲地区冻融过程的数值模拟研究

利用中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站冻融期(2013年3月1日至6月1日)的气象和土壤观测资料,通过陆面模式Co LM对那曲地区土壤冻融过程进行了数值模拟。模拟结果表明,Co LM模式对土壤温度、感热通量和潜热通量的模拟与观测较吻合,但对土壤湿度的模拟偏差较大,而模式冻融参数化方案的不足是造成这一较大偏差的主要原因。根据热力学平衡下土壤水势与温度之间的关系以及Clapp-Hornberger经验公式对冻融参数化方案进行了优化,优化冻融参数化方案后,模式能够更真实地模拟出土壤冻融过程特征,尤其是对土壤湿度偏低的现象改进较大。     

霰粒子参数对强对流云降水和催化影响的数值模拟研究

本文利用三维对流云AgI催化模式, 开展了霰粒子密度和落速参数的敏感性模拟试验, 以研究高凇附度时霰粒子参数的选取对催化模拟结果的影响。敏感性试验中对七个霰微物理过程进行了调整。分析发现改变霰落速参数和霰密度, 可以引起3小时模拟的总降水量增加4.9%。催化后改变了敏感性试验中霰落速和上升气流的配置, 并影响到霰碰并云水和冰晶的过程, 及霰融化成雨水的过程。在高凇附度云中如果只增加霰密度而没有增加相应的落速系数, 将使云中霰含量大幅增加。霰参数也影响了自然云和催化云的降水效率。过量催化使得催化云的降水效率低于自然云。增加霰密度的同时也增加霰落速系数, 将使其降水效率高于对照试验, 从而影响催化效果。在高凇附度云中采用大密度和较大下落系数, 并且利用比数浓度平均落速计算霰粒子比数浓度的下落过程, 会使催化效率从25%减少到15%, 极大地改变催化效果。所以在高凇附度的暴雨个例中, 应当采用高霰密度和相应的高霰落速, 否则减雨的催化效果将会被大幅夸大。     

青藏高原地区不同下垫面陆面过程的数值模拟研究

利用陆面过程模式Common Land Model(CoLM),选取青藏高原上3个不同下垫面观测站(藏东南站、纳木错站和珠峰站)的观测资料,对这3个野外观测站进行了单点数值模拟试验。根据3个测站的试验数据,对模式中土壤孔隙度和饱和导水率进行了优化,针对青藏高原地区土壤层薄的特点,对模式中土壤分层方案进行了调整。结果表明,调整分层方案后的CoLM模式对3个测站土壤湿度的模拟性能较原分层方案有明显提高,平均偏差均减小0.014以上。但是与观测值相比,藏东南站土壤湿度的模拟整体偏低,纳木错站和珠峰站则整体偏高。对土壤温度而言,3个测站模拟与观测的相关系数都达到了0.9以上,珠峰站偏差较大,调整分层方案后模拟的偏差有一定的改进。模式较好地模拟了3个测站的净辐射、感热通量和潜热通量的日变化和季节变化情况,调整分层方案后潜热通量的改进最为明显。     

风沙运动的欧拉双流体模型参数灵敏度分析

由于欧拉双流体模型的风沙流数值计算涉及的参数非常繁多,模型参数的选取会对计算结果产生很大影响。文中从欧拉双流体模型的基本方程出发,确定了11个模型关键参数,并给出其合理取值范围。进一步基于Morris灵敏度分析法,采用Fluent软件研究了参数不确定度对输沙率饱和值的影响,度量了各参数的重要性及其相互作用大小。计算结果表明,沙粒相直径和沙床最大堆积率是对输沙率饱和值有较大非线性影响的参数,且与其他参数之间存在一定的交互作用。镜面系数与颗粒拟温度是灵敏度较小的线性参数,且与其它参数之间基本不存在交互作用。     

鄂西山区中小流域水文模拟及参数敏感性分析

针对古洞口水库流域的暴雨洪水过程,利用新安江水文模型开展了水文模拟试验,结合确定性系数、洪峰流量相对误差、峰现时差等指标对模拟结果进行评定,并以该流域为例进行参数敏感性分析,分别基于确定性系数、洪峰流量相对误差、峰现时差为评价指标,对模型参数敏感性进行定量分析,确定了关键敏感性参数,为优化模型结构及评估模型应用可靠性提供参考依据。     

SCE-UA算法优化土壤湿度方程中参数的性能研究

借助于一维土壤湿度模型,分别将土壤成份和土壤性质相关参数作为待优化的参数,通过观测系统模拟试验的方式,评估SCE-UA (Shuffled Complex Evolution Algorithm) 优化算法对这些参数的优化效果。结果表明:优化的效果不仅依赖于参数的取值范围,还依赖于参数的敏感性,敏感的参数通过优化算法易得到最优值;不敏感的参数存在“不敏感区间”,在“不敏感区间”中易陷入次优,通过缩小参数优化分布区间和增加优化的次数可以部分提高优化的效果。此外,模型的超定性也可能导致参数次优值的出现,而通过恰当地给出参数之间的约束条件和优化判据,可以提高参数优化的效果。     

三类陆面模式模拟土壤湿度廓线的对比研究

针对不同陆面模式对土壤湿度方程求解方法以及对土壤分层结构的差异, 本文选取了三类陆面模式（CLM, CABLE和ECMWF陆面模式）作比较研究。为了避免不同模式参数化方案引起的上边界误差, 上边界采用固定蒸发率、 入渗率和固定表层土壤湿度三类边界条件。土壤分层采用101层（细网格）和11层（粗网格）两种, 并考虑土壤性质沿深度变化。结果表明： 当土壤性质均匀时, 求解的差别主要在第三类边界条件下CLM 求出的水分入渗速度比其它两种快; 改用粗网格后由于土壤深层厚度加大无法与细网格得出的土壤湿度廓线相重合。当土壤性质非均匀时, 模拟结果间差别加大, 只有ECMWF模式模拟的土壤湿度廓线是严格连续的。对于模式和上边界的不同组合, 粗、 细网格模拟结果间均方根偏差不一致。一般而言, CABLE模拟的偏差除第一类条件较小外, 其它都是最大的。第二三类边界条件引起的偏差较大, 第一类最小。上述结果提示我们, 在比较不同陆面模式以及用观测资料来检验模拟结果时应充分考虑土壤分层及土壤性质非均匀性的可能影响。     

Evaluation of Land Surface Scheme SABAE-HW in Simulating Snow Depth,Soil Temperature and Soil Moisture within the BOREAS Site,Saskatchewan

The Soil Atmosphere Boundary, Accurate Evaluation of Heat and Water (SABAE-HW) model is a multilayered, one-dimensional, physically based version of the Canadian Land Surface Scheme (CLASS) and uses the same methodologies as CLASS, version 2.6. SABAE provides an improved interface for groundwater modelling to simulate soil moisture, soil temperature, energy fluxes and snow depth for a wide range of soil and vegetation. This paper reports the results of the first field comparison of SABAE-HW using an extensive ten-year dataset from the Boreal Ecosystem Atmosphere Study (BOREAS) and the Boreal Ecosystem Research and Monitoring Sites (BERMS) project, an area in central Saskatchewan, Canada, rich in terms of hydrological and meteorological data. The model is also independently tested and verified with the Simultaneous Heat and Water (SHAW) model, which is an unsaturated-zone transport model. Two boundary conditions are considered at the bottom of the soil profile: a water table boundary condition and a unit gradient boundary condition. There was substantial agreement between the results of the simulations and observations in terms of snow depth and soil temperature. Snow depth and soil temperature were simulated reasonably well by SABAE, with correlation values of 0.96 and 0.98, respectively. However, there were some discrepancies for simulated soil temperature in winter. General agreement was obtained in terms of unfrozen soil moisture results, especially at greater depths, but there were general similarities in observed and simulated soil moisture trends in winter. An average correlation of 0.55 was found for SABAE while the correlation for SHAW was much smaller (less than 0.30), which indicates a better fit between simulated and field data by SABAE. Although a unit gradient boundary condition does not influence soil moisture, it was found that unit gradient boundary runs resulted in increased bias towards overestimation of the soil temperature. Thus, a safer and more accurate approach, we believe, is to adopt a first type boundary (i.e., water table) condition at the bottom of the domain. This has implications for climate and weather modelling in general. The result of this field testing demonstrated the potential and high accuracy of SABAE-HW as a Canadian model capable of simulating snow depth, snow temperature, soil moisture, energy fluxes, and we believe it is now appropriate to include this land surface scheme with its counterparts.

R ésumé ?[Traduit par la rédaction] Le modèle Soil Atmosphere Boundary, Accurate Evaluation of Heat and Water (SABAE-HW) est une version multicouche, à une dimension, basée sur la physique du schéma CLASS (Canadian Land Surface Scheme) qui utilise les mêmes méthodologies que le CLASS version 2.6. Le SABAE offre une interface améliorée pour la modélisation des eaux sous-terraines permettant de simuler l'humidité du sol, la température du sol, les flux d'énergie et l'épaisseur de la neige pour une grande variété de sols et de végétation. Cet article présente les résultats de la première comparaison terrain du SABAE-HW en utilisant une base de données étendue de dix ans de l'Étude de l'atmosphère et des écosystèmes boréaux (BOREAS) et du projet des Sites de recherche et de surveillance des écosystèmes boréaux (BERMS), une région du centre de la Saskatchewan, au Canada, riche en données hydrologiques et météorologiques. Le modèle est aussi indépendamment testé et vérifié à l'aide du Simultaneous Heat and Water (SHAW), un modèle de transport en zone non saturée. Deux conditions aux limites sont supposées au fond du profil du sol : une condition aux limites de nappe phréatique et une condition aux limites de gradient unitaire. On a trouvé une concordance importante entre les résultats des simulations et les observations en ce qui a trait à l'épaisseur de la neige et à la température du sol. L'épaisseur de la neige et la température du sol ont été raisonnablement bien simulées par le modèle SABAE, avec des corrélations de 0,96 et 0,98, respectivement. Cependant, il y avait certaines divergences pour la température simulée du sol en hiver. Pour ce qui est des résultats concernant l'humidité du sol non gelé, ils s'accordaient généralement, surtout pour les plus grandes profondeurs, mais il y avait des similarités générales dans les tendances observées et simulées de l'humidité du sol en hiver. Nous avons trouvé une corrélation moyenne de 0,55 pour le SABAE alors que la corrélation pour le SHAW était beaucoup plus faible (0,30), ce qui indique un meilleur ajustement des données simulées aux données de terrain pour le SABAE. Même si une condition aux limites de gradient unitaire n'influence pas l'humidité du sol, il ressort que des passes faites avec un gradient unitaire aux limites ont produit un biais accru vers la surestimation de la température du sol. Donc, nous croyons qu'une approche plus sûre et plus précise serait d'adopter une condition aux limites de Dirichlet (c.-à-d. une nappe phréatique) au fond du domaine. Ceci a des répercussions sur la modélisation du climat et du temps en général. Le résultat de cet essai sur le terrain a démontré le potentiel et la grande exactitude du SABAE-HW en tant que modèle canadien capable de simuler l'épaisseur de la neige, la température du sol, l'humidité du sol et les flux d'énergie et nous croyons qu'il est maintenant approprié d'inclure ce schéma de surface avec ses contreparties.     

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。     

A Variational Method for Estimating Near-Surface Soil Moisture and Surface Heat Fluxes

A variational data assimilation method is proposed to estimate the near-surface soil moisture and surface sensible and latent heat fluxes.The method merges the five parts into a cost function,i.e.,the differences of wind,potential temperature,anti specific humidity gradient between observations and those computed by the profile method,the difference of latent heat fluxes calculated using the ECMWF land surface evaporation scheme and the profile method,and a weak constraint for surface energy balance.By using an optimal algorithm,the best solutions are found.The method is tested with the data collected at Feixi Station (31.41°N,117.08°E) supported by the China Heavy Rain Experiment and Study (HeRES) during 7-30 June 2001.The results show that estimated near-surface soil moistures can quickly respond to rainfall,and their temporal variation is consistent with that of measurements of average soil moisture over 15-cm top depth with a maximum error less than 0.03 m~3 m~(-3).The surface heat fluxes calculated by this method are consistent with those by the Bowen ratio method,but at the same time it can overcome the instability problem occurring in the Bowen ratio method when the latter is about-1.Meanwhile,the variational method is more accurate than the profile method in terms of satisfying the surface energy balance.The sensitivity tests also show that the variational method is the most stable one among the three methods.     

中子仪测定土壤湿度田间标定方法初探

《农业气象观测规范》规定：应用中子仪测定土壤湿度前必须进行田间标定，在实践中发现其标定方法时间局限性强，工作难度大，且存在客观误差，而采用分段标定时间，改变标定地点的方法，有效地解决了上述不足。     

Evaluating the Capabilities of Soil Enthalpy,Soil Moisture and Soil Temperature in Predicting Seasonal Precipitation

Soil enthalpy(H) contains the combined effects of both soil moisture(w) and soil temperature(T) in the land surface hydrothermal process. In this study, the sensitivities of H to w and T are investigated using the multi-linear regression method.Results indicate that T generally makes positive contributions to H, while w exhibits different(positive or negative) impacts due to soil ice effects. For example, w negatively contributes to H if soil contains more ice; however, after soil ice melts,w exerts positive contributions. In particular, due to lower w interannual variabilities in the deep soil layer(i.e., the fifth layer), H is more sensitive to T than to w. Moreover, to compare the potential capabilities of H, w and T in precipitation(P) prediction, the Huanghe–Huaihe Basin(HHB) and Southeast China(SEC), with similar sensitivities of H to w and T,are selected. Analyses show that, despite similar spatial distributions of H–P and T –P correlation coefficients, the former values are always higher than the latter ones. Furthermore, H provides the most effective signals for P prediction over HHB and SEC, i.e., a significant leading correlation between May H and early summer(June) P. In summary, H, which integrates the effects of T and w as an independent variable, has greater capabilities in monitoring land surface heating and improving seasonal P prediction relative to individual land surface factors(e.g., T and w).     

中国区域多源土壤湿度数据的比较研究

利用中国区域1992~2010年的土壤湿度观测资料,对欧洲航天局(European Space Agency)的卫星遥感反演(以下简称ESA)和欧洲中期天气预报中心(European Centre of Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)的ERA-Interim(ECMWF Reanalysis-Interim,以下简称ERA)两套再分析土壤湿度数据在典型区域的可靠性进行了评估。结果表明:两种土壤湿度均能较好的描述观测区域的总体土壤干湿变化,但均值和趋势一致性存在时间和空间差异。ESA、ERA资料都能较好的描述中国区域春、夏、秋3个季节土壤湿度的干、湿分布格局。在干湿程度上,ESA在北方地区较观测偏干,在江淮和西南较观测偏湿;ERA在北方和西南地区较观测偏湿,在江淮较观测偏干;在江淮、华北部分区域,ERA与观测数据的相关性要高于ESA。ESA、ERA与观测在秋季时相关性最好(大部分站点大于0.7);在全国大部分区域,ESA偏差要小于ERA且在大部分地区都表现出与观测一致的变化趋势。在空间上,ERA在东北、华北、西南变干的范围明显大于观测;然而,ERA能更好的体现观测土壤湿度的年际变化。相对于西部地区,东部地区ERA与观测的一致性最好,而ESA在受降水、植被、地形等因素影响较小的时段或区域与观测的一致性更好,对秋季土壤湿度的描述比春、夏季更准确。