基于CLM3模拟的中国区域陆地水资源分析

利用NCAR公用陆面模式CLM3（Community Land Model 3）模拟的土壤和植被蒸发量,分析中国区域水资源的气候特征及变化特点。总蒸发量的空间分布以35°N为界,分界线以南为高蒸发区,以北为低蒸发区;蒸发量最小的区域主要在西北地区,多年平均年蒸发量在50mm以下。四季蒸发量占年总蒸发量的百分比与水资源的情形基本一致,夏季蒸发量占年总蒸发量的40％以上,35°N以北地区可达50％以上,有些地区甚至达到70％;春季和秋季情况类似,占年总量的20％左右;冬季最少,占年总量的10％,北方地区更少。水资源线性变化趋势,35°N以北大部地区水资源呈减少趋势;其它地区,如长江以南地区、青藏高原的水资源都在增加。     

全球陆地降水初步分析

英国东安哥拉大学气候研究中心（CRU）Hulme博士最新的1900－1998年的全球降水量资料是目前年代最长的，对此格点资料进行了较全面的分析，提出季风区是降水变化率最大的地方，还给出了从该资料中读取全球几个著名的季风区降水量的方法；指出了所读资料的可靠程度；计算与分析了近百年全球陆面1月、7月降水序列，指出7月份降水无明显趋势，1月份降水有弱的上升趋势，序列中存在明显的2－7a、13a和20a左右的周期，为进一步使用该资料提供依据。     

植被覆盖度算法对中国区域WRF模拟的影响

利用MODIS NDVI资料,采用线性(GI方法)和非线性(CR方法)两种方法计算中国区域植被覆盖度,并利用WRF模式模拟了2006年7月中国区域气象场,对比分析了这两种植被覆盖度算法对WRF模式模拟结果的影响。结果表明,在半干旱区,两种方法计算的植被覆盖度差异较大,在该区域的模拟结果差异明显;而在干旱区和湿润区两种算法计算的植被覆盖度差异相对较小,模拟结果差异也相对较小。采用GI方法计算的植被覆盖度,模拟的中国区域近地面平均气温和最高气温与观测值的偏差较小,而采用CR方法计算的植被覆盖度,模拟的最低气温偏差较小,同时能更准确的模拟夏季高温天气。与GI方法相比,CR方法能更准确的模拟出降水的平均值、逐日变化和空间分布特征。不同区域两者模拟性能存在一定差异,总体上采用CR方法得到的植被覆盖度,WRF模式对温度和降水的模拟效果会有所改进。     

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     

试论气候变化对我国水资源的影响

从水文系统的降水、蒸发、径流和土壤水分及水资源系统供水、需水和水资源管理等方面综述了区域水文水资源对气候变化的响应，提出了作者的看法。     

基于CLM3模拟的中国区域陆地水资源分析

针对2007年7月30日发生在山西省南部的区域暴雨局部特大暴雨天气过程,利用多种资料,计算了多种物理量,分析了其演变特征,指出a)前期500 hPa阻塞高压和切断低压的形成和长期维持以及副热带高压的稳定加强、维持,是造成山西大范嗣降水和区域暴雨天气的特殊环流背景.b)特殊背景下形成的MCS是造成此次南部区域暴雨的直接影响系统,强烈而持续的水汽夹卷作用、对流层高层强抽吸作用使得MCS维持和加强.c)地形性辐合的存在使得垂直上升运动加强,而高位势不稳定能量的释放与低层迎风坡面上低云的相互作用,使得MCS不断发展,使雨强出现了3次强烈增幅.     

CLM在淮河流域数值模拟试验

文中利用 1998年HUCEX资料对CommonLandModel(CLM )的模拟能力进行了验证。结果表明 ,CLM不但能够较好地模拟陆 气间各种能量通量 ,而且还能模拟出土壤中温度的时空分布特征。春季 ,CLM对潜热模拟偏高 ,从而引起土壤温度模拟偏低 ;而在夏季 ,潜热模拟偏低 ,在旱地下垫面由于净辐射模拟偏低使土壤温度的模拟仍然偏低 ,水田下垫面的土壤温度模拟趋向合理。夏季的水田无论在对大气的能量输送还是土壤的温度分布上 ,都有其特殊性 ,需在陆面模式中予以特殊的考虑。     

非均匀陆面上区域蒸发（散）研究概况

介绍和评述了非均匀陆面上蒸发研究的传统方法，模拟方法和遥感方法，指出遥感方法在估算非均匀陆地表面区域蒸发量时有独到的作用。     

一个水文模型与区域气候模式耦合的数值模拟研究

在陆面过程方案中考虑精细的水模型有助于改善对区域水及气候的模拟。建立了一个考虑降水及入诊空间非均匀性的水模型，并将其并入陆面过程方案BATS中。通过区域气候模式耦合模拟试验，得到如下主要结论：陆面水的模拟对降水及入渗空间非均匀性的考虑非常敏感；考虑入渗非均匀性后，提高了径流系数，这与湿润地区水分平衡的观测结果更一致；入渗非均匀参数化方案的引入对区域水及气候模拟的影响比降水非均匀参数化方案的引入要大；不透水面积在区域中的考虑所揭示的特征与我国北方干旱化趋势是一致的。     

两种陆面模式对中国区域土壤温度模拟的对比分析

为研究不同陆面模式对中国区域土壤温度的模拟效果,基于中国气象局陆面数据同化系统（CMA Land Data Assimilation System,CLDAS）大气驱动数据分别驱动Noah和Noah-MP陆面模式进行中国区域土壤温度的模拟（简称:CLDAS_Noah和CLDAS_Noah-MP试验）,使用2010—2018年中国气象局2380个土壤温度观测站点10和40 cm观测数据以及美国全球陆面数据同化系统（The Global Land Data Assimilation System,GLDAS）驱动的Noah模式（GLDAS_Noah试验）模拟的土壤温度结果,从空间分布、季节、分区等角度进行了评估,实现了不同驱动数据相同陆面模式和相同驱动数据不同陆面模式的对比分析。结果表明: GLDAS_Noah、CLDAS_Noah和CLDAS_Noah-MP试验均能合理模拟出中国区域土壤温度空间分布,但在量级上有一定差异,主要表现在中国东北、新疆、青藏高原等积雪区。对于相同陆面模式不同驱动数据,均方根误差显示CLDAS_Noah试验在季节与分区上均优于GLDAS_Noah试验,间接表明CLDAS大气驱动数据优于GLDAS大气驱动数据,且大气驱动数据是提高土壤温度模拟精度的重要因素之一;对于相同驱动数据不同陆面模式,总体上CLDAS_Noah-MP试验棋拟效果优于CLDAS_Noah试验,其中CLDAS_Noah试验模拟的10和40 cm深度土壤温度在冬季积雪区误差明显大于CLDAS_Noah-MP试验,可能与Noah-MP模式改进了积雪方案有关,但10和40 cm深度下CLDAS_Noah-MP试验在东北、华北、青藏高原地区对春季土壤温度模拟误差明显大于CLDAS_Noah试验,可能与Noah-MP模式融雪方案有关。总之,本研究对于后续开展土壤温度多模式集成、土壤温度站点资料同化,最终研制中国区域高质量土壤温度数据集具有一定的参考意义。      

Results of a CLM4 Land Surface Simulation over China Using a Multisource Integrated Land Cover Dataset

In this study, the high-accuracy multisource integrated Chinese land cover （MICLCover） dataset was used in version 4 of the Community Land Model （CLM4） to assess how the new land cover information affected land surface simulation over China. Compared to the default land cover dataset in CLM4, the MICL data indicated lower values for bare soil （14.6% reduction）, nee- dleleaf tree （3.6%）, and broadleaf tree （1.9%）; higher values for shrub cover （1.8% increase）, grassland （9.9%）, cropland （5.0%）, glaciers （0.5%）, lakes （1.6%）, and wetland （1.1%）; and unchanged for urban areas. Two comparative CLM4 simulations were conducted for the 33-yr period from 1972 to 2004, one using the MICL dataset and the other using the default dataset. The results revealed that the MICL data produced a 0.3% lower mean annual surface albedo over China than the original data. The largest contributor to the reduced value was semiarid regions （2.1% reduction）. The MICL-data albedo value agreed more closely with observations （MODIS broad- band black-sky albedo products） over arid and semiarid regions than for the original data to some extent. The simulated average sensible heat flux over China increased by only 0.1 W m 2 owing to the reduced values in arid and semiarid regions, as opposed to increases in humid and semihumid regions, while an increased latent heat flux of I W m-2 was reflected in almost identical changes over the whole region. In addition, the mean annual runoff simulated by CLM4 using MICL data decreased by 6.8 mm yr-1, primarily due to large simulated decreases in humid regions.     

基于陆面过程模式CLM4的中国区域植被总初级生产力模拟与评估

植被总初级生产力(Gross Primary Productivity,GPP)决定进入陆地生态系统的初始物质和能量,是陆地碳循环与大气碳库的重要联系纽带。利用陆面过程模式CLM4-CN(Community Land Model version 4 with CarbonNitrogen interactions)模拟和分析中国区域1982~2004年GPP(CLM4_GPP)时空变化特征,并通过与基于观测数据升尺度所得到的MTE_GPP(Model Tree Ensemble,MTE)进行比较,评估CLM4在中国区域GPP的模拟能力,同时探讨了不同土地覆盖资料对GPP的影响。结果表明:(1)CLM4-CN能够较好地刻画中国区域GPP空间分布格局,表现为由东南向西北递减,但在量值上大部分区域尤其是30°N以南地区存在高估,CLM4-CN模拟的GPP多年平均值为13.7 Pg C a-1,而MTE_GPP仅为6.9 Pg C a-1;(2)CLM4-CN可以合理模拟GPP的季节变化(与MTE_GPP相关系数大于0.9),在量值上对温带阔叶落叶林、寒带阔叶落叶林、寒带阔叶落叶灌木、C3极地草地、C3非极地草地和农作物模拟较好(均方根偏差RMSD100 g C m-2 month-1);(3)不同植物功能型CLM4_GPP表现出的年际变率均大于MTE_GPP,仅热带针叶常绿林、寒带阔叶落叶林和C3极地草地的CLM4_GPP与MTE_GPP变化趋势一致;(4)降水是研究时段内控制整个中国区域GPP的主要气候因子,但不同地区存在较大差异;(5)两种不同土地覆盖资料GPP模拟结果的显著差异表明,精确的土地覆盖是准确模拟GPP的重要基础。     

基于HRCLDAS/CLM陆面数据同化系统的青藏高原地区土壤湿度模拟研究

利用最新的高时空分辨率（1 km、1 h）的中国气象局高分辨率陆面数据同化系统（HRCLDAS-V1.0）大气近地面强迫资料,驱动由NCAR发展的通用陆面模式（CLM）,对青藏高原地区2015年1月1日至9月30日的土壤湿度开展了模拟研究。结果表明模拟得到的高时空分辨率（1 km、1 h）土壤湿度能够体现出青藏高原地区从东南向西北逐渐变低的空间分布特征,较好地表现出各层土壤湿度的时间变化特征,6~9月土壤湿度波动较大,1~5月波动较平缓,上层土壤湿度变幅较大,深层变化较平缓。0~5 cm、0~10 cm和10~40 cm深度土壤湿度模拟结果与观测值的相关系数均在0.8以上,其中0~5 cm土层的相关系数达到0.92,各层土壤湿度观测值与模拟值的均方根误差变化则相反,3个土层土壤湿度模拟结果与观测值的偏差均小于0.04 mm3 mm-3,但模式对于研究时段土壤湿度变化的低值有高估现象,且模拟能力随着土层深度的加深而减弱。     

基于CLM4.5的高寒草地辐射收支和水热交换的数值模拟研究

利用那曲高寒气候环境观测研究站本部BJ观测点2014年6-8月的近地层观测资料,结合CLM4.5陆面模型,探究空气动力学粗糙长度、叶面积指数、植被覆盖度和热力学粗糙长度参数化方案的改变对陆面能水平衡的模拟结果产生的影响,并且探讨了粗糙度及植被状态指数影响陆面能水平衡模拟性能的机制.结果表明:(1)CLM4.5默认的热力...     

基于遥感资料的陆面水循环模拟及检验

利用遥感资料和10年逐日气象资料,采用逐步插值方法(SIA),修改VIC-3L(Three-Layer Variable Infiltrat1on Capacity hydrological model)模式中多种覆盖类型蒸发的计算方法,计算植被对地表水循环的贡献.模拟地处南水北调工程水源区的褒河(陕南汉江支流)流域地表水的空间分布,将应用遥感资料与<中国资源环境数据库>资料的模拟结果进行比较,并用实测资料进行检验,结果表明:(1)有效的气候要素空间插值方法,是陆面水循环模拟的基础;(2)4 km分辨率DEM(Digital Elevation Model data)得到褒河流域的河网,与实际状况相吻合;(3)利用VIC-3L模拟褒河流域的陆面水文过程中,水分分量的分布合理,物理成因清晰,量值大小准确;(4)基于遥感资料模拟的地表水平衡分量的空间分布更为合理,尤其是改善了河流流量峰值的模拟;(5)遥感植被类型、叶面积指数较好地反映了实际地表覆盖状况和叶面积指数的季节变化情况.     

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。     

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。     

CLM4.5在西北农牧交错带盐池站的模拟性能评估

农牧交错带具有草地、裸地、农田大面积相互镶嵌的独特下垫面,其地表水热过程变化复杂,亟需深入研究。利用宁夏盐池站2017年实际观测资料,对陆面过程模式CLM4.5的模拟性能进行检验。结果表明,在复杂下垫面下,CLM4.5仍能较好地模拟出草地的地面反射辐射、地面长波辐射和净辐射以及0~10 cm土壤含水量和温度的变化特征,但模拟值与观测值还存在一定偏差。CLM4.5能模拟出辐射通量的日变化特征,除5月外,地面反射辐射模拟值与观测值之间的偏差较小。地面长波辐射模拟值白天偏高,净辐射观测值与模拟值的相关系数为0.99,均方根误差为22.50 W·m^-2。土壤含水量观测值与模拟值的相关系数达0.83,但模拟值偏低,且模式对降雨后土壤含水量变化过程的模拟性能有待提高。土壤温度模拟值的日变化特征较为明显,观测值与模拟值的相关系数为0.98,均方根误差为2.82℃。     

Numerical Simulation Study on the Impacts of Tropospheric O3 and CO2 Concentration Changes on Winter Wheat. Part II: Simulation Results and Analyses

With the rapid development of industrialization and urbanization, the enrichment of tropospheric ozone and carbon dioxide concentration at striking rates has caused effects on biosphere, especially on crops. It is generally accepted that the increase of CO2 concentration will have obverse effects on plant productivity while ozone is reported as the air pollutant most damaging to agricultural crops and other plants. The Model of Carbon and Nitrogen Biogeochemistry in Agroecosystems (DNDC) was adapted to evaluate simultaneously impacts of climate change on winter wheat. Growth development and yield formation of winter wheat under different O3 and CO2 concentration conditions are simulated with the improved DNDC model whose structure has been described in another paper. Through adjusting the DNDC model applicability, winter wheat growth and development in Gucheng Station were simulated well in 1993 and 1999, which is in favor of modifying the model further. The model was validated against experiment observation, including development stage data, leaf area index, each organ biomass, and total aboveground biomass. Sensitivity tests demonstrated that the simulated results in development stage and biomass were sensitive to temperature change. The main conclusions of the paper are the following: 1) The growth and yield of winter wheat under CO2 concentration of 500 ppmv, 700 ppmv and the current ozone concentration are simulated respectively by the model. The results are well fitted with the observed data of OTCs experiments. The results show that increase of CO2 concentration may improve the growth of winter wheat and elevate the yield. 2) The growth and yield of winter wheat under O3 concentration of 50 ppbv, 100 ppbv, 200 ppbv and the based concentration CO2 are simulated respectively by the model. The simulated curves of stem, leaf, and spike organs growth as well as leaf area index are well accounted with the observed data. The results reveal that ozone has negative e ects on the growth and yield of winter wheat. Ozone accelerates the process of leaf senescence and causes yield loss. Under very high ozone concentration, crops are damaged dramatically and even dead. 3) At last, by the model possible effects of air temperature change and combined effects of O3 and CO2 are estimated respectively. The results show that doubled CO2 concentration may alleviate negative effect of O3 on biomass and yield of winter wheat when ozone concentration is about 70-80 ppbv. The obverse effects of CO2 are less than the adverse effects of O3 when the concentration of ozone is up to 100 ppbv. Future work should determine whether it can be applied to other species by adjusting the values of related parameters, and whether the model can be adapted to predict ozone e ects on crops in farmland environment.