土壤湿度观测、模拟和估算研究

总结土壤湿度的观测手段和土壤湿度数据集建立的现状,详细阐述与土壤湿度模拟有关的方程离散化求解、物理和生化过程、陆面过程模式比较和陆面模式参数优化等方面的研究进展;综述估算土壤湿度廓线的数据同化方法,仔细比较集合卡曼滤波(EnKF)和四维变分(4-D Var)2类目前流行的同化算法,并对估算土壤湿度廓线的研究工作进行全面评估;最后,对土壤湿度观测、模拟和同化中需继续努力的方向进行了思索和展望。     

陆面水文过程研究综述

在简单介绍陆面过程模式发展的基础上，从裸土蒸发、植被蒸散、土壤水传输、排水和径流等五个方面详细综述了陆面模式研究中对水文过程的参数化。目前陆面参数化方案中仍存在很大的不确定性，其中陆面水文过程参数化的关键问题包括：土壤分层、土层厚度、根带分布；参数的代表性和移植；观测资料；径流的参数化。分析了径流在陆面模式中的重要性，及目前陆面模式中对径流参数化存在的不足，介绍了部分陆面模式对径流的模拟研究，讨论了未来工作的研究重点。     

陆面模式中土壤冻融过程参数化研究进展

土壤冻融过程在寒区水文和气候系统中有着重要作用。陆面模式中土壤冻融过程的参数化对模式的设计和模拟结果有着关键作用。通过对广泛应用的Bucket，SIB，BATS，VIC，BEAS， LSM等几种主要的陆面模式中的冻融过程参数化方案进行了总结和比较。首先，详尽地描述了土壤冻融与气候变化的数值模拟研究，总结和评述了土壤冻融过程对气候变化的作用。其次，对几种主要的陆面过程模式在土壤水热参数化方案中对冻融过程的考虑及其特点进行了比较和讨论。还对冻结深度和冻结周期的预报模式进行了简介，最后对该领域当前面临的主要研究问题进行了探讨和阐述。     

土壤湿度与气候变化关系的研究进展与展望

总结和分析了土壤湿度与气候变化关系研究的现状和存在问题。首先,详尽的描述了土壤与气候变化关系的数值模拟研究,在总结和评述土壤湿度对气候变化作用的同时,对与土壤湿度变化有关的陆面模式的类型和三种蒸发的计算公式进行了详细的讨论。     

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。     

土壤湿度遥感估算同化研究综述

土壤湿度是影响气候的至关重要的变量之一。利用数据同化方法反演大规模高精度土壤湿度数据是目前土壤水分研究的一个重要方向。结合国内外土壤湿度遥感估算研究现状,总结了土壤水分同化算法主要应用进程,梳理了目前实现土壤水分反演且应用广泛的陆面过程模型,Noah模型、通用陆面过程模型CLM、简单生物圈模型Si B2、北方生产力模拟模型BEPS,介绍了大范围卫星土壤水分数据集,包括陆面同化系统数据集、ASCAT数据集、AMSR-E数据集及SMOS数据集,最后探讨了遥感土壤水分同化过程中存在的问题及发展方向。     

大气水文模式耦合研究综述

首先阐明大气水文模式耦合的必要性,总结作为二者耦合的共同界面——陆面模式的发展过程。在此基础上,从耦合研究方法和目的出发,分4个类别详细论述当前国内外大气水文模式耦合研究的现状。指出了单向耦合不足和进行双向耦合所面临的几个关键问题包括：尺度问题、次网格分布非均匀性、降水模拟等。未来要求充分利用“3S”、四维变分同化等新技术和新方法,加强多学科的联合研究,深入开展大气水文模式的双向耦合试验和敏感性分析,研究大气—植被—土壤—水文系统的交互影响,从根本上提高大气和水文模式的模拟和预报水平。     

西北干旱区陆-气相互作用试验(NWC-ALIEX)及其研究进展

简要阐述了国家重点基础研究发展规划项目“我国重大气候和天气灾害形成机理和预测理论的研究”支持的“我国西北干旱区陆—气相互作用野外试验（NWC ALIEX）”的科学意义、试验方案和科学目标,总结了该试验在最近几年取得的部分研究进展和研究成果,概括叙述了该项目在地表辐射平衡和热量平衡、总体输送系数、陆面过程参数、湍流通量参数化和地表水分循环以及陆面过程模式的改进和陆面过程的模拟等许多方面的重要发现和一些新的认识。最后,提出并讨论了在干旱区陆面过程方面需要进一步研究和思考的一些重要科学问题。     

陆面过程与天气研究

陆面作为大气运动的下边界,通过动量、热量及物质交换与大气发生复杂的相互作用。陆面过程被认为是影响天气气候的关键过程之一。关于陆面过程对气候的影响已经开展了大量较为深入的研究,相比之下,针对陆面过程对天气的影响研究并没有受到足够的重视。近年来,陆面过程与天气研究也开始受到了越来越多的关注。本文从陆面基本要素、下垫面构成、陆面诱发的局地环流3个方面,回顾了土壤湿度、地形、土地利用、山谷-平原环流等要素和过程对强对流、暴雨、台风、高温热浪等天气事件影响研究的相关进展,以期为今后的研究提供参考。需要指出,尽管此方面的研究已取得了一定进展,但关于陆面过程对天气,尤其是极端(高影响)天气的影响及机制还有待深入研究,进而从陆面过程的角度来理解重要天气形成、发生和发展的机理,从而为数值模式发展和天气预报业务提供更有力的科学支撑。     

青藏高原融冻过程中能量和水分循环的模拟研究

采用与先进陆面模式耦合的区域气候模式WRF V3.1,利用NCEP/DOE再分析资料作为驱动场,对青藏高原东北部1 998年5-7月进行模拟.首先,对模拟区降水、感热和潜热通量的空间分布进行了检验,结果表明WRF模式能够合理且较好的模拟出高原东北部降水、感热和潜热通量的空间分布状况.通过对融冻过程中土壤温、湿度及水文要...     

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。     

不同陆面方案对降水模拟的影响

基于区域气候模式RegCM4.0(Regional Climate Model 4.0),分别选取BATS(Biosphere Atmosphere Transfer Scheme)和CLM(Community Land Model)陆面方案,对2001-2005年中国的气候状况进行模拟,并将模拟结果与CRU(Climatic Research Unit)及GPCP(Global Precipitation Climatology Project)降水资料进行对比,研究不同陆面方案对降水模拟的影响。结果表明:在两种陆面方案下,区域气候模式均较合理地模拟出了中国降水的空间分布、时间变化;模拟降水对陆面方案敏感,RegCM_BATS总体上表现为正偏差,在东北区域的模拟偏差较大;RegCM_CLM表现为负偏差,在长江以南区域的模拟偏差较大;模拟结果的偏差在夏季较大,冬季较小;两模式模拟结果间的差异在空间上由东南向西北减少;两模式均较准确地模拟了不同强度降水出现频率的分布形势,总体上RegCM_CLM模拟低强度降水偏多;高强度降水偏少,而RegCM_BATS模拟低强度降水偏少,高强度降水偏多;不同陆面方案对地表蒸发量以及地表潜热通量模拟的差异是导致模拟降水差异的主要原因,夏季地表蒸发对降水的影响较冬季更强;水汽平流输送对两模式模拟降水差异的影响较小。     

区域尺度近地表气候要素驱动数据研制的研究综述

区域和流域尺度的陆面、水文和生态模拟与同化,都需要高分辨率的大气近地表层风、温、压、湿、辐射、降水等资料作为驱动。介绍了流域尺度驱动数据的重要性,对现阶段大气驱动数据的制备方法进行评论,总结了降水、辐射、气温和其他近地表要素的若干产品,探讨了北美陆面数据同化系统、全球陆面数据同化系统、欧洲陆面数据同化系统和中国西部陆面数据同化系统中大气驱动数据的研究思路和研究成果,最后提出了现阶段制备流域尺度驱动数据存在的问题,并针对中国西部复杂地形的高时空分辨率驱动数据制备提出一些看法。     

青藏高原土壤湿度-气候相互影响研究进展

土壤湿度作为一个具有“记忆性”的重要气候变量,可以通过改变地表的能量和水分交换,进而影响局地乃至全球的大气环流,因此受到全球气候观测系统计划的重视。近年来青藏高原土壤湿度观测网（站）建设发展迅速,为局地陆气相互作用研究提供了可靠的数据支撑。本文从不同的土壤湿度资料在青藏高原的适用性、高原土壤湿度的时空变化特征及其对气候的影响综述了近年来的国内外研究进展。由于土壤湿度在时空上的高度变异性,现有相关研究大多使用再分析资料、陆面数据同化资料和卫星遥感数据来补充观测资料进行青藏高原土壤湿度与气候的相互影响研究。但模式选择、算法和实验方案的不同,导致青藏高原土壤湿度的补充资料适用性不同,使得前人对高原土壤湿度如何影响中国及全球气候得出不同结论,故相关问题需要进一步讨论,并提出了后期青藏高原土壤湿度研究需要解决的关键问题。     

珠江流域大尺度陆面水文耦合模式的构建及应用

以珠江流域为研究对象,通过更新陆面水文模式所需的下垫面参数数据库,建立适合于珠江流域的大尺度陆面水文耦合模式系统,并利用该模式开展了1963~2006年流域水文水循环过程的数值模拟,通过与实测流量比较,系统考察了陆面水文耦合模型对珠江流域水循环各分量的模拟性能。分析结果表明,该陆面水文耦合模式对珠江流域年平均各水循环要素具有良好的模拟能力;模式对珠江流域干流主要控制水文站的月平均流量也有较高的模拟精度,模式模拟的水量平衡系数均接近1,相关系数均高于0.84,IOA相似度系数均高于0.9;相对而言,模式对流量峰值的模拟能力还有待提高。     

干旱区陆面过程和大气边界层研究进展

干旱区陆面过程和大气边界层不仅与气候、生态、水资源密切相关,而且影响我国气候格局和东亚大气环流,是一个十分重要的研究领域,近20多年已取得了比较系统的研究进展.从干旱区陆面热力和水分过程特征、干旱区大气边界层结构特征、干旱区陆面过程参数及其参数化公式、非均匀下垫面大气边界层理论、干旱城市大气边界层特征与污染机理等方面归纳总结了干旱区陆面过程和大气边界层领域取得的部分研究进展.并且,认为科学试验的代表性、复杂下垫面的影响、尺度转化、地表能量不平衡、极端天气过程的相互作用、水分过程的复杂性等问题是干旱区陆面过程和大气边界层研究领域的突出问题和未来研究重点.     

气候模式中关键陆面植被参量遥感估算的研究进展

卫星遥感资料对于改善气候模式的强迫场,改进相关物理参数,提高数值模式模拟的准确性具有重要作用。目前,全球已经积累了多年的卫星遥感资料,并且已有多种陆面参量遥感产品。然而,卫星遥感资料在气候模式中的应用还非常有限。充分利用卫星遥感资料,对于提高气候模式模拟能力具有重要作用。选择植被覆盖度(Fractional Vegetation Cover,FVC)、叶面积指数(Leaf Area Index,LAI)和地表反照率(Albedo)3个关键陆面参量的遥感估算方法进行评述,并分析了陆面参量真实性检验的尺度转换问题,还以WRF(Weather Research and Forecasting model)为例,阐述了遥感估算的陆面参量应用于模式的表达方式。最后讨论了关键陆面参量遥感估算的不确定性和遥感参量应用于气候模式的尺度匹配等亟待解决的问题,并对这些问题的未来改进方向进行了展望。     

降水临近预报及其在水文预报中的应用研究进展

随着全球气候变化、自然变迁及陆表生境改变,极端天气频发且呈现出多尺度时空变异特征,对其进行预报和预警一直是气象水文领域关注的焦点。临近预报可较准确地预报未来短时间天气显著变化,是当前预报强降水等极端事件的主要手段。从基于天气雷达0~3 h外推临近预报、融合数值模式0~6 h临近预报的发展历程梳理了临近预报的研究进展,阐述了雷达外推算法的发展进程、雷达外推预报与数值模式预报融合技术进展,指出"取长补短"的0~6 h融合预报在提高降水预报精度、延长降水预见期等多方面有较大的发展潜力,进一步探寻及提升融合技术是未来融合预报发展的核心。将临近预报以气象水文耦合的方式引入水文预报是从源头提高水文预报精度、保障水文预报效果的主要途径,总结了现阶段主流耦合方式、空间尺度匹配技术、水文模型不确定等陆气耦合中的关键问题,阐述了外推临近预报、融合临近预报作为水文预报输入的研究进展,明确了融合临近预报在延长洪水预见期、提高洪水预报精度中存在优势,并讨论了未来的研究重点及发展方向。     

Stefan方程在土壤冻融过程模拟中的应用

多年冻土与大气间的相互作用主要是通过活动层中的水热动态变化过程而实现。气候变化背景下的多年冻土活动层冻融过程模拟、多年冻土厚度制图和变化预测是研究冻土区生态环境、水文、工程以及碳循环的基础。根据国内外研究进展,总结了不同修正形式的Stefan方程在多年冻土活动层冻融过程和活动层厚度模拟中的应用进展,对将Stefan方程应用到分层堆积土壤中的不同算法进行了简要介绍,并指出了其在应用过程中存在的问题。Stefan方程首次将地表（或者大气）温度的变化与冰层（或者土层）的冻结融化过程以简单公式的形式联系起来,极大地简化了土壤冻结融化过程的分析计算。由于其输入参数少、形式简单、模拟效果可靠,成为常用模拟土壤冻融过程的方法之一,将其耦合到气候模型、陆面模型和水文模型中的研究也越来越多。Stefan方程最初在研究北极地区湖冰形成过程时提出,在应用到冻土学中后,不同学者在考虑土壤含水量、不同下垫面地气温差、地形和降水等因素后对方程进行了改进,并有多种算法试图将这一方程应用到非均质土壤中,取得了较好的模拟效果。但是,Stefan方程在国内的应用更多地用于简单模拟均质土壤多年冻土活动层厚度的空间分布状况,其应用到非均质土壤中的研究却较少。因此,未来需更深入研究Stefan方程模拟分层土壤的冻融过程,为准确掌握多年冻土对气候变化的响应研究提供最基本的方法。     

水文模型系统在峨嵋河流域洪水模拟中的应用

研究目的是采用水文模型系统(HMS)模拟峨嵋河流域暴雨水文过程,并为长江上游地区气候和水文响应研究提供可靠的信息。HMS是一种分布式水文模型可用于研究各种气候因子和地表覆盖变化而引起的水文过程响应,该系统(HMS)利用气象、土壤类型、土地利用和地表覆盖、数字高程(DEM)和降雨径流等资料,研究气候、陆面、地表水和地下水的相互作用机理。在本次研究中,采用SCS Curve Number(CN)和Green-Ampt(GA)方法来计算径流过程,用GIS来数字化DEM、土壤、土地利用和陆地覆盖数据。通过用不同时间间隔的降雨和不同计算方法的水力参数模拟水文过程,来检验降雨的时间尺度效应和水力参数的空间变异性对水文过程的影响。结果表明,HMS对峨嵋河流域暴雨洪水的模拟及预测具有较好的适用性。