陆面模式CLSM的设计及性能检验II.模式检验

利用BOREAS,HEIFE,ARME,GAME-TIPEX等大量的陆面外场观测资料,针对不同类型的陆面过程,对所发展的陆面模式CLSM的性能进行检验.模拟结果与观测资料的对比分析表明:一方面,CLSM能够对积雪变化、干旱/半干旱地区的水热交换等特殊的陆面过程进行合理的描述;另一方面,CLSM对热带雨林地区的植被-大气相互作用、高原地气交换过程同样具有很强的模拟能力.CLSM解决了陆面模式对上述特殊下垫面描述能力有限的实际问题,保证了对特殊下垫面进行合理描述的同时,又保证了对其他不同陆面状况的模拟能力.CLSM改善了陆面模式对全球范围内不同下垫面条件下的陆面过程及地-气交换过程的模拟能力.     

一个区域地气耦合柱状模式的发展及其对半干旱区的模拟

在现有的区域气候模式的基础上构建了用于研究地气耦合模拟的区域柱状模式,其中包括了详细的物理过程,可以作为研究半干旱区地气相互作用过程的工具。通过区域柱状模式与不同陆面模式的耦合,检验了不同陆面模式在非耦合和耦合两种情况下对半干旱区的模拟性能。结果表明,陆面模式在耦合后对感热的模拟偏差放大,而潜热的模拟效果得到了改进,不同的陆面模式对区域柱状模式的模拟性能影响较大,耦合了CoLM后的区域柱状模式对地表气象要素的模拟得到了较大的改进。     

陆面过程模式的研究进展简介

陆面过程是影响大气环流和气候变化的基本物理、生化过程之一。根据陆面过程研究的发展进程,介绍了三代陆面过程模式的不同特点和发展历程,指出在未来陆面方案中,引入光合作用和碳循环,可以更加真实地反映土壤、地表、大气、生物圈相互作用。陆面过程模式发展应该着眼于综合并且动态考虑植被类型变化、光合作用、碳循环和水循环的真实水文生化模型建立,将有效增强对气候变化的研究,提高天气预报模式的准确率。     

应用风云气象卫星及融合降水资料改进地表参数模拟

气象卫星资料不仅对天气、气候研究非常重要, 对于地表参数模拟和预报也具有重要意义。本文首次将全国自动站观测、卫星降水估计和地面观测融合降水资料(CMORPH)以及风云二号D星(FY-2D)积雪覆盖率数据应用到了高分辨率陆面资料同化系统(u-HRLDAS)。融合降水资料用于驱动u-HRLDAS, 同时用于计算雪水当量;积雪覆盖率资料作为u-HRLDAS强迫变量。区域模拟结果表明, 积雪覆盖率对于地表反照率、地表温度以及地气交换通量模拟有极其重要的影响。密云站土壤湿度模拟结果表明, 融合降水资料准确度优于全球陆面资料同化系统(GLDAS)再分析资料。小汤山站单点验证结果表明, 应用融合降水资料及卫星积雪覆盖率资料可以改进地表温度及地气交换通量的模拟。     

IAP94陆面过程模式在淮河流域的验证试验

利用ＩＡＰ９４陆面过程模式对淮河流域不同季节（春、夏、秋）、不同下垫面（旱地、森林、水田）进行了单点数值模拟试验，结果表明ＩＡＰ９４不但能较好地模拟出观测的地气间各种能量通量以及植被的冠层温度，同时还很好地模拟出整层土壤含水量的变化趋势，从而证实了ＩＡＰ９４陆面过程模式具有正确描述东亚半湿润季风区陆气相互作用的能力。另外比较结果还揭示了水田表面强烈蒸发作用的重要性，需要在陆过程模式中予以重视。     

青藏高原单点地气交换过程的模拟试验

利用GAME-Tibet 1998 IOPs的外场观测资料,采用单点陆面过程气柱模式CLSM对青藏高原的昌都(Amdo)站和改则(Gaize)站的地气交换过程进行了模拟试验,模拟结果与观测分析的对比表明：模式对两个站陆面特征的变化和陆气之间的交换给出了比较合理的模拟结果,模拟结果与观测结果较一致。这在一定程度上表明,CLSM模式具有描述夏季高原地区两种不同下垫面陆面状况基本过程的能力。     

简评陆面过程模式

在这篇文章中,阐述了陆面过程对天气,气候和大气环流的影响以及陆面过程模式在大气数值模拟中的重要性;回顾了陆面过程模式的发展历史;分析了一些陆面过程模式之间的主要结构差别;讨论了目前陆面过程模式的发展水平和未来的发展方向;简述了大气中尺度模式与陆面过程耦合的必要性以及当今耦合模式的研究现状。     

CCM3模式中LSM积雪方案的改进研究(Ⅰ):修改方案介绍及其单点试验

为了改进美国NCARCCM3全球模式中LSM陆面模型中的积雪方案的模拟效果,在Sun等[1]SAST积雪模型的基础上,作了部分修改后,加进CCM3模式LSM模型中.该方案根据格点区域平均积雪深度的不同,把地面雪盖划分为1到3层不等,能在积雪表层和中间层更好地描述温度的日变化和季节变化;较详细地考虑了雪的热传导、太阳辐射的穿透吸收、雪的融化、液态水的储存、渗透和再冻结等积雪内部的主要物理过程;根据Nimbus-7卫星实测雪深资料修改了积雪覆盖度和雪面反照率的计算方案.利用前苏联6个台站1978-1983年的实测积雪资料和大气强迫数据,进行了单点模拟试验,结果表明,新的积雪参数化方案能够较好地再现积雪深度和雪水当量的逐日和季节变化特征,部分提高了积雪参数化方案对积雪的模拟能力.     

CCM3模式中LSM积雪方案的改进研究（I）：修改方案介绍及其单点试验

为了改进美国NCAR CCM3全球模式中LSM陆面模型中的积雪方案的模拟效果，在Sun等SAST积雪模型的基础上，作了部分修改后，加进CCM3模式LSM模型中。该方案根据格点区域平均积雪深度的不同，把地面雪盖划分为1到3层不等，能在积雪表层和中间层更好地描述温度的日变化和季节变化；较详细地考虑了雪的热传导、太阳辐射的穿透吸收、雪的融化、液态水的储存、渗透和再冻结等积雪内部的主要物理过程；根据Nimbus-7卫星实测雪深资料修改了积雪覆盖度和雪面反照率的计算方案。利用前苏联6个台站1978—1983年的实测积雪资料和大气强迫数据，进行了单点模拟试验，结果表明，新的积雪参数化方案能够较好地再现积雪深度和雪水当量的逐日和季节变化特征，部分提高了积雪参数化方案对积雪的模拟能力。     

不同初始场及陆面方案对青藏高原中东部积雪消融过程的模拟研究

基于WRF(Weather Research and Forecasting)模式,本研究使用更为准确的气象站点及卫星遥感积雪资料替换初始场中积雪深度、雪水当量等积雪数据,对2014年2月17-27日青藏高原中东部一次积雪消融过程进行模拟研究,评估WRF模式中CLM(Community Land Model)、Noah-LSM(Noah land surface model)和Noah-MP(Noah-Multiparameterization Land Surface Model)3种陆面过程方案对该次积雪消融过程的模拟性能。结果表明：3种陆面过程方案均能较好地再现2 m气温、积雪深度和反照率的日变化趋势,但各试验模拟效果有一定差异。气象站点及卫星遥感积雪资料作为初始场时,CLM陆面过程方案模拟的2 m气温平均误差最小,为0.002℃;Noah-LSM陆面过程方案中2 m气温均方根误差（4.01℃）和平均绝对误差（3.30℃）最小,但昼夜温差较观测显著偏小;同时CLM陆面过程方案模拟的积雪深度均方根误差、平均误差和平均绝对误差均最小,分别为4.70 cm、-1.25 cm和2.75 ...     

An Updated Coupled Model for Land-Atmosphere Interaction. Part I： Simulations of Physical Processes

A new two-way land-atmosphere interaction model （R42_AVIM） is fulfilled by coupling the spectral atmospheric model （SAMIL_R42L9） developed at the State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences （LASG/IAP/CAS） with the land surface model, Atmosphere-Vegetation-Interaction-Model （AVIM）. In this coupled model, physical and biological components of AVIM are both included. Climate base state and land surface physical fluxes simulated by R42_AVIM are analyzed and compared with the results of R42_SSIB [which is coupled by SAMIL_R42L9 and Simplified Simple Biosphere （SSIB） models]. The results show the performance of the new model is closer to the observations. It can basically guarantee that the land surface energy budget is balanced, and can simulate June-July-August （JJA） and December-January- February （DJF） land surface air temperature, sensible heat flux, latent heat flux, precipitation, sea level pressure and other variables reasonably well. Compared with R42_SSIB, there are obvious improvements in the JJA simulations of surface air temperature and surface fluxes. Thus, this land-atmosphere coupled model will offer a good experiment platform for land-atmosphere interaction research.     

复杂条件陆-气相互作用研究领域有关科学问题探讨

实际大气都是在复杂条件之下,所以复杂条件带来的问题已成为陆-气相互作用研究领域面临的最大科学挑战,严重制约了该领域研究成果在解决实际天气气候问题中的应用。在概要总结近年来中国复杂条件陆-气作用研究领域进展的基础上,对复杂条件下陆-气相互作用有关的科学问题进行了探讨。从陆面过程和大气边界层这两个陆-气相互作用的关键环节分析了影响陆-气相互作用复杂条件的机制,归纳了复杂条件下陆-气相互作用研究领域面临的关键科学问题。同时,以复杂下垫面陆面过程和非均匀大气边界层问题为重点讨论了突破复杂条件陆-气相互作用关键科学问题的基本思路,并对进一步开展复杂条件陆-气相互作用研究提出了初步的科学建议。      

陆面水文过程研究进展

本文回顾了近年来中国科学院大气物理研究所在陆面水文过程的观测、模式发展以及陆气相互作用研究等方面所取得的重要研究成果。首先概述了近年来在中国区域所开展的陆气相互作用野外观测试验,通过资料分析揭示了国际上现有陆面模式对干旱／半干旱地区陆气相互作用模拟的偏差,指出典型干旱／半干旱区陆面过程参数修正的必要性;随后重点描述了陆面过程模式中积雪覆盖度和冻土参数化方案的发展,中国区域土壤湿度的时空分布特征及其对区域气候的影响,以及中国区域大尺度水文模式的研制和应用等;最后给出了陆面水文过程研究的趋势和发展方向的展望。     

An Updated Coupled Model for Land-Atmosphere Interaction. Part Ⅰ: Simulations of Physical Processes

A new two-way land-atmosphere interaction model (R42_AVIM) is fulfilled by coupling the spectral at- mospheric model (SAMIL_R42L9) developed at the State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmo- spheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sci- ences (LASG/IAP/CAS) with the land surface model, Atmosphere-Vegetation-Interaction-Model (AVIM). In this coupled model, physical and biological components of AVIM are both included. Climate base state and land surface physical fluxes simulated by R42_AVIM are analyzed and compared with the results of R42_SSIB [which is coupled by SAMIL_R42L9 and Simplified Simple Biosphere (SSIB) models]. The results show the performance of the new model is closer to the observations. It can basically guarantee that the land surface energy budget is balanced, and can simulate June-July-August (JJA) and December-January- February (DJF) land surface air temperature, sensible heat flux, latent heat flux, precipitation, sea level pressure and other variables reasonably well. Compared with R42_SSIB, there are obvious improvements in the JJA simulations of surface air temperature and surface fluxes. Thus, this land-atmosphere coupled model will offer a good experiment platform for land-atmosphere interaction research.     

Effect of land model ensemble versus coupled model ensemble on the simulation of precipitation climatology and variability

Through a series of model simulations with an atmospheric general circulation model coupled to three different land surface models, this study investigates the impacts of land model ensembles and coupled model ensemble on precipitation simulation. It is found that coupling an ensemble of land models to an atmospheric model has a very minor impact on the improvement of precipitation climatology and variability, but a simple ensemble average of the precipitation from three individually coupled land-atmosphere models produces better results, especially for precipitation variability. The generally weak impact of land processes on precipitation should be the main reason that the land model ensembles do not improve precipitation simulation. However, if there are big biases in the land surface model or land surface data set, correcting them could improve the simulated climate, especially for well-constrained regional climate simulations.     

Combined influence of atmospheric physics and soil hydrology on the simulated meteorology at the SIRTA atmospheric observatory

The identification of the land-atmosphere interactions as one of the key source of uncertainty in climate models calls for process-level assessment of the coupled atmosphere/land continental surface system in numerical climate models. To this end, we propose a novel approach and apply it to evaluate the standard and new parametrizations of boundary layer/convection/clouds in the Earth System Model (ESM) of Institut Pierre Simon Laplace (IPSL), which differentiate the IPSL-CM5A and IPSL-CM5B climate change simulations produced for the Coupled Model Inter-comparison Project phase 5 exercise. Two different land surface hydrology parametrizations are also considered to analyze different land-atmosphere interactions. Ten-year simulations of the coupled land surface/atmospheric ESM modules are confronted to observations collected at the SIRTA (Site Instrumental de Recherche par Télédection Atmosphérique), located near Paris (France). For sounder evaluation of the physical parametrizations, the grid of the model is stretched and refined in the vicinity of the SIRTA, and the large scale component of the modeled circulation is adjusted toward ERA-Interim reanalysis outside of the zoomed area. This allows us to detect situations where the parametrizations do not perform satisfactorily and can affect climate simulations at the regional/continental scale, including in full 3D coupled runs. In particular, we show how the biases in near surface state variables simulated by the ESM are explained by (1) the sensible/latent heat partitionning at the surface, (2) the low level cloudiness and its radiative impact at the surface, (3) the parametrization of turbulent transport in the surface layer, (4) the complex interplay between these processes. We also show how the new set of parametrizations can improve these biases.