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。     

The application and comparison of several flux profile relations in CoLM

This paper discusses the important role that flux profile relations play in momentum flux, sensible heat flux, and latent heat flux simulations in CoLM （Common Land Model） and compares the application of three flux profile relation schemes in CoLM by means of the Loess Plateau Land-Atmosphere Interaction Pilot Experiment （LOPEX） of 2005. It reveals that the results simulated by the model barely changed in the original flux profile schemes of the models a~er eliminating the very stable condition and the very unstable condition, and there were only tiny changes in numerical values. This indicates that the corrected terms added to fm（ξm）,fh（ξh） were very tiny and can be ignored under very stable and very unstable circumstances. According to a comparison of the three flux profile relations, the simulation results were basically coherent by using any CoLM： the correlation coefficient of the simulation value and the observed value was 0.89, and this bears on the coherence with the numerical procedures for the flux pro- file relations under unstable circumstances. The simulation results were improved considerably by utilizing the Lobocki flux pro- file schemes, which numerical procedures under unstable circumstances differed significantly fi＇om other three flux profile schemes; in this case the correlation coefficient of the value of simulation and the observed value became 0.95. In the next itera- tion of this study, it will be of great importance for the development of the land surface process model to continue experimenting with the application of some novel flux profile schemes in the land surface process models in typical regions.     

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。     

三个陆面模式对新疆地区陆面过程模拟的对比研究

利用实测的大气观测数据建立陆面模式驱动场, 分别驱动Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme（BATS）, Land Surface Model（LSM）, Common Land Model（CoLM）三个陆面模式, 对新疆地区99个测站的陆面热力过程进行了off-line模拟研究, 对比分析了三个模式模拟结果的异同, 并利用观测的土壤温度检验了各个模式的模拟性能。结果表明： 三个模式对所吸收的太阳辐射、 地表感热通量、 地表潜热通量和Bowen比的模拟结果有明显差别, 其中CoLM模拟的太阳辐射、 感热通量和土壤温度比BATS和LSM大。用观测的土壤温度对三个模式模拟性能的检验表明 BATS模拟的土壤温度最接近观测值, 大约偏低1℃, 而LSM和CoLM的模拟结果偏高, CoLM模拟的年际变化趋势与观测值相关性达到0.877, 高于另外两个模式的模拟; BATS在天山以北模拟值偏低, CoLM在天山以南模拟结果偏高, LSM模拟的区域分布状况与实际观测最一致。这些结果为研究陆面模式在新疆地区的应用提供了一些参考, 对于深入了解新疆地区的陆面过程具有重要意义。     

CoLM模式对塔克拉玛干沙漠北缘陆面过程模拟评估及修正

采用2011年3月22日至7月26日肖塘陆气相互作用观测资料测试了不同陆面参数对公共陆面模式（CoLM）模拟效果的影响。地表参数包括地表反照率（α）、地表比辐射率（ε）、空气动力学和热力学粗糙度（z_0m、z_0h）、零置位移（d）、热传输附加阻尼（kB^-1）。结果表明：感热通量H和地表温度T_g对地表反照率、动力学粗糙度和地表比辐射率比较敏感,对零置位移不敏感。通过观测资料获得的这些参数及kB^-1参数化方案均被用来替换原CoLM模式中相应值及参数化方案。CoLM模式基本上能较好地模拟净辐射R_n、感热通量H、地表土壤热通量G₀和地表温度T_g日变化特征,只是在日峰值及其峰值出现时间的模拟上不理想;而CoLM模式对该地区土壤湿度M的模拟效果非常不好。误差统计值Bias、SEE、NSEE表明优化参数后的CoLM模式使得R_n的模拟误差被降低4.21%（SEE）,H的模拟误差被降低25.19%（Bias）,T_g的模拟误差被降低33.33%（Bias）、10.45%（SEE）和25%（NSEE）。     

CoLM 模拟土壤温度和湿度最敏感参数的研究

合理的参数估计是提高陆面模式模拟能力的关键,而其过高的维数极大地增加了合理估计的难度。参数的敏感性分析,旨在针对目标变量找出最敏感的参数,从而实现在有限计算机资源条件下,对参数进行合理估计。本文以Common Land Model(CoLM)为研究对象,利用Morris 方法定性地从40 个参数中筛选出影响土壤温度和土壤湿度的敏感参数,并通过Sobol' 方法从敏感性顺序和各敏感参数的累积贡献率两个方面,对Morris 方法分析结果进行验证。在此基础上,本研究还利用Sobol' 方法对已筛选的参数做定量敏感性分析,最终确定参数的主效应、交互效应和总效应。研究结果表明,Morris 方法可以基于少量样本实现复杂的陆面模式的参数筛选,而Sobol' 方法的结果又从定量的角度描述了每个敏感参数对模型响应的影响程度,并且两种方法结论一致。     

基于陆面模式基准平台ILAMB对陆面模式CoLM的评估

模式评估是模式发展中不可或缺的重要一环。本文利用最新版陆面模式评估软件—ILAMB（International Land Model Benchmarking）对通用陆面模式 (The Common Land Model, CoLM)进行客观评估,并与NCAR陆面模式CLM5(Community Land Model version 5)结果进行比较。作为一个陆面模式评估软件,ILAMB能对参与评估的模式变量自动生成诊断图形并对模式性能进行评分。评估结果表明,CoLM总体性能良好,模拟结果与基准数据较为接近。与CLM5相比,CoLM在总初级生产力及水文方面的表现略微逊色,在辐射方面则表现相当,对部分变量如地表向上长波辐射、地表净辐射等的模拟甚至优于CLM5。通过对比CRUNCEPv7和GSWP3v1两种强迫资料发现,它们在气候平均态上具有一定的差异,模式在GSWP3v1强迫下的表现相对较好。CoLM和CLM5在CRUCNEPv7强迫下模拟的潜热通量在亚马逊平原、亚洲东部和南部地区以及北美东部一带正偏差显著,而在GSWP3v1强迫下的模拟则有明显改善。这两个模式对感热通量的模拟在非洲北部、亚洲中部一带均明显偏高。在辐射方面,CoLM模拟的地表向上短波辐射在全球以偏高为主,这在一定程度上造成了地表净辐射的模拟偏低。各组试验模拟的地表向上长波辐射得分相差不大,但在具体的空间分布上有一定的差别。     

青藏高原中部土壤热传导率参数化方案的确立及在数值模式中的应用

本文针对模式发展的需要, 在Farouki土壤热传导率参数化方案的基础上, 综合Johansen和Côté的参数化方案, 发展了一个用于青藏高原中部的土壤热传导率参数化方案, 用“全球协调加强观测计划之亚澳季风青藏高原试验计划(CAMP/Tibet)”中那曲布交(BJ)站实际资料对该方案进行了检验, 并将它用于公共陆面模式(CoLM)中, 对青藏高原那曲地区进行了单点数值模拟试验. 结果表明: 在未冻结及冻结土壤中, 新方案比Farouki方案计算的土壤热传导率小, 更接近实测值. 加入新方案的CoLM模式对土壤温度模拟的准确性比原模式有一定的提高.     

Extended application of the conditional nonlinear optimal parameter perturbation method in the common land model

An extension of the conditional nonlinear optimal parameter perturbation (CNOP-P) method is applied to the parameter optimization of the Common Land Model (CoLM) for the North China Plain with the differential evolution (DE) method. Using National Meteorological Center (NMC) Reanalysis 6-hourly surface flux data and National Center for Environmental Prediction/Department of Energy (NCEP/DOE) Atmospheric Model Intercomparison Project II (AMIP-II) 6-hourly Reanalysis Gaussian Grid data, two experiments (I and II) were designed to investigate the impact of the percentages of sand and clay in the shallow soil in CoLM on its ability to simulate shallow soil moisture. A third experiment (III) was designed to study the shallow soil moisture and latent heat flux simultaneously. In all the three experiments, after the optimization stage, the percentages of sand and clay of the shallow soil were used to predict the shallow soil moisture in the following month. The results show that the optimal parameters can enable CoLM to better simulate shallow soil moisture, with the simulation results of CoLM after the double-parameter optimal experiment being better than the single-parameter optimal experiment in the optimization slot. Furthermore, the optimal parameters were able to significantly improve the prediction results of CoLM at the prediction stage. In addition, whether or not the atmospheric forcing and observational data are accurate can seriously affect the results of optimization, and the more accurate the data are, the more significant the results of optimization may be.     

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。