Evaluating Common Land Model Energy Fluxes Using FLUXNET Data

Given the crucial role of land surface processes in global and regional climates, there is a pressing need to test and verify the performance of land surface models via comparisons to observations. In this study, the eddy covariance measurements from 20 FLUXNET sites spanning more than 100 site-years were utilized to evaluate the performance of the Common Land Model （CoLM） over different vegetation types in various climate zones. A decomposition method was employed to separate both the observed and simulated energy fluxes, i.e., the sensible heat flux, latent heat flux, net radiation, and ground heat flux, at three timescales ranging from stepwise （30 rain） to monthly. A comparison between the simulations and observations indicated that CoLM produced satisfactory simulations of all four energy fluxes, although the different indexes did not exhibit consistent results among the different fluxes, A strong agreement between the simulations and observations was found for the seasonal cycles at the 20 sites, whereas CoLM underestimated the latent heat flux at the sites with distinct dry and wet seasons, which might be associated with its weakness in simulating soil water during the dry season. CoLM cannot explicitly simulate the midday depression of leaf gas exchange, which may explain why CoLM also has a maximum diurnal bias at noon in the summer. Of the eight selected vegetation types analyzed, CoLM performs best for evergreen broadleaf forests and worst for croplands and wetlands.

Land Response to Atmosphere at Different Resolutions in the Common Land Model over East Asia

Towards a better understanding of hydrological interactions between the land surface and atmosphere, land surface mod- els are routinely used to simulate hydro-meteorological fluxes. However, there is a lack of observations available for model forcing, to estimate the hydro-meteorological fluxes in East Asia. In this study, Common Land Model （CLM） was used in offline-mode during the summer monsoon period of 2006 in East Asia, with different forcings from Asiaflux, Korea Land Data Assimilation System （KLDAS）, and Global Land Data Assimilation System （GLDAS）, at point and regional scales, separately. The CLM results were compared with observations from Asiaflux sites. The estimated net radiation showed good agreement, with r = 0.99 for the point scale and 0.85 for the regional scale. The estimated sensible and latent heat fluxes using Asiaflux and KLDAS data indicated reasonable agreement, with r = 0.70. The estimated soil moisture and soil temperature showed similar patterns to observations, although the estimated water fluxes using KLDAS showed larger discrepancies than those of Asiaflux because of scale mismatch. The spatial distribution of hydro-meteorological fluxes according to KLDAS for East Asia were compared to the CLM results with GLDAS, and the GLDAS provided online. The spatial distributions of CLM with KLDAS were analogous to CLM with GLDAS, and the standalone GLDAS data. The results indicate that KLDAS is a good potential source of high spatial resolution forcing data. Therefore, the KLDAS is a promising alternative product, capable of compensating for the lack of observations and low resolution grid data for East Asia.

Coupling the Common Land Model to ECHAM5 Atmospheric General Circulation Model

The ECHAM5 model is coupled with the widely used Common Land Model(CoLM). ECHAM5 is a state-of-theart atmospheric general circulation model incorporated into the integrated weather and climate model of the Chinese Academy of Meteorological Sciences(CAMS-CSM). Land surface schemes in ECHAM5 are simple and do not provide an adequate representation of the vegetation canopy and snow/frozen soil processes. Two AMIP(Atmospheric Model Intercomparison Project)-type experiments using ECHAM5 and ECHAM5-CoLM are run over 30 yr and the results are compared with reanalysis and observational data. It is found that the pattern of land surface temperature simulated by ECHAM5-CoLM is significantly improved relative to ECHAM5. Specifically, the cold bias over Eurasia is removed and the root-mean-square error is reduced in most regions. The seasonal variation in the zonal mean land surface temperature and the in situ soil temperature at 20-and 80-cm depths are both better simulated by ECHAM5-CoLM. ECHAM5-CoLM produces a more reasonable spatial pattern in the soil moisture content, whereas ECHAM5 predicts much drier soils. The seasonal cycle of soil moisture content from ECHAM5-CoLM is a better match to the observational data in six specific regions. ECHAM5-CoLM reproduces the observed spatial patterns of both sensible and latent heat fluxes. The strong positive bias in precipitation over land is reduced in ECHAM5-CoLM, especially over the southern Tibetan Plateau and middle–lower reaches of the Yangtze River during the summer monsoon rainy season.

Improving the CoLM in Taklimakan Desert Hinterland with Accurate Key Parameters and an Appropriate Parameterization Scheme

Improving and validating land surface models based on integrated observations in deserts is one of the challenges in land modeling. Particularly, key parameters and parameterization schemes in desert regions need to be evaluated in-situ to improve the models. In this study, we calibrated the land-surface key parameters and evaluated several formulations or schemes for thermal roughness length （z 0h ） in the common land model （CoLM）. Our parameter calibration and scheme evaluation were based on the observed data during a torrid summer （29 July to 11 September 2009） over the Taklimakan Desert hinterland. First, the importance of the key parameters in the experiment was evaluated based on their physics principles and the significance of these key parameters were further validated using sensitivity test. Second, difference schemes （or physics-based formulas） of z 0h were adopted to simulate the variations of energy-related variables （e.g., sensible heat flux and surface skin temperature） and the simulated variations were then compared with the observed data. Third, the z 0h scheme that performed best （i.e., Y07） was then selected to replace the defaulted one （i.e., Z98）; the revised scheme and the superiority of Y07 over Z98 was further demonstrated by comparing the simulated results with the observed data. Admittedly, the revised model did a relatively poor job of simulating the diurnal variations of surface soil heat flux, and nighttime soil temperature was also underestimated, calling for further improvement of the model for desert regions.

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。

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。

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。

青藏高原西部陆面过程特征的模拟分析

利用1998年5月1日至9月18日狮泉河自动气象站(AWS)的观测资料作为强迫场,运用改进的陆面过程模式CoLM(Common Land Model),对青藏高原西部的陆面特征进行了模拟研究.结果表明,该模式能够较好地模拟出高原地区的陆面特征.在高原西部地表能量平衡过程中,感热通量占主要地位,潜热通量较小,但在高原西部的湿季,潜热通量也是不可忽略的.在5月及6月初表层土壤频繁的发生水分相变,使土壤在相变过程中不断地吸收和释放潜热.降水及土壤表层频繁的冻结-消融使地表有效通量(感热+潜热)发生变化.有效辐射中的感热、潜热的分配,即Bowen会发生变化,进一步影响到对大气的加热及大气水汽输送情况,大气状况的改变又反过来影响地表蒸散及土壤持水能力,使土壤水分状态和含量发生变化.

青藏高原夏季土壤有机质及砾石影响水热传输特性的数值模拟

本文针对青藏高原部分地区土壤有机质和砾石含量较高的特点,在前人工作的基础上,发展了一个新的参数化方案以描述土壤有机质和砾石对土壤导热率、导水率的影响。通过对通用陆面模式CoLM中的土壤水、热参数化方案以及地表蒸发阻抗三方面的逐步改进,对青藏高原藏东南站和纳木错站两种不同下垫面进行单点数值模拟分析。对比原方案与最终优化方案的模拟结果表明:采用新方案的CoLM模式对藏东南站土壤湿度模拟性能明显提高,平均偏差减小到0.04,而对纳木错站浅层20 cm以上土壤湿度的模拟偏差略微增大。新方案在藏东南站对土壤内部温度的模拟改善较为显著,平均偏差减小了0.2°C;而在纳木错站40 cm以上有所改进。新参数化方案较好地模拟了两个观测站表面能量通量的时间变化,纳木错站7、8月份的潜热通量改进尤为明显,比原方案减少大约20 W m-2,与观测结果较为接近。

同化MODIS温度产品估算地表水热通量

基于集合卡尔曼滤波和通用陆面模型(CLM1.0)发展了一个地表温度的同化系统。这个系统同化了MODIS温度产品,并将MODIS的叶面积指数引入CLM模型中,主要用于改进地表水热通量的估算精度。将CLM输出的地表温度与MODIS地表温度建立关系,并作为同化系统的观测算子。将MODIS地表温度与实测地表温度进行了比较,将其均方差(Root Mean Square Error,RMSE)作为观测误差。选取3个美国通量网站点(Blackhill、Bondville、Brookings)作为实验数据,结果表明:同化结果中地表温度、显热通量的估算精度均有提高。其中Blackhill站的估算精度改进最大,均方差由81.5W·m-2减小到58.4W·m-2,Bondville站均方差由47.0W·m-2减小到31.8W·m-2,Brookings站均方差由46.5W·m-2减小到45.1W·m-2。潜热通量估算精度在Bondville站均方差由88.6W·m-2减小到57.7W·m-2,Blackhill站均方差由53.4W·m-2减小到47.2W·m-2。总之,结合陆面过程模型同化MODIS温度产品估算地表水热通量是可行的。

通用陆面模式CLM在东亚不同典型下垫面的验证试验

利用野外观测资料,考察了通用陆面过程模式(CLM)对东亚地区3种典型下垫面(高原稀疏植被下垫面、森林、水田)的模拟能力。验证结果表明,在高原稀疏植被下垫面,CLM模拟的地表气温跟实测较为接近,同时CLM还可以较好地模拟出土壤温度随时间和深度的变化特征,但模式模拟的地面温度的幅值跟观测相比显著偏小;对于能量通量而言,除感热通量外,CLM所模拟出的其它能量通量的变化均与观测实况比较一致。对于淮河流域的森林下垫面,CLM所模拟出陆气间的各能量通量均与实测较为接近,尤以夏季(8月份)的模拟性能最好。对于水田下垫面,CLM模式较好地模拟出了各能量通量的主要变化特征及其季节差异,如水田的净辐射以及潜热通量夏季最大,而感热通量则是秋季最大等。

通用陆面模式对土壤质地和亮度的敏感性分析

使用前苏联Valdai 1966～1971年的气象观测资料，研究了通用陆面模式（Common Land Model，CoLM）模拟的水分循环和地表通量在12种土壤质地和8种土壤亮度条件下的差异。结果表明，在相同的气象条件下，模拟的热通量对土壤质地和亮度都比较敏感，而地表水文过程只对土壤质地敏感。土壤亮度相同时，相对砂性土壤，粘土含量高的土壤保水性强，土壤湿度、地表蒸发和径流量都比较大（月均最大差值：土壤湿度约为5kg·m^-2，地表蒸发和径流量约为年降水量的7％和1．2％），相应地在热通量分配上存在明显差异（月均最大差值为8W·m^-2）；土壤质地相同，亮度由亮变暗时，潜热通量变化很小，地表温度略有升高，而感热通量和净辐射增加显著（月均摄大差值为7W·m^-2）。土壤质地和亮度对模拟的影响主要存在于降水少、植被覆盖度低的3～5月。

CoLM模式地表温度变分同化研究

本文采用变分方法对通用陆面模式(CoLM)中的地表温度进行同化。同化伴随约束条件采用CoLM模式中的地表及植被能量平衡方程,调节因子采用裸土及植被蒸发比。采用美国通量网(AmeriFlux)中的Bonville站数据对同化方法进行了单点验证,验证结果表明同化后地表温度以及蒸散结果更加接近于实测值。选取中国华北地区对同化方法进行区域验证,结果显示每天仅采用白天一次观测值对地表温度进行同化的方法是有效的。通过对同化前后地表温度误差直方图比较可以发现,在有MODIS观测值的区域,同化后白天地表温度误差大大降低,同时,同化后地表蒸散空间分布图也发生了变化。单点验证以及区域验证结果都表明了变分同化方法是可靠的。变分同化方法可以改进陆面模式模拟结果,对于地表过程研究中的植被生态、水文等研究具有重要意义,同时,陆面模式可以与数值预报模式进行耦合,改进数值预报结果。

陆面模式中土壤和植被经验参数随机误差的传播研究

数据质量问题和模式参数化方案的非完备性是陆面模拟中不确定性的主要来源。本文将高斯误差传播原理(Gaussian Error Propagation,GEP)应用于通用陆面模式(the Common Land Model,CoLM),研究关键的植被和土壤属性参数随机误差在模式中的传播,确定由此类误差导致的CoLM模拟的不确定性。结果表明:(1)基于本研究给定的土壤和植被参数的不确定性,CoLM模拟的表层土壤温度、土壤湿度和植被蒸散通量(植冠蒸腾+地表蒸发)的相对误差分别为0.11%、34.07%和5.58%;砂土和稀疏森林上模拟效果最差。土壤参数随机误差对CoLM模拟的影响高于植被参数,而土壤水文参数(孔隙率、饱和基质势、气孔尺寸分布指数和饱和导水率)对各模拟量不确定性的贡献率均远大于热力参数(饱和反照率和热容)。对于本研究涉及的所有模拟变量而言,最关键的参数均是气孔尺寸分布指数b,这可能与描述基质势与体积水含量关系的函数有关,其次重要的是砂土的孔隙度和粘土的饱和导水率。混交森林上的根深分布和苔原上的动力学粗糙度对蒸散通量贡献显著。本身相对误差大的经验参数对CoLM模拟不确定性的贡献不一定多。(2)干燥条件下(表层液态水饱和度小于0.1)土壤温度的不确定性大;相变发生时刻附近(表层土壤温度在0℃附近且表层液态水含量大于0)土壤湿度不确定性显著;蒸散通量的不确定性随本身绝对值的增大而增大,在相对温暖干燥环境中(表层土壤温度高于280K且表层液态水饱和度小于0.3)其不确定性最高。研究证实,GEP能够辨识CoLM中需优先提高观测精度的关键参数和关键参数化过程,对陆面模拟的参数选定、不确定性评估和模式完善具有重要意义。

基于陆面过程模式的热红外卫星遥感影像模拟

遥感服务于气象、气候领域的一个关键环节就是建立地表过程模式与遥感数据之间的联系,利用过程模式的可靠输出参数来模拟卫星影像,并与真实的观测数据进行对比.本文建立了一个以通用陆面过程模式（CLM）相关参数为地表输入信息,以再分析大气廓线为大气输入信息的卫星影像模拟系统,以期通过模拟数据与真实卫星数据的比较,为模式背景场、强迫场的修订及预报精度的提高服务.模拟结果表明,对于由植被和土壤等组成的自然地表,模拟的热红外卫星信号主要取决于过程模式输出的地表温度,模拟的地表方向性辐射温度与模拟的大气层顶部表观辐射温度相关性高达0.99.模拟到的表观辐射温度与AVHRR影像对应的辐射温度差异比较大,最大值超过30 K,大多数像元温差分布在-20～20 K之间.温差在高海拔地区普遍比较大,这可能是由于CLM对高海拔地区的温度估计偏低导致的.

CoLM改进与多源遥感陆面数据同化系统研发

该报告以发展气候系统模式为核心,研发相关的模拟技术,确定关键物理和模发展的冠层辐射模型为三维辐射传输模型(简称3-D模型)以替换陆面模型CoLM中基于二流近似的辐射传输模块,将动力植被模块(DGVM)引入了陆面模型CoLM,实现了模型的改进;制备了2005—2010年比湿、气压、气温、风速(U,V)、降雨、入射短波辐射、入射长波辐射大气驱动数据集和土壤及植被功能型参数数据集;实现了一个高分辨率多源遥感陆面数据同化系统HDAS,包含了多种数据同化算法,并针对高分辨率陆面数据同化需要重点解决了高性能计算问题;能够在陆面过程模型的动力学框架内同化多源遥感观测以及其他观测资料,生产中国陆地区域内2005—2010年空间分辨率为5 km、时间分辨率为1 h的同化数据集。

共同富裕背景下农户土地承包权退出意愿影响路径研究——基于不同年龄阶段的群组比较

本文基于2022年810份农户微观调研数据,运用结构方程模型探讨农户土地承包权退出意愿影响路径,并对比分析不同年龄阶段农户影响路径差异。研究结果表明:(1)农户土地承包权退出意愿受家庭特征、土地特征、认知特征及承包权退出补偿条件特征影响,其中承包权退出补偿条件特征影响效应最强。(2)土地特征和认知特征以直接和间接两种方式对农户土地承包权退出意愿产生影响。(3)不同年龄阶段农户土地承包权退出意愿影响因素有所差异,影响路径也略有不同。因此,应依据农户特征探索分类型、分阶段、多样化的土地承包权退出路径,针对不同年龄阶段的农户实施差别化退出激励政策及补偿政策,完善农村社会保障体系,公开土地承包权退出补偿信息与制度。

Estimation of Net Surface Shortwave Radiation from Land Surface Temperature in Regional Scale

The method to estimate NSSR （net surface shortwave radiation） from LST （land surface temperature） in regional scale is discussed. First, an elliptical model between the time series of normalized LST and NSSR was developed using the daily evolution of LST and NSSR. Second, time series of LST and NSSR were simulated by common land model （CoLM） and were proved to be of high accuracy. On the basis of these, a non-linear least square ellipse fitting using the genetic algorithm method was used to fit the normalized LST and NSSR. Finally, LST was inverted using MODIS （moderate resolution imaging spectroradiometer） data with the split-window algorithm, and the regional NSSR was then estimated with LST and an elliptical model. The validation result shows that the derived average NSSR of 50×50 pixels of MODIS data was quite close to the observed data, and the distribution was reasonable, which indicates that the proposed method was capable of estimating NSSR on a regional scale.

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(z0m、z0h)、零置位移(d)、热传输附加阻尼(k B-1)。结果表明:感热通量H和地表温度Tg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k B-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Rn、感热通量H、地表土壤热通量G0和地表温度Tg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Rn的模拟误差被降低4.21%(SEE),H的模拟误差被降低25.19%(Bias),Tg的模拟误差被降低33.33%(Bias)、10.45%(SEE)和25%(NSEE)。

荒漠下垫面陆面过程模式中重要参数的修正及模拟效果分析

通过对内蒙古阿拉善左旗荒漠下垫面观测数据的分析和模拟,重新修正了陆面过程模式Co LM中的重要参数值和参数化方案,并按照不同的组合方式设计了控制实验和敏感性实验,对比分析重要参数对该下垫面陆气相互作用的敏感性。主要结论有:(1)基于Monin-Obukhov相似性理论的最大频数法,优化了地表动力学粗糙度,重新计算和选择符合研究区域地表热力学粗糙度和土壤热导率的参数化方案;(2)参数优化和参数化方案修正后,提高了Co LM模式对土壤温度,感热通量和地表净辐射的模拟能力;(3)改善前后Co LM模式的模拟值与观测值对比表明,地表动力学与热力学粗糙度和土壤热导率分别在春夏季和秋冬季对地表温度影响较大,感热通量在夏半年主要对地表动力学粗糙度敏感,而土壤热导率对其影响很小。