北京大学陆面过程模式PKULM(Peking University Land Model)介绍及检验

陆面过程模式是气候模式和天气模式的核心组成部分之一.在土壤—植被—大气耦合模式(Soil-PlantAtmosphere Model,SPAM)的基础上,发展了新一代北京大学陆面过程模式PKULM(Peking University Land Model).本文首先介绍了PKULM的辐射传输、湍流输送、光合作用、土壤水热输送等过程的参数化方案;采用隐式迭代计算框架,发展并应用了一个快速的线性方程组求解算法,提高了模式计算稳定性;提出并使用了二分搜索算法计算气孔阻抗,避免了CLM(Community Land Model)等使用的迭代方法在干旱区不稳定的情况,提高了模式的适用性;采用水势为基础的土壤水分扩散方程,使模式能够模拟土壤饱和区的水分输送过程,为进一步与水文过程模式耦合奠定了基础;还发展了一个地表积水与径流过程的机理模型,提高了模式对地表水分平衡过程的模拟能力;最后,使用"中国西北干旱区陆—气相互作用观测试验"平凉站的资料对模式进行了检验并与NOAH(National Center for Environmental Prediction,Oregon State University,Air Force,and Hydrology Lab model)陆面过程模式的模拟结果进行了比较,结果表明PKULM能够较好地模拟西北半干旱区农田下垫面地气交换过程.

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。

近地层能量闭合度对陆面过程模式影响

大量近地层观测试验表明,利用涡动相关法观测的湍流通量小于近地层可利用能量,即近地层能量是不闭合的,这种不闭合度一般为20%甚至更高.而陆面过程模式是基于地气间能量平衡建立,并且模式中的湍流边界层参数化方案通常根据实际观测的湍流通量来确定,因此能量不闭合必将对陆面过程模式造成一定的影响.本文利用2007年春季SACOL站的近地层观测资料,依据能量守恒将能量不闭合中的残余能量通过波文比分配到观测的湍流通量中,即修正涡动相关法观测的湍流通量使得近地层能量达到平衡;之后分别利用观测和修正的湍流通量,建立了能量不闭合和闭合情形下的湍流参数化方案,借助陆面过程模式SHAW,通过数值模拟和对比分析方法考察近地层能量闭合度对陆面过程模式的影响.研究结果表明近地层能量闭合对陆面过程模式有显著的影响:在陆面过程数值模拟中,当应用近地层能量不闭合的湍流通量形成的湍流参数化方案时,陆面过程模式会明显高估地表长波辐射及土壤温度;但当应用修正湍流通量使得近地层能量达到闭合形成的湍流参数化方案后,在不改变任何地表土壤物理生化属性的情况下,陆面过程模式能较好地模拟地表长波辐射和土壤温度.

陆面过程参数化模式的研究

在概述了近年来国内外陆面过程参数化研究的基础上 ,发展了一个改进的陆面过程参数化模式。该模式能被应用于地球表面不同土壤和植被类型的陆面过程的相互作用研究。在该模式中通过土壤结构参数和陆面过程湍流通量的参数化 ,可广泛应用于不同类型的区域。在模式中 ,大气 -陆面系统包括 3个子系统 :近地层大气、冠层和土壤活跃层。土壤被分为 4层 ,上两层分别相当于温度的日和季变化层 ,植被的根系活动也在这两层内 ,在最深层的温度和含水量是气候的平均值。发展的陆面过程参数化模式可应用于不同气候区域能量平衡和气候的模拟研究。对我国在该领域的研究 。

用新RIEMS模式研究陆面过程对暴雨的影响

对MM5模式中的MYE,MRF以及新引进的NB方案(E ε 1边界层参数化)3种边界层参数化方案耦合了陆面过程模式BATS,形成新的RIEMS模式.用此模式及原MM5模式对2个江淮暴个例进行了数值模拟以考察陆面过程对暴雨模拟的影响,同时也分析了加入BATS后模式对形势场和有关气象场的影响.结果表明加了BATS后,模式在降水场,形势场,低空急流等方面均优于原MM5模式,表明陆面过程短期天气过程也有重要影响.

一个改进的陆面过程模式及其模拟试验研究第二部分:陆面过程模式与区域气候模式的耦合模拟试验

在第一部分提出的陆面过程模式与区域气候模式ＲｅｇＣＭ实现耦合的基础上，利用这一耦合模式（简称ＣＲｅｇＣＭ）对中国中东部地区１９９１年５～７月江淮大暴雨时期的强降水气候特征进行了模拟，并与ＮＣＡＲ的区域气候模式ＲｅｇＣＭ２（此处称ＮＲｅｇＣＭ）在同样初、边值条件和同样物理过程选项下的模拟结果进行了对比分析。分析结果表明，模式ＣＲｅｇＣＭ具有较强的模拟性能和模拟能力，基本上成功地模拟了这次极端的降水气候事件。在某些方面，如地面气温和与陆面过程有关要素的模拟上，ＣＲｅｇＣＭ的模拟结果要比ＮＲｅｇＣＭ的结果更合理。

CLM3.5模式对青藏高原玛曲站陆面过程的数值模拟研究

利用通用陆面过程模式(CLM3.5)和青藏高原玛曲站2010年6月-2011年2月的观测资料进行了9个月的单点数值模拟试验。通过比较辐射通量、能量通量、土壤温度及土壤含水量的模拟值和观测值,结果表明,CLM3.5模式能较成功地模拟玛曲地区的陆面能量与水分特征。该模式对夏季向上短波辐射的模拟较好,冬季整体偏小。向上长波辐射的模拟整体较好,但模拟值稍偏大。净辐射的模拟整体较好,模拟值与观测值的相关系数为0.99,偏差为-1.28 W.m-2。感热通量的模拟较差,整体显著偏高。潜热通量的模拟较好,随季节变化特征明显。土壤热通量的模拟夏季较好,冬季土壤冻结及消融期的偏差较大,主要原因与冬季模拟的积雪偏少有关。土壤温度的模拟夏季较好、冬季较差,6层土壤温度模拟值与观测值的相关系数均在0.98以上,平均偏差为-1.80℃。模式较好地模拟出了冬季土壤冻结后存留的未冻水,冻结后土壤含水量的模拟较该模式以前的版本有了很大的改善,6层土壤含水量模拟值与观测值的平均相关系数为0.94,平均偏差为-0.015m3.m-3。

陆面过程模型CoLM与区域气候模式RegCM3的耦合及初步评估

陆面过程通过影响陆面和大气之间物质(如,水分)和能量的交换影响气候,其参数化方案对数值天气预报、全球及区域气候模拟有重要影响。本研究利用对生物物理、生物化学过程考虑更全面的陆面模式Common Land Model(CoLM)替代区域气候模式RegCM3原有的陆面模式BATS,发展了耦合区域气候模式C-RegCM3;将其应用于东亚地区典型洪涝年份夏季气候模拟以进行评估,结果表明新耦合的模式C-RegCM3能合理模拟大尺度环流场、近地表气温和降水的分布特征,对西北半干旱地区降水模拟比RegCM3有所改进。通过利用区域气候模式C-RegCM3及RegCM3对地表能量和水文过程模拟结果的比较,发现在半干旱、半湿润过渡区C-RegCM3模拟的潜热增大、感热减小;模拟的地表吸收太阳辐射差异较明显的地区位于模式模拟的主要雨区;C-RegCM3在上述过渡区模拟的夏季地表土壤湿度比RegCM3偏干,这与它在过渡区降水模拟偏少、蒸散发模拟偏大相对应,体现了该模式在半干旱、半湿润过渡带模拟出比RegCM3更明显的局地土壤湿度-降水-蒸散发之间的正反馈作用。

CLM4.0模式对干旱区荒漠草原过渡带快速变化陆面过程的数值模拟研究

利用2012年7-9月微气象蒸发观测实验的观测资料和陆面模式CLM4.0,对荒漠草原过渡带快速变化的陆面过程进行了单点数值模拟试验,通过比较模拟值与观测值来检验模式的模拟能力。结果表明:(1)CLM4.0模式能较好地模拟下垫面快速变化的辐射通量、湍流通量、土壤温度及土壤含水量的变化特征,但模拟值较观测值还存在一定偏差。在干旱及湿润地表状况下,CLM4.0模式模拟的反射辐射与观测值的偏差较小,而草地地表时模拟值较观测值偏高;CLM4.0模式较好地模拟了地表长波辐射的变化趋势,但是在正午和夜间偏差较大。(2)CLM4.0模式模拟的湍流通量与观测值之间的相关系数达0.85以上,但模拟值较观测值偏高。(3)CLM4.0模式模拟的土壤温度及含水量较观测值偏小,且对强降水引起的土壤含水量的变化过程的模拟性能较差。发展适用于干旱荒漠草原过渡带的土壤孔隙度参数化方案,进而通过改善土壤热导率、导水率的模拟有助于提高该类下垫面土壤温度及土壤含水量的模拟性能。

陆面过程模式的改进及其检验

文中对陆面过程模式 (BATS)进行了改进 ,改进后的模式能较好地模拟地表物理量的年、季和日变化 ,它有两方面的特点 :采用热扩散方程模拟 7层土壤温度 ,模拟的温度可与实测值进行比较 ;在BATS的地表径流方案中 ,考虑了空间不均匀性的一般地表径流 (GVIC)过程 ,研究结果表明 :⑴模式能很好地模拟各层土壤温度的年、季和日变化。冬季土壤温度下层高于上层 ,而在夏季上层高于下层 ,这种上下层温度的转换时间大约在 4和 10月份 ,这与实测土壤温度的年变化非常一致。较为准确地模拟了各层土壤温度日变化的时滞效应。⑵用南京和武汉站的资料 ,将BATS地表径流方案模拟的地表水分分量与GVIC方案进行比较 ,BATS地表径流方案模拟的地表水分分量 ,与总水量的平衡相差较大 ,而GVIC模拟的效果相对较好 。

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。

一个简单的陆面过程模式

本模式为针对大气环流模式所发展的一个简单的陆面过程模式，它包含：（１）地表温度计算，（２）冠层叶面贮水量和土壤湿度计算，（３）陆面与大气之间的水分和能量交换。对于表面温度和含水量的计算，采用的是联立求解计算方案，即耦合计算。植被冠层叶面的辐射特性和冠层形态对冠层中的辐射交换的影响得到有效和尽可能简单的模拟。另外，植被的气孔阻抗、表面与大气之间的水热交换通量和土壤中的水热输导作了较为细致的描写。利用此模式开展了对两个不同覆盖类型的陆面过程的模拟，模拟和观测的表面通量、温度和湿度较为相近。

黄河上游玛曲地区空气动力学参数的确定及其在陆面过程模式中的应用

为了定量描述黄河上游玛曲地区草地下垫面的空气动力学特征,为模式提供准确的下垫面参数,利用"黄河源区气候与环境综合观测研究站"2006年9月的湍流观测资料,结合Martano由单层超声观测资料确定下垫面空气动力学参数的方法,计算了黄河上游玛曲地区草原下垫面空气动力学粗糙度z0和零平面位移d,即z0为0.035 m,d为0.143 m。同时,将z0和d应用于陆面过程模式CoLM中,检验其对模式模拟性能的影响,结果表明,改进陆面参数后的模式对感热通量和潜热通量的模拟均有明显改善。

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 Carbon- Nitrogen 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 PgC a^-1,而MTE_GPP仅为6.9 PgC 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RMSD 〈 100 gC 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.

陆面过程对气候影响的数值模拟:SSiB与IAP/LASG L9R15 AGCM耦合及其模式性能

利用陆面过程模式 SSi B与 IAP/LASG发展的 L9R1 5AGCM的耦合 1 0 a积分试验 ,研究了全球尺度大气与地表的水分和能量交换以及陆地与大气环流和气候的相互作用。模拟表明 :SSi B模式可模拟出陆地上较为真实的表面通量及其日变化 ,较好地定量描述土壤 -植被 -大气连续体系 ( SPAC)中能量和水分的传输过程。因此 ,将其引入气候模式中能够模拟出比 CTL- AGCM更合理的气候平均状态、水汽分布以及水汽输送的气候特征 ,特别是亚洲夏季风水汽输送独特的地域性 ,再现了大气环流 ,尤其是陆面气候的基本特征。并指出 ,陆面过程参数化的引进及其陆面状况的变化显著地改善了全球陆地上的水分平衡状况。利用改进的再循环降水模式 ,进一步研究了陆面过程参数化明显改进降水模拟的物理机制。指出全球陆地 ,特别是盛夏北半球干旱、半干旱地区的再循环降水率明显减小 ,与陆面上表面潜热通量的显著减小区一致 ,从而克服了许多未耦合陆面过程的 AGCMs因对地表水过程非常简单地参数化导致的普遍存在着整个陆地降水偏高 ,改善了全球陆地上的水分平衡状况。因此 ,在充分耦合的陆气环流模式中模拟的降水分布与实况接近。

陆面过程模式CoLM和NCAR_CLM3·0对中国典型森林生态系统陆气相互作用的模拟 Ⅰ.不同模式模拟结果的初步分析

CoLM(Common Land Model)和NCAR_CLM3·0(NCAR Community Land Model3·0)是目前国际上广为应用的两个发展比较完善的陆面过程模式。本研究利用中国陆地生态系统通量观测研究网络(Chi-naFLUX)在长白山温带混交林和千烟洲亚热带人工针叶林观测站点的长期连续强化观测资料,对这两个模式在上述地区的模拟性能进行了初步评估。同观测资料的对比表明,两个模式均能较好地模拟出观测站点地表能量和水分平衡的基本特征,其中,CoLM对潜热通量的模拟性能更好。以对潜热通量为期1年的日均值的模拟为例,CoLM和CLM3·0在长白山观测站模拟值和观测值时间序列的相关系数分别为0·80和0·65,在千烟洲站分别为0·69和0·64,均通过了0·01的信度检验;两个模式对全年平均的模拟与观测日平均值的比值在长白山分别为1·21和0·86,在千烟洲分别为0·83和0·60。研究结果表明,这两个陆面过程模式可以作为研究这两种典型森林生态系统陆气交换的基本工具。同时,对模式模拟性能差异的深入分析将有助于进一步改进陆面模式的参数化过程,为相关研究奠定更坚实的基础。

干旱地区陆面过程耦合模式及应用

本文主要论述干旱地区陆面过程在改善人类生存环境与研究区域经济中的重要地位与研究现状，强调了采用耦合模式的必要性，详细描述了该模式的特点，并将它应用于我国西北腾格里沙漠南缘植物固沙区的水热循环研究，揭示干旱区陆面过程的主要特征。

一个改进的陆面过程模式及其模拟试验研究第一部分:陆面过程模式及其“独立(off-line)”模拟试验和模式性能分析

文中在综合比较过去各类陆面过程模式优缺点的基础上，主要参考ＢＡＴＳ模式，发展了一个陆面过程模式（ＬＰＭ－ＺＤ）。它具有以下几个特征：１．采用物理方程和经验解析公式相结合的方法进行土壤温度和土壤水汽的求解。在上层土壤，土壤分层较细并采用温度传导和水汽扩散方程求解，而在下层土壤，土壤分层较粗并利用经验方法处理。２．考虑了降水分布的次网格特征及其对陆面水文产生的重要影响。３．较全面地考虑了雪盖对陆面过程的各种影响：对陆面水文的影响、对土壤热传导的影响以及雪盖的高反照率对辐射收支的影响。利用３组单点观测试验资料对陆面过程模式ＬＰＭ－ＺＤ进行了“独立（ｏｆ－ｌｉｎｅ）”模拟试验。模拟结果表明陆面过程模式ＬＰＭ－ＺＤ具有较好的模拟性能，能够比较准确地模拟不同气候区的多种下垫面类型的陆面过程变化特点，模拟结果与观测基本一致。进而又利用一组观测资料和模式ＬＰＭ－ＺＤ进行了一系列敏感性模拟试验，试验结果表明模式ＬＰＭ－ＺＤ对一些参数的确定非常敏感，如初始土壤水汽、植被的物理特性参数以及降水次网格分布因子等，因此提高确定这些参数的准确性是改进陆面模式的重要内容之一。

陆面过程模式研究中的几个问题

文章讨论了陆气相互作用（ＬＡＩ）研究及陆面过程模式（ＬＳＭ）研制改进工作中的一些重要问题．讲述了诸如重要下垫面的研究，陆面构成非均匀性及由此产生的中尺度环流的重要性．进而对雪盖和干旱地区所做的工作作了进一步阐述．

陆面过程模式对土壤含水量初值的敏感性研究

利用ＩＡＰ９４陆面过程模式，采用淮河流域能量与水份循环试验（ＨＵＢＥＸ）期间两种下垫面（森林和旱田）、不同季节（５月、８月和１１月）的观测资料，研究了模式对土壤含水量初值的敏感性。结果表明：对于森林和旱田下垫面，当土壤含水量减少时，地表净辐射均略有减少，同时潜热通量减少而感热通量增加。另外，模式对土壤含水量初值的敏感性有较明显的季节差异，相对而言在晚春和夏季较强，而在秋季明显减弱。这说明春夏季节的土壤含水量初值在淮河流域区域气候的模拟和预测中尤其值得关注。