土壤砾石参数化对高原涡形成发展作用的敏感性分析

采用耦合了砾石参数化方案CLM4.5的区域气候模式RegCM4对一次高原涡进行了模拟分析,并做了3组敏感性试验,结合欧洲中心ERA5再分析资料进行验证分析,使用了高空、低空及土壤水热属性参数等资料,分析了砾石参数化对高原涡初生、发展、消亡等影响。结果表明:在500 hPa形势场中,特别是在高原涡发生和发展的阶段,砾石含量越接近实际,模拟效果越好,RegCM4对青藏高原降水量的模拟能力随砾石含量接近实际而提升;在高原涡区及其东北移动路径上,2 m温度的模拟结果随砾石含量的增加而升高,为高原涡的生成和发展提供条件;砾石参数化方案明显提升了土壤导热率和土壤导水率,在高原涡初生和发展过程中,砾石含量接近实际,模拟土壤温度和土壤体积含水量也接近实际,在高原涡消亡阶段,土壤含砾石较高使浅层温度明显降低,加速了高原涡的消亡,并且随着土壤深度的增加,砾石对土壤升温作用明显减弱,在高原涡生成和发展阶段,砾石对模式的提升作用明显,但在高原涡减弱和消亡阶段,砾石对模式的提升作用逐渐降低。

陆面模式砾石参数化在BCC_AVIM陆面过程模式中的应用及检验

考虑砾石(砾径大于2 mm)对陆面过程的作用,利用青藏高原玛多站实测资料检验陆面模式砾石参数化方案对BCC_AVIM陆面过程模式土壤水热模拟的影响。结果发现,砾石改变了土壤质地的组成,造成土壤中水热基本参数的变化,从而影响土壤导水率和土壤导热率,最终影响土壤温湿度的模拟。利用玛多站实测数据,对比新旧方案,发现新方案减小了土壤温度和土壤含水量的模拟值,减小了模拟结果的绝对偏差和均方根误差,增大了土壤温湿度模拟的相关系数,改善了原模式土壤水热模拟性能,尤其是深层土壤含水量的模拟效果提升明显。同时,新方案减小了浅层土壤含冰量的模拟,增加了深层土壤含冰量的模拟,增大了积雪覆盖率和积雪深度的模拟。

砾石参数化对青藏高原陆面过程模拟的影响及敏感性分析

将砾石参数化方案加入陆面模式CLM4.5中,验证了新方案在模式中的适用性且土壤温湿度模拟效果优于原方案,有效提升了深层土壤温度峰值和土壤含水量谷值的模拟。利用新方案研究土壤中不同砾石含量对陆面过程的影响分析发现:土壤导热率随砾石含量增多而增大,使深层土壤夏季(冬季)吸热(放热)增强,模拟值升高(降低)。土壤含水量大(小)的时候土壤导水率随砾石含量增多而增大(减小),造成土壤含水量模拟值减小(增大)。同时砾石的增多减小了冬季深层土壤温度的模拟值,使深层更多的水变成了冰,进一步减小了土壤导水率,造成深层土壤含水量模拟值的减小。砾石改变了土壤水热过程,进而影响了地表辐射通量和能量通量的变化,各月份砾石含量的不同对其贡献均有所不同,总贡献表现为随砾石含量的增多,土壤净辐射减小。

区域气候模式RegCM砾石参数化方案及其在青藏高原模拟效果评估

为了将砾石的影响考虑进区域气候模式RegCM4.7中,首先建立了适配RegCM4.7模式包含砾石含量的土壤数据集,并发展了一套应用于区域气候模式的砾石参数化方案。在此基础上利用中国陆面融合再分析数据(CRA-40)评估了砾石参数化方案在高原区域的模拟效果。结果表明:整个青藏高原范围内均存在砾石,且土壤中层以下含量更高;原始土壤水热参数化方案在高原区域模拟的地表与各层土壤温度普遍低于参照数据,而砾石参数化方案较原方案有所升高;原始土壤水热参数化方案在高原区域模拟的土壤体积含水量在土壤浅层偏高,在高原西部的土壤深层偏低,而砾石参数化方案进行了一定程度的修正。通过评估,砾石参数化方案对于青藏高原土壤水热的模拟效果有较为明显的提升。

区域气候模式RegCM砾石参数化方案在青藏高原不同区域土壤水分输送的模拟分析

在耦合CLM4.5的区域气候模式RegCM4.7中分别应用原始土壤水热参数化方案与改进后的砾石参数化方案在青藏高原西部、中部与东南部区域进行模拟,并根据砾石分布特征在每个区域选取单点分析了两种方案模拟结果存在差异的原因。在此基础上利用中国陆面融合再分析数据(CRA-40)检验了砾石参数化方案在高原不同区域对于土壤含水量的模拟效果。结果表明:在应用砾石参数化方案的RegCM4.7模式中:地表水分输入较其他变量是影响地表土壤水文过程的主要因素;较低的砾石含量有利于土壤水分向下传输,较高的砾石含量在高原不同区域对于土壤水分向下传输的影响作用有所不同。砾石参数化方案在高原不同区域对于土壤水分的模拟效果存在差异,在高原东南部的模拟效果提升最为明显。

土壤砾石参数化对一次高原低涡形成发展影响的数值模拟

为了验证陆面过程模式砾石参数化方案在青藏高原上的天气过程的模拟能力,本文通过耦合了砾石参数化方案CLM4.5的区域气候模式RegCM4,对一次高原低涡个例进行模拟研究,利用模拟的500 hPa高空形势场、2 m温湿度和土壤温湿度等数据,结合ERA5资料对比验证分析。结果表明:加入砾石参数化方案的RegCM4对本次高原涡个例模拟效果整体较好;在500 hPa高空形势场中,新方案比旧方案更为准确地模拟出高原涡中心位置和涡区温度场特征;在高原涡生成和发展阶段,新方案模拟的2 m温度和相对湿度效果明显较旧方案强,为低涡的生成和发展提供有利条件;在土壤温湿度的模拟中,加入砾石后提升了土壤的导热率和导水率,使高原涡在初生和发展阶段提供更好的土壤热力和水分条件;高原涡消亡阶段,新方案使浅层土壤温度下降,深层土壤温度升高;在500 hPa反气旋性环流地区,新方案模拟的土壤体积含水量较旧方案偏低,而当青藏高原高空无强烈天气系统时,新旧方案在土壤体积含水量的模拟表现差别不大。在高原涡整个生命史中,新方案在浅层土壤温度的模拟明显优于旧方案,而在土壤体积含水量模拟中第1层效果最好。