基于微波遥感和陆面模型的流域土壤水分研究

土壤水分是陆地水文的重要因子。微波遥感是测量土壤水分的一种重要方法。本文总结了基于微波遥感和陆面模型的土壤水分监测方法,包括被动微波法、主动微波法、主被动微波结合法、陆面模型模拟法和数据同化法五种。被动微波对表面土壤水分敏感,但其空间分辨率低;主动微波具有较好的分辨率但运作费用也较高;主被动微波结合则能够充分利用各自的优势。陆面模型在研究中也有重要作用,通过模型模拟能够得到根区土壤水分。而将观测值同化到模型的数据同化法,则能极大的提高土壤水分估计的能力。通过比较,指出数据同化是最有前景的研究领域。

陆面模型Noah-MP的不同参数化方案在沙漠区域的适用性研究

为研究陆面模型Noah-MP在沙漠下垫面的最优参数化方案组合,本文利用中国气象局塔克拉玛干沙漠气象野外科学试验基地观测数据,根据沙漠环境特征进行不同参数化方案组合的三组模拟实验,利用观测数据对10 cm土壤温湿度、感热、潜热通量模拟值对比分析得出最优组合。研究表明:第三组对10 cm的土壤温度模拟效果最好,主要原因是Chen97感热交换系数和全网格二流近似(gap=0)辐射传输方案比较符合沙漠的环境特征。三组试验对土壤湿度模拟效果差,其主要原因是沙漠的土壤信息未能体现在模式中,第二组选择CLM方案对土壤类型影响蒸发方面有一定考虑,其模拟结果相对较好。对于感热通量,第一、二组模拟值在波峰存在高估,尤其是第二组模拟值在降水后出现了明显低估情况,第三组模拟效果最好,主要得益于选择了感热交换系数Chen97方案,能够较为真实的刻画Ch变化特征。潜热通量在四个特征量中模拟效果最差,主要原因是沙漠土壤水分极低,观测降水和实际进入土壤的水量有差异,另外没有植被和植物根系,模式无法准确计算土壤蒸发和植被蒸散。根据统计分析和泰勒图可知,第三组能够更好地还原沙漠区域的陆面过程。

耦合叶肉导度的陆面过程模型最大叶肉导度参数的敏感性分析

陆面过程模型添加叶肉导度能有效改善模型模拟的CO_(2)施肥效应精度,但叶肉导度模拟受最大叶肉导度参数取值的影响,优化模型中最大叶肉导度参数是改进陆面过程模型叶肉导度和CO_(2)施肥效应模拟的重要途径。以EALCO(Ecological Assimilation of Land and Climate Observations)模型为例添加叶肉导度,通过人为改变最大叶肉导度值的取值,分析模型输出结果对最大叶肉导度的响应,揭示最大叶肉导度参数在模型中的敏感性,并与已有研究结果或观测数据比较,探讨耦合叶肉导度的陆面过程模型最大叶肉导度参数优化的途径。模拟试验以美国哈佛森林典型温带落叶阔叶林生态监测站(US-Ha1 site, Harvard Forest Environmental Monitoring site)数据为驱动。结果显示:(1)随最大叶肉导度增加,总初级生产力(GPP, Gross Primary Production)模拟精度增加,但最大叶肉导度取值大于1.0 mol m^(-2)s^(-1)后模拟精度改善有限,最大叶肉导度小于1.0 mol m^(-2)s^(-1)时GPP模拟精度对最大叶肉导度变化响应敏感;(2)证实了叶肉导度与气孔导度之间存在明显线性关系,最大叶肉导度取值的变化能明显影响这种线性关系的斜率。当最大叶肉导度取值从0.5 mol m^(-2)s^(-1)增加到1.2 mol m^(-2)s^(-1)时,气孔导度与叶肉导度的比值从0.75左右降至0.36,这个结果表明,通过明确某一植被功能型叶肉导度与气孔导度比值,可以间接确定模型最大叶肉导度的合理取值范围;(3)证实了陆面过程模型添加叶肉导度能改进CO_(2)施肥效应模拟精度,最大叶肉导度值能影响施肥效应模拟结果,当最大叶肉导度高于0.57 mol m^(-2)s^(-1)后,随最大叶肉导度增加,模拟GPP随大气CO_(2)浓度增加的增长率呈下降趋势;(4)在月尺度上叶肉导度模拟对最大叶肉导度值的敏感性随不同生长季而不同,在生长盛期的7、8月份最大叶肉导度对叶肉导度模拟结果影响最大,其次是5、6、9月份等生长次盛期,其他月份的影响较小。

基于全国50km×50km网格的大尺度陆面水文模型框架

基于陆面物理过程模型VIC及中国内陆50km×50km分辨率网格,建立了大尺度陆面水文模型框架,生成了网格植被参数库和土壤参数库,完成了740个气象站点降水及温度数据在全国50km×50km格网上的插值。该模型考虑了陆气间的水分和能量平衡,径流机制同时考虑蓄满产流、超渗产流及土壤性质的空间非均匀性。利用所建立的模型框架对处于半干旱区的渭河部分子流域进行分析,结果表明所建模型框架具有一定的合理性和适应性。

基于WRF驱动的CLM模型对青藏高原地区陆面过程模拟研究

NCAR-CLM是目前国际上发展较为完善的陆面过程模型.鉴于大多数研究利用气象站点的数据驱动CLM模型,尝试将WRF气候模型的模拟结果作为驱动CLM的面上强迫场数据来对青藏高原陆面能量特征进行模拟研究.对WRF气候模型模拟的输出结果与青藏高原气象站观测数据进行比较分析表明,WRF模拟输出的气温和向下短波辐射数值与观测值的相关系数大于0.92(p>0.05),气压和比湿的R2在0.80以上(p>0.05),降雨和风速的模拟性能不稳定,但WRF模拟输出的强迫场也可以作为CLM模型的驱动数据.CLM模拟的地表温度、感热和潜热通量与青藏高原气象站观测的地表温度以及涡度通量数据验证分析表明,虽然CLM对地表温度的模拟在合理范围内,但模拟与观测值还是有较大偏差,潜热和感热之间的相关系数分别为0.87和0.68(p>0.05),表明CLM的模拟结果在单点上是可靠的.据此,在此模拟结果基础上分析了青藏高原地区的陆面能量时空分布特征.

VIC陆面水文模型在白莲河流域径流模拟中的应用

本文从气象与水文水资源学科交叉的角度引进VIC陆面水文模型,将其应用于湖北省白莲河流域,探讨模型在中小流域降雨径流模拟中的适用性。本研究利用白莲河流域DEM、植被、土壤等数字化资料,经过模型预处理,建立了白莲河流域VIC模型框架。并进行了模型参数敏感性分析。模拟结果表明,模型基本能够反映该流域的日径流水文过程,具有一定适用性。

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。

基于地下水陆面过程耦合模型的黑河干流中游耗水分析

耗水分析能够直接揭示水资源利用的本质,蒸散发是流域尺度耗水的主体.将一个典型的陆面过程模型和一个地下水模型紧密耦合,从而在地下水模型中增加具有物理机理的蒸散发描述,同时改进陆面过程模型中地下水的动力过程,由此在发挥这两类模型各自优势的基础上,构建了一个地下水-陆面过程耦合模型.利用该模型模拟了黑河干流中游2008年逐小时的蒸散发过程.结果表明:黑河干流中游2008年总耗水量约为35.7×108 m3,耗水最大的地表类型是农作物为19.3×108 m3、裸地和戈壁为7.2×108 m3、草地为6.0×108 m3、稀疏植被为3.1×108 m3,其中,不同地表类型的年蒸腾量分别为8.8×108 m3、0.02×108 m3、2.2×108 m3以及0.4×108 m3,对应它们的年蒸散发强度分别为:580mm、117mm、331mm以及202mm.通过耗水平衡分析也得到2008年黑河干流中游地下水呈负平衡状态,全年地下水超采约0.9×108 m3,其中区内地下水储量在7—11月间呈增加趋势,其他各月呈减少趋势.

陆面模型的网格尺度在春季土壤墒情数值模拟中的优化选择

陆面模型为区域农田土壤墒情监测提供了很好的途径,优化选择模型的网格尺度可以最有效地的利用空间输入信息,提高计算效率。本研究以海河平原内的1°×1°(115.5～116.5°(E),38～39°(N))为研究区,运用陆面模型CLM3.0分别在(1/120)～1°的14种不同网格尺度上对2003年3—5月的土壤墒情进行了独立模拟,分析在一定精度的空间输入数据条件下,陆面模型的网格尺度在该区域春季土壤墒情模拟中的优化取值。研究表明,结合模型输入数据的空间分辨率选择合适的网格尺度,可有效地减少计算机浮点计算取舍引起的误差;网格的无限精细并不能提高模拟效果,需要依据土壤砂粒百分含量数据的精度、变程及模拟目的优化选择陆面模型的网格尺度。当仅需要获得区域的土壤墒情平均值时,网格尺度的优化取值在土壤砂粒百分含量数据变程的1.4倍附近;当需要获得区域的土壤墒情空间变异特征时,网格尺度的优化取值在土壤砂粒百分含量数据变程的28%附近;当需要获得区域的土壤墒情空间变异特征及极大值时,网格尺度的优化取值在土壤砂粒百分含量数据变程的19%附近;当需要获得区域的土壤墒情的所有空间统计特征时,网格尺度的优化取值在土壤砂粒百分含量数据的空间最小尺度附近。

通用陆面模型CLM3.0在冬小麦-夏玉米农田的参数化方案改进——以海河平原的3个试验站为例

为了准确模拟冬小麦-夏玉米种植制度下的农田土壤墒情,本研究改进通用陆面模型CLM3.0的参数化方案,包括灌溉措施及作物种植制度参数化的加入、土壤厚度及土壤层的剖分修改、作物水文及土壤水文过程的一些参数化修改、考虑作物的株高变化等,在海河平原的3个农业观测试验站(东北旺、栾城、洪门)验证改进后的模型的适用性。结果表明:改进后的CLM3.0模型在冬小麦和夏玉米种植制度下的农田具有较好的适用性,可以抓住各层土壤湿度的变化,与改进前的模型相比,其土壤墒情模拟精度明显提高,2m土体土壤湿度的均方根误差在东北旺、栾城和洪门试验站分别减少了45.2%、47.1%和51.5%。

可用于陆面过程模型的地形指数水文模型中简化参数化方案的研究

在全球气候系统模型中,陆面水文过程对提高模拟精度有显著作用。土壤水分空间非均匀分布对于蒸发和径流的计算以及能量在潜热和感热之间的分配具有重要的影响,但现有的多数陆面过程模式未能考虑土壤水分水平非均匀性的影响。地形指数模型以其较好的物理基础、参数少、计算量小,且能考虑地形变化对土壤水分非均匀分布影响等优点,使其有潜力模拟陆面过程中水分过程分布非均匀二维特性。目前地形指数水文模型已被推荐应用于陆面过程模式(Land surface models,LSMs)中以改进对陆面水文过程的模拟能力。在地形指数模型中,数据的空间分辨率、河道的起始临界值、非饱和区域的分区和空间各点的坡度等因子不同的确定,都能对模拟结果产生重要影响,对它们如何合理地给定,既不降低模型精度,又能省时、省资源是十分重要的。本研究通过大量的敏感性模拟试验,较系统地探讨上述参数不同的确定方案对流域水量平衡模拟结果的影响。主要结论有:(1)将流域按地形指数值大小分为16块与仅区分饱和区与非饱和区或仅区分饱和区、较湿润区和较干区3块模拟结果相差不大,因此将地形指数模型应用于陆面模式时仅区分饱和区与非饱和区或区分饱和区、较湿润区和较干区3块这种简化方案也许是一种可行的选择;(2)不考虑坡度会扭曲水量平衡各要素的计算,用一个平均坡度替代实际坡度的办法就会有比较接近了实际坡度的结果。因此,LSM模型中一维均匀的网格做法应该改进,但太细致的坡度取法也许没必要。以上结论可为今后发展用于陆面模式的大尺度水文模型提供依据。

互补相关陆面蒸散发模型在陕西关中平原地区径流深估算中的应用

陕西省关中平原地区，无区域代表站。目前对水资源量的估算，采用径流系数法，带有很大的人为因素影响，往往因人而异。采用加拿大的互补相关陆面蒸散发模型，并根据关中平原地区30个雨量站资料，得到了合理、可信的径流深计算成果，从而填补了关中平原地区径流估算的空白。

基于Noah陆面过程模型模拟青藏高原植被和土壤特征对多年冻土的影响

针对青藏高原植被稀疏、土壤颗粒较粗糙的特征,基于Noah陆面过程模型(LSM),模拟了植被和土壤对整个高原多年冻土分布和关键属性特征(包括活动层厚度和年平均地温)的影响,并通过野外调查数据对模拟结果进行了评估。结果表明:在考虑稀疏植被和粗糙土壤后,改进的Noah LSM对青藏高原多年冻土分布和属性的模拟性能都有所改善;多年冻土面积由原始Noah模型模拟的1.216×10~6km^2减少到1.113×10~6km^2,模拟的空间差异主要出现在多年冻土与季节冻土的过渡区及高原南部的岛状多年冻土区;模拟的高原平均活动层厚度由原始Noah模型模拟的2.55 m增加到2.92 m,年平均地温也由-2.17℃增加到-1.65℃。总之,青藏高原稀疏植被和粗糙土壤对多年冻土有重要影响。

耦合陆面水文模型和机器学习方法的水库径流量预报及应用

采用智能网格预报等多种气象预报数据与陆面水文模型及机器学习方法进行耦合,以岩滩水库流域区间为例,将区间预报径流量与历史径流量数据输入长短期记忆网络模型(LSTM)进行水库入库径流量预报,通过对日径流量模拟试验和业务试用分析,探明该方法在短期水文预报中的适用性。结果表明,耦合气象-水文-机器学习的径流量预报模型在率定期和验证期纳什效率系数(NSE)在0.65左右,在强降水过程训练试验中,日径流量和洪峰预报合格率≥87.5%,达到甲级预报精度标准;在业务试用中,24h、48h、72h日径流量预报合格率分别为87.3%、70.4%、75.5%,达到甲级或乙级预报精度标准,满足发布正式预报的精度要求;3次较大降水过程径流量和峰现时间预报合格率均为100%,达到甲级预报精度标准;峰值预报为66.7%,达到丙级预报标准,可用于参考性预报。将物理模型与人工智能方法进行有机耦合,可提高水文预报产品精度和适用性。

基于陆面水文耦合模型的淮河流域水文模拟与极值分析

陆面水文耦合有助于完整理解区域陆面水循环过程及其反馈作用,揭示极端水旱灾害对气候变化的响应机制。本文利用一个陆面水文耦合模型,结合淮河流域水文站的实测流量资料,首先验证了该模式在淮河流域的适用性;在此基础上开展了连续56 a的长时间数值模拟,考察了模式对淮河流域水文过程及水文极值的模拟能力。基于淮河干流蚌埠站逐月模拟量和实测流量的时间序列,采用Pearson-Ⅲ型分布计算该站不同重现期的设计流量,结果表明两者均能得到较为合理的设计流量,但在极大值区,实测流量的拟合精度比基于模式模拟流量序列得到的结果更优。

陆面数据同化系统的研究综述

大气、海洋数据同化系统的完善和发展,促进了陆面数据同化系统的研究。本世纪初,随着北美(全球)陆面数据同化系统的建立,利用卫星、雷达数据同化地表土壤水分、地表温度、能量通量等工作正逐步展开。与此同时,陆面数据同化的研究也已经成为当前陆面过程和水文过程研究的热点。以北美(全球)陆面数据同化系统、欧洲陆面数据同化系统、中国西部陆面数据同化系统为例,对当前陆面数据同化系统的基本框架作了详细介绍;并指出了当前陆面数据同化系统发展中有待解决的若干问题。

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.

陆面模式中植物根系吸水过程参数方案研究进展

根系吸水对水循环起重要调控作用,开展根系吸水过程及参数方案研究,将加深对地表水文和生物地球化学过程的理解,对提高陆面过程模型乃至气候模式的模拟能力均起到促进作用。本文简述了植物根系吸水模型的发展进程,归纳了根分布、土壤水分对根阻影响函数及根系水分再分配作用参数方案的研究概况,指出现有陆面过程模型根系吸水参数方案存在的不足,提出未来发展方向,为相关研究提供参考。

人为扰动对陆面水分能量的影响——以沩水河流域为例

以沩水河流域为例,基于陆面模式CLM4.5,建立了综合考虑作物种植、地下水开采及灌溉等人类活动的流域陆面水文模型。利用所发展模型,针对1981~2012年,取500 m空间分辨率,探讨人为扰动对陆面过程的影响。研究表明:1)地下水侧向流使得中下游地区地下水位有所提高,平原地下水埋深分布在4 m左右,山区埋深可达到几十米;模拟的叶面积指数较静态MODIS叶面积指数偏大1左右,由此使得种植区月蒸腾量提高约10 mm,土壤蒸发和地表产流有所减少;在灌溉作用下,作物叶面积指数略增长,蒸散发稍有提高,而在假设水稻采用漫灌的情况下,水库灌溉补偿了作物生长产生的水消耗,提高了该区域土壤湿度,增加潜热通量;研究区地下水开采存在但其水文效应并不显著。2)土地覆盖变化自1990年有较大变动,1990~2000年以林地为主,2000年后以耕地为主,其中,1990~2000年土地覆盖类型变化不明显,2001~2012年耕地面积呈先减少再增加又减少的趋势,林地面积则先增加再减少又增加,耕地与林地在2012年所占比例基本持平;同一土地类型内,植被类型变化较为明显,导致陆面水文模拟结果差异较大。

农业灌溉和施肥在陆面过程模型中的参数化方法研究进展

全球气候变化和人口激增背景下,灌溉和施肥成为保证粮食产量的重要途径,同时也深刻改变着陆地生态系统水循环、能量流动和物质循环过程。在陆面过程模型(LSM)中耦合灌溉和施肥方案对清晰把握陆⁃气相互作用、保障全球粮食安全有重要意义。本文分别回顾了灌溉和施肥(氮肥)在LSM参数化过程中的3个关键参量(方式、用量和时间)的表达方法,指出了当前受到灌溉和施肥关键参量高时空分辨率数据匮乏的影响,LSM中的灌溉和施肥方案与实际农业生产方式有所偏离,难以充分反映灌溉和施肥对粮食产量、生态环境和局部气候的影响。最后,提出了LSM中灌溉和施肥方案的未来优化方向:1)考虑作物间的水分需求差异,对灌溉阈值进行差异化设置,正确评估不同作物的水资源消耗总量和强度;2)充分利用施肥灌溉的地面观测记录和日益丰富的区域格网数据,发展更加贴合实际农业操作的参数化方案,准确揭示灌溉和施肥的经济、生态和气候等效应;3)综合作物类型、物候阶段、土壤基础肥力等因素,发展施肥诊断方案作为模型的补充方案,提升模型在氮肥数据匮乏地区的应用性和模拟准确性。