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。

CLM5.0陆面模式不同土壤分层方案对黄河源区玛多站土壤温湿的数值模拟

选取2015年6月—2018年8月玛多站观测资料作为驱动CLM5.0(Community Land Model)模式的强迫场数据,应用CLM5.0模式中不同土壤分层方案,对这一时段玛多站土壤温湿变化特征进行模拟,并检验了模拟效果。结果表明:(1)对于土壤温度,CLM5.0模式的4种土壤分层方案均能很好地模拟出一年中玛多站不同深度土壤温度的季节变化趋势,浅层土壤温度模拟值与观测值相关性更高,深层土壤温度模拟值的变化幅度相对较小且曲线较光滑。4种分层方案中,20层方案对土壤温度的模拟效果最好,平均相关系数为0.942。(2)对于土壤湿度,4种土壤分层方案均能较好地模拟出各层土壤湿度的季节变化和日变化趋势,但较观测值都有不同程度的偏差。20层方案对土壤湿度的模拟效果更好,平均相关系数为0.730。

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。

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。

陆面模式CLM对若尔盖站冻融期模拟性能的检验与对比

陆面模式CLM(Community Land Model)是目前国际上发展较为完善并被广泛应用的陆面过程模式。本文使用中国科学院寒区旱区环境与工程研究所位于青藏高原东部的若尔盖高原湿地生态系统研究站的观测资料,对CLM3.0版本及CLM4.0版本在上述地区的模拟性能进行了检验与对比。通过比较观测值与模拟值,验证了模式在高原季节性冻土地区的适用性,发现CLM4.0较CLM3.0在模拟结果上有了一定提高。CLM4.0加入了未冻水参数化方案,使模式可以模拟到冬季土壤冻结后存留的未冻水,显著增加了冻融期间土壤含水量的模拟,同时减小了土壤含冰量的模拟值。并因此增大了模拟的冻土热容量,减小了热导率,使冻融期间土壤温度的模拟也有了一定改善。但是模拟中也发现对于较深层土壤,温度模拟值在冻融期间较观测显著偏低。另外,在消融(冻结)过程阶段CLM4.0模拟的土壤含水量骤增(骤降)的时间均较观测提前。消融过程、冻结过程阶段模拟时间偏短,而完全冻结、完全消融阶段模拟时间偏长。因此CLM对于高原冻土地区的模拟仍是其需要重点改进的地方之一。

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.

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。

CLM5陆面模式在珠江流域蒸散发模拟的效果评价

为探究最新版本的陆面模式CLM5(Community Land Model,version 5)对地表蒸散发的模拟效果,选取珠江流域为研究区域,采用CLM5对该流域1989—2018年的地表过程进行模拟,并以基于卫星观测的GLEAM遥感蒸散发产品作为真值对模式的蒸散发模拟表现进行评价。评价从时间和空间的多个尺度展开,结果表明,时间上,CLM5对珠江流域的蒸散发模拟存在不同程度的低估,流域多年平均蒸散发的相对误差为-16.07%,这种低估主要来源于对冷季蒸散发低值的低估。相比之下,CLM5对于暖季蒸散发高值的模拟表现较好。空间上,CLM5在流域东南部、南部和西部区域的蒸散发模拟效果较好,北部地区模拟表现较差。研究可以为CLM5陆面模式中蒸散发模块的发展提供参考。

三个陆面过程模式在西北半干旱区的模拟性能对比

利用NOAH(The Community Noah Land Surface Model)、SHAW(Simultaneous Heat and Water)和CLM(Community Land Model)3个不同的陆面过程模式及兰州大学(Semi-Arid Climate Observatory and Laboratory,SACOL)2007年的观测资料,对黄土高原半干旱区的陆面过程进行了模拟研究。通过与观测值间的对比,考察不同陆面过程模式在半干旱区的适用性。研究结果表明:3个模式在半干旱区的模拟性能有较大差异。其中,CLM模式模拟的20 cm以上的浅层土壤温度最优,SHAW模式模拟的深层土壤温度最优;SHAW模式模拟的土壤含水量与观测值最为接近,而NOAH和CLM模式模拟值有较大偏差;3个模式均能较好地模拟地表反射辐射,其中SHAW模式模拟值与观测值的偏差最小;对地表长波辐射的模拟,CLM模式的模拟最优;3个模式均能较好地反映感热、潜热通量的变化趋势,其中CLM模式对感热的模拟性能优于其他两个模式,在有降水发生后的湿润条件下,CLM模式对潜热的模拟性能最优,而无降水的干燥条件下,CLM模式的模拟偏差最大,NOAH模式对冬季潜热的模拟最优。总体而言,CLM模式能够更好地再现半干旱区地气之间的相互作用,但模式对土壤含水量及干燥条件下的潜热通量的模拟较差,模式对半干旱区陆气间的水文过程还有待进一步的研究和改进。

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。

CLM4.0土壤水分传输方案改进在青藏高原陆面过程模拟中的效应

利用2010年5月25日-12月31日玛曲高寒草原的气象观测资料和陆面过程模式(CLM4.0)对玛曲高寒草原陆面过程进行了数值模拟。通过评估模式的模拟性能、模式对含砂量的敏感程度以及模式土壤水分传输方案改进对青藏高原地区陆面过程模拟的影响,发现CLM4.0模式能较好地再现观测站土壤温、湿度、地表辐射、湍流通量等的变化趋势,但土壤温度模拟偏低,感热通量模拟偏大;含砂量增多会减弱土壤的持水能力,使得夏季感热通量增大而潜热通量减小;CLM4.0模式中新引入的有机质对土壤温、湿度模拟均有重要影响,Richards方程和径流计算的修改则对土壤含水量模拟影响较大,这对其他陆面模式的改进具有一定的指导意义。

陇中黄土高原LAS在非均匀下垫面的观测优势及其在区域陆面模式验证中的初步应用

目前通用的通量观测技术涡动相关仪(EC)在区域陆面模式验证中存在能量不闭合和空间代表性有限的问题,寻求改进EC观测热通量的新技术是提高陆面模式验证效果的关键环节,大孔径闪烁仪(LAS)的出现有效改善了这一现状。基于黄土高原定西站2010年1月和6月的同步综合观测资料以及目前比较有代表性的陆面过程模式CLM的模拟数据,分析研究了LAS对EC观测地表能量不平衡问题的改进以及LAS对EC在区域陆面模式验证中的提高,结果表明:LAS可有效解决EC观测存在的地表能量不平衡问题,提高EC的地表能量闭合度,在非均匀下垫面LAS观测优势突出;利用LAS观测的感热通量进行区域陆面模式的验证,能够很大程度地避免EC能量不闭合和空间尺度不匹配在验证中造成的偏差,LAS观测更适合于大尺度模拟的验证,验证效果更好。

基于HRCLDAS/CLM陆面数据同化系统的青藏高原地区土壤湿度模拟研究

利用最新的高时空分辨率(1 km、1 h)的中国气象局高分辨率陆面数据同化系统(HRCLDAS-V1.0)大气近地面强迫资料,驱动由NCAR发展的通用陆面模式(CLM),对青藏高原地区2015年1月1日至9月30日的土壤湿度开展了模拟研究。结果表明模拟得到的高时空分辨率(1 km、1 h)土壤湿度能够体现出青藏高原地区从东南向西北逐渐变低的空间分布特征,较好地表现出各层土壤湿度的时间变化特征,6~9月土壤湿度波动较大,1~5月波动较平缓,上层土壤湿度变幅较大,深层变化较平缓。0~5 cm、0~10 cm和10~40 cm深度土壤湿度模拟结果与观测值的相关系数均在0.8以上,其中0~5 cm土层的相关系数达到0.92,各层土壤湿度观测值与模拟值的均方根误差变化则相反,3个土层土壤湿度模拟结果与观测值的偏差均小于0.04 mm 3 mm-3,但模式对于研究时段土壤湿度变化的低值有高估现象,且模拟能力随着土层深度的加深而减弱。

CLM3.0模式中冻土过程参数化的改进及模拟试验

对NCAR CLM3.0(Community Land Model)的冻土过程参数化进行了改进。根据平衡态的热力学关系和考虑含冰量的土壤基质势的经验公式定义了冰点下的最大液态水含量,超过最大液态水含量的部分冻结为冰,并在水导率的计算中加入了冰的阻挡作用。利用青藏高原改则站2003年4月1日至2004年12月31日的观测资料进行了单点模拟试验,模拟结果表明,原模式对辐射通量模拟比较准确,但低估了冬季冻结期的液态水含量,高估了冰含量,土壤温度也因此出现偏差,改进冻土参数化后对液态水和冰的模拟明显改善,土壤温度模拟也更接近实测,部分改进了模式对土壤水热过程的模拟能力。

基于中国植被数据的陆面覆盖及其对陆面过程模拟的影响

本文基于中国1:100万植被图、马里兰大学AVHRR森林覆盖资料和中国753个气象站点40年的降水气温资料,发展了一套用于气候模拟的中国陆面覆盖资料(Chinese land cover derived fromvegetation map,简称CLCV)。该套资料与CLM(Community Land Model)原来所用的MODIS(Moderate Resolution I maging Spectro-radiometer)陆面覆盖资料相比有较大不同:其中裸土比例减少了14.5%,森林、灌木、草原和农作物比例分别增加了3.3%、4.8%、4.4%和0.3%,冰川、湖泊和湿地比例分别增加了0.4%、0.8%和0.6%。将CLCV和MO-DIS资料分别与全国土地资源概查汇总结果分省统计资料和基于中国1km土地利用图的土地利用资料比较表明,CLCV与两者较为接近。最后,利用CLM模式分别采用CLCV与MODIS陆面覆盖资料在中国区域内进行数值模拟,结果显示,使用CLCV资料所模拟的蒸散增加了约7.7mm/a;地表反照率、感热和径流分别减小了约0.7%、0.3W/m2和7.6mm/a;与MODIS卫星反演地表反照率和GRDC(Global Runoff Data Centre)径流资料比较表明,利用CLCV资料所模拟的地表反照率有一定改进,并能基本模拟出径流分布趋势。

农牧交错带陆面过程的数值模拟研究

利用CLM(Common Land Model)模式对我国内蒙古奈曼旗农牧交错带沙漠和农田两种不同典型下垫面的陆面过程进行了数值模拟试验,并与外场试验观测结果进行了对比分析。结果表明:无论是沙漠还是农田试验,CLM都能够较好地模拟其辐射通量和土壤中的热传导特征,CLM的模拟结果能够真实地再现试验期间土壤热传导过程对天气过程的响应。相比而言,模式对沙漠地区长波辐射通量和干燥时期短波辐射通量的模拟结果好于农田,其原因可能是因为农田下垫面植被及土壤特征较沙漠复杂,有着很大的不确定性,造成了农田地表反照率和温度模拟的偏差。而对农田热传导的模拟结果好于沙漠,反映了CLM对含水量较大、持水力较强的农田下垫面的热传导模拟能力较好,而对含水量较小、持水力较弱的沙漠下垫面的热传导模拟能力相对较差。

土壤质地对中国区域陆面过程模拟的影响

利用陆面过程模式(CLM3.5)和中国区域两种土壤质地数据(分别来自第二次中国土壤调查SNSS和联合国粮食农业组织FAO),研究了土壤质地变化对于模式模拟的陆表水热变量的影响。结果显示,土壤质地对土壤水文学变量的影响远大于对土壤热力学变量的影响,尤其是对于饱和土壤含水量和饱和水力传导率的影响。对于模式的输出,土壤质地影响比较明显的有土壤湿度、总径流和土壤渗透等水文学变量以及地表潜热、地表感热和土壤热通量等热力学变量,而影响相对较小的有地面吸收的太阳辐射和地表反照率。同时,发现基于SNSS模拟的土壤湿度与站点观测值更加接近。因此,本研究认为基于SNSS土壤质地数据可以有效地改进模式模拟结果,建议以后在陆面模式试验中尽可能使用以观测为基础的SNSS土壤质地数据。

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。

不同陆面方案对降水模拟的影响

基于区域气候模式RegCM4.0(Regional Climate Model 4.0),分别选取BATS(Biosphere Atmosphere Transfer Scheme)和CLM(Community Land Model)陆面方案,对2001—2005年中国的气候状况进行模拟,并将模拟结果与CRU(Climatic Research Unit)及GPCP(Global Precipitation Climatology Project)降水资料进行对比,研究不同陆面方案对降水模拟的影响。结果表明:在两种陆面方案下,区域气候模式均较合理地模拟出了中国降水的空间分布、时间变化;模拟降水对陆面方案敏感,RegCM_BATS总体上表现为正偏差,在东北区域的模拟偏差较大;RegCM_CLM表现为负偏差,在长江以南区域的模拟偏差较大;模拟结果的偏差在夏季较大,冬季较小;两模式模拟结果间的差异在空间上由东南向西北减少;两模式均较准确地模拟了不同强度降水出现频率的分布形势,总体上RegCM_CLM模拟低强度降水偏多;高强度降水偏少,而RegCM_BATS模拟低强度降水偏少,高强度降水偏多;不同陆面方案对地表蒸发量以及地表潜热通量模拟的差异是导致模拟降水差异的主要原因,夏季地表蒸发对降水的影响较冬季更强;水汽平流输送对两模式模拟降水差异的影响较小。

黄土高原不同作物下垫面陆气水热交换的模拟研究

黄土高原农田种植结构的改变对陆面能量和水分交换、区域蒸散发等产生影响,不同作物下垫面复杂的水热耦合机制在黄土高原陆-气相互作用中起着重要作用。本文利用陇东黄土高原2019-2021年共计34个月的观测数据,结合耦合了作物模块的通用陆面模式(Community Land Model with BGC Biogeochemistry and prognostic crop,CLM5.0-BGCCROP)对黄土高原不同作物下垫面(冬小麦、玉米、苹果林地)的陆面特征进行离线单点模拟,以验证CLM5.0陆面过程模式在黄土高原农田地区的模拟能力,对比分析不同作物下垫面土壤温湿度和地表能量通量的差异。结果表明:(1)CLM5.0对土壤温湿度特征的模拟效果较好,平均均方根误差分别小于2.5℃和0.1 m^(3)·m^(-3),小麦地土壤温度模拟值偏高,玉米地和苹果林地土壤温度模拟存在冷偏差。生长期在旱期的冬小麦造成土壤干燥的程度大于玉米,苹果林地因根系丰富,吸收了更多的土壤水,使土壤整体更加干燥。(2)模拟偏差一部分是由于在模式中将作物下垫面设置为单一作物类型(冬小麦、玉米和苹果林地)时,高估(低估)了(非)生长期作物的叶面积指数,低估(高估)了地表反照率,高估(低估)了净辐射通量,更多(少)的能量转化为感热潜热。(3)另一部分偏差来自于农田不同的作物管理方式,如实际上作物收割后并不完全翻耕为裸土,模式高估了小麦地和玉米地收割后的土壤温度和土壤液态水含量;模式中没有地膜覆盖选项,导致玉米地土壤温度、土壤液态水含量模拟偏低,模拟平均偏差约-1.84℃和-0.058 m^(3)·m^(-3)。(4)冬小麦-玉米混合下垫面模拟试验能较好地模拟地表能量通量,净辐射、感热通量、潜热通量的模拟平均偏差分别为-6.13 W·m^(-2)、11.46 W·m^(-2)、-1.97 W·m^(-2)。在生长期内,冠层蒸腾作用占主导,随着作物叶面积指数的增加,感热通量减少,土壤温度降低,潜热通量增加,土壤液态水含量减少。