CLDAS和GLDAS土壤湿度资料在黄土高原的适用性评估

本研究基于2011～2013年3～9月CMA陆面数据同化系统(CLDAS)和全球陆面数据同化系统(GLDAS) Noah陆面模式提供的表层10 cm土壤湿度数据,以国家气象信息中心提供的站点土壤湿度观测资料为参考,通过对比分析两套模拟数据在黄土高原区域的时空差异,并分别计算其与观测资料的相关系数(Corr)、平均偏差(MBE)和均方根误差(RMSE)等统计特征值,就两套模拟数据在黄土高原地区的适用性进行综合对比和评估,旨在选出一种适用于研究黄土高原地区土壤湿度时空特征的大范围、长时间序列的替代资料。结果显示:(1)两套陆面模式资料均能较好模拟黄土高原地区土壤湿度的空间变化特征,主要呈现出从西北向东南和西南增加的趋势,其中CLDAS具有较高的空间分辨率,能够较好刻画研究区细部特征;(2)从站点角度的统计特征值来看,两套资料的Corr值普遍偏高,CLDAS有71%和63%的站点分别达到极显著和显著差异水平,而GLDAS的略低,分别为70%和62%;研究区内各套资料的MBE和RMSE分布均类似;正负偏差站点个数相差不大,分布区间主要为-0.05～0.05,其中CLDAS有26和32个站点分别处于-0.05～0和0～0.05之间,而GLDAS则为28和24; GLDAS的RMSE主要集中在0.05～0.07之间,而CLDAS绝大部分低于0.05;(3)从时间序列来看,GLDAS资料与实测最为接近,但在春季存在一定程度的偏干情况,偏干程度小于CLDAS;(4)从整个研究区土壤湿度的模拟状况来看,GLDAS的Corr、MBE和RMSE值分别为0.821、0.0126和0.0221,较CLDAS资料具有更小的平均偏差、均方根误差和更大的相关系数。总体来说,两套陆面模式资料在黄土高原区域土壤湿度模拟上均存在各自的优势,均可作为土壤湿度观测的替代资料,对于土壤湿度研究和业务应用都具有积极的意义。

CLDAS融合土壤湿度产品在东北地区的适用性评估及订正

通过计算CLDAS的0-20cm土壤相对湿度融合产品与农业气象观测站逐旬10cm土壤相对湿度观测值的相关性和偏差,综合分析CLDAS在东北地区的适用性。结果表明:CLDAS融合土壤相对湿度能较合理地反映东北地区10cm深度土壤相对湿度的空间分布,但是在对极值的描述上有所欠缺,其中CLDAS对辽宁西部和黑龙江西南部的土壤相对湿度模拟偏高较明显,而在黑龙江的东北部地区对实际土壤相对湿度的模拟偏低;总体上,CLDAS融合土壤相对湿度资料在东北地区的适用性由西南向东北方向递减,在吉林和辽宁省的适用性更好。回归订正和7旬滑动平均订正法对CLDAS产品的误差订正表明,订正结果大大提高了CLDAS产品的精度,其订正后产品可以应用于土壤湿度干旱监测业务。

风云卫星系列及CLDAS土壤水分产品多尺度精度验证与评价:以青藏高原那曲地区为例

对风云卫星(FY-3B、FY-3C)系列土壤水分产品和中国气象局陆面数据同化系统CLDAS-V2.0(Chinese Land Data Assimilation System Version 2.0)土壤水分产品展开精度验证与评价,旨在明确中国土壤水分产品的时空序列精度特征,以期为后续土壤水分产品精度校正与反演模型改进提供参考。验证实验在青藏高原那曲地区开展,基于那曲地区大(1°×1°)、中(0.3°×0.3°)、小(0.1°×0.1°)三个尺度观测网中观测站点0-5cm、0-10cm和10-40cm土壤水分逐日观测资料进行评价,并加入全球陆面数据同化系统GLDAS-1(Global Land Data Assimilation System Vision 1.0)Noah土壤水分产品作为对比。结果表明:(1)时序性上,CLDAS-V2.0土壤水分产品表现出良好的时空连贯性,FY系列土壤水分产品空值普遍存在,在冰冻期尤为显著。FY及CLDAS-V2.0土壤水分产品多数时间存在高估现象,在降水事件发生后和植被生长期高估尤为明显。(2)各土壤水分产品在不同尺度观测网中的统计结果一致。但相较于大中尺度稀疏测站,各产品在小尺度密集观测网的评价结果更加稳定和优异。(3)0-5cm深度,CLDAS-V2.0土壤水分产品质量整体优于FY系列土壤水分产品,FY系列土壤水分日间观测产品精度高于夜间观测产品。10-40cm深度,CLDAS-V2.0土壤水分产品精度高于GLDAS-1 Noah土壤水分产品。结果表明中国自主研制的土壤水分产品数据集质量较为稳定、可靠。

CLDAS融合土壤相对湿度产品适用性评估及在气象干旱监测中的应用

基于2008—2017年全国自动气象观测站逐旬土壤相对湿度观测数据,综合评估中国气象局陆面数据同化系统(CMA Land Data Assimilation System,CLDAS)0~20 cm层融合土壤相对湿度产品在中国地区的适用性,评估表明CLDAS土壤相对湿度产品在中国东北、西北、江南大部及华南等地区存在较大系统性误差,总体上适用性较差。为消除CLDAS土壤相对湿度产品的系统性误差,采用回归订正法、7旬滑动平均订正法和临近加权前旬订正法对CLDAS土壤相对湿度产品进行误差订正处理,对订正结果评估发现:订正处理后CLDAS土壤相对湿度产品与站点观测的相关性显著增加,系统偏差基本消除,适用性明显提高,3种订正方法中临近加权前旬订正法的订正效果最优。最后,采用经不同方法订正后的CLDAS土壤相对湿度产品对2017年5月东北—华北地区一次气象干旱个例进行重现,对比验证表明:相对其他两种订正方法,经临近加权前旬订正法处理后的CLDAS土壤相对湿度产品能更为精准地重现2017年5月东北—华北地区气象干旱的落区和强度。

辽宁省生长季CLDAS土壤相对湿度产品的评估检验

基于辽宁省2020年生长季(5-10月)逐日自动土壤水分站观测资料,利用相关系数(r)、均方根误差(RSME)、平均绝对误差(MAE)和偏差(ME)等统计评估指标对0-10cm、0-20cm和0-50cm层次的CLDAS(中国气象局陆面数据同化系统)土壤相对湿度产品在辽宁省的模拟表现进行评估检验,以确定其在辽宁省的适用性。结果表明,3个土壤层次的CLDAS土壤相对湿度模拟结果与观测值在时间尺度上存在趋势一致性,具有显著的正相关。生长季内辽宁省CLDAS平均土壤相对湿度模拟结果整体偏高,CLDAS对土壤相对湿度在60%~90%之间的模拟效果较好,对偏湿状态(RSM>90%)和偏干状态(RSM<60%)的模拟效果欠佳。3个层次的CLDAS土壤相对湿度模拟结果与观测值存在一致的空间变化趋势,总体呈西低东高趋势分布。CLDAS土壤相对湿度模拟结果与观测值呈显著正相关关系,0-20cm和0-50cm层次上全省大部地区相关系数超过0.8。误差评估结果在全省范围内的分布趋势一致,辽宁东部、南部和西部的误差较小,北部和中部的部分地区误差较大,在康平—彰武—新民—台安一线出现误差异常高值区。CLDAS土壤相对湿度模拟结果在辽宁省具有较强的适用性和稳定性,能够较好地反映土壤水分盈亏变化状况。

GLDAS-NOAH土壤湿度资料在中国区域的适用性分析

本研究利用中国观测土壤湿度和GLDAS-NOAH土壤湿度资料,通过对比分析,研究了GLDAS-NOAH土壤湿度资料在中国区域的适用性。结果表明GLDAS-NOAH的土壤湿度模拟结果可以较好的反映中国观测土壤湿度的空间分布状况和时间变化趋势。模拟的土壤湿度呈现出由西北向东南递增的分布格局,低值区位于新疆南部和内蒙古中部,和高值区位于湖南东部,江西中部。观测土壤湿度从浅层(0~10 cm)到深层(0~50 cm)显著增大,而模拟土壤湿度随深度无明显变化。在时间变化上,模拟和观测土壤湿度都在东北平原、河套地区和新疆南部呈现出减小的趋势,在河套地区、辽宁土壤湿度都有增加的趋势。在对东北、河套和江淮三个地区进行详细模拟效果分析中,在江淮地区模拟的效果最好,河套次之。GLDAS-NOAH土壤湿度资料存在不足之处,即对深层(0~50 cm)土壤湿度的模拟效果较差。

基于WRF-LES的崇礼复杂地形局地风场模拟研究

采用四重嵌套的WRF-LES,针对2022年北京冬奥会张家口崇礼赛区开展局地风场模拟试验,基于地面自动气象站和激光雷达观测资料,对一次晴空高压系统控制下的具有明显局地风环流特征的天气个例模拟结果进行检验评估。文中引入了STRM130 m地形数据、glc201527 m土地利用数据和CL‐DAS的土壤湿度数据用以提高模拟结果的准确性,并设计了敏感性试验来探讨不同资料对模拟结果的影响。结果表明:(1)WRF-LES能够呈现出复杂地形下局地风场的时空变化特征,各站风向绝对误差在10°~60°,风速绝对误差在0.5~2 m·s^(-1)。在山谷和山沟区域,模拟风场和观测风场都表现出明显的日变化特征,海拔较高站点的误差比海拔相对较低站点的误差更小。海拔较低站点在山谷风或上下坡风发展稳定时段风向误差较小,风向转换时段误差较大。(2)更新地形、土地利用以及CLDAS土壤湿度初始场对模拟结果都有一定程度改善。其中更新CLDAS土壤湿度初始场对风向和2 m气温的改善效果最为明显,风向绝对误差减小4.26°,2 m气温绝对误差减小0.84℃。更新土地利用对风速的改善效果最明显,风速绝对误差减小0.32 m·s^(-1)。(3)CLDAS土壤湿度较ERA5的土壤湿度明显偏小,较小的土壤湿度会使土壤具有低传导率或低热容量,这种状态会导致地表温度在白天的升温幅度和夜间的降温幅度都增大,较强的白天增温垂直高度可延伸至700~900 m,较强的夜间降温垂直高度在200 m以下,与此同时,较小土壤湿度也会使白天低层风速增大,这些特征在山谷和山沟中更为明显。

中国气象局陆面同化系统和全球陆面同化系统对中国区域土壤湿度的模拟与评估

土壤湿度是气候变化的重要影响因素之一,但是土壤湿度观测资料的缺乏严重制约了与之相关的研究,陆面模式模拟的土壤湿度资料可作为观测资料的重要补充,广泛应用于业务和科研。利用国家气象信息中心提供的2012年中国区域226个站点逐小时的土壤湿度观测资料,对中国气象局陆面同化系统(CLDAS)和全球陆面同化系统(GLDAS)四个陆面模式输出的土壤湿度产品进行了比较与评估,结果表明:1五个模式均可以模拟出中国区域土壤湿度的空间分布状况,但是从模拟值与观测值的偏差和相关系数来看,CLDAS的土壤湿度产品优于GLDAS;2从对选取的五个研究区域土壤湿度的模拟状况来看,CLDAS好于GLDAS,仅在江淮和西南地区的模拟存在轻微的偏差;3 CLDAS在中国区域的土壤湿度模拟上存在一定的优势,这对于土壤湿度研究和业务应用都具有积极的意义。

CLM3.0对中国区域陆面过程的模拟试验及评估Ⅱ:土壤湿度

利用CLM3.0及普林斯顿大学的全球大气外强迫场资料,对中国地区1948—2001年的土壤湿度进行了off-line模拟,进一步评估了CLM3.0对中国地区土壤湿度的模拟能力。结果表明:模式基本能揭示土壤湿度的空间分布型,即华北干、东北和东南湿"二湿一干"的分布特征,但模拟值较观测值普遍偏高;就年际变化而言,在5个分区中,云贵地区模拟的年际变化与观测的相关性最好,东北区域次之,模拟的东部中纬度区域的年际变化较差,全区范围内7月的模拟好于4月;模式对于土壤湿度倾向有一定程度的模拟能力,基本能模拟出4月东北东部区域的干化趋势,但模式模拟的变化幅度较观测值偏小很多,其中以黄淮江淮地区模拟的趋势最差。

土壤湿度年际变化对中国区域极端气候事件模拟的影响研究Ⅰ.基于CAM3.1的模式评估

利用NCAR大气模式CAM3.1对中国区域近40年的极端气候事件进行了模拟试验;在此基础上,利用1961～2000年中国区域452站的逐日最高、最低气温和降水资料,从气候平均、年际变化和长期变化趋势等方面全面评估了该模式对中国极端气候事件的模拟能力。结果表明:(1)模式对中国区域极端气候指数气候平均态的大尺度空间分布特征具有一定的模拟能力;模式对极端降水指标空间分布的模拟能力较好,而对极端气温指标的模拟较差;模式对极端气候指标的模拟存在系统性的偏差,模拟的极端降水的系统性偏差要远大于对极端温度的模拟。(2)模式对极端气温指数的年际变化特征具有较强的模拟能力,而对极端降水指数的年际变化基本没有模拟能力;模式模拟的各极端降水指标的年际变幅与观测存在较大的偏差。(3)模式较好地模拟出了暖夜和暖昼指数在中国大部分区域的增加趋势,但变幅较实测偏小;模式对热浪持续指数长期趋势的模拟则相对略差。模式对极端气温指标长期趋势的模拟能力总体优于对极端降水指标的模拟。模式对极端降水频次和中雨日数长期趋势的模拟尚可,但对持续湿期长期趋势的空间分布模拟较差。研究结果可为该模式用于极端气候的模拟研究提供一定参考。

基于土壤墒情模型的旱情评估预测模型研究

干旱灾害是对农业生产影响最为严重的自然灾害之一,严重制约了安徽省淮北地区经济社会可持续发展。首先简要介绍安徽省淮北地区干旱特点及原因,构建了区域干旱评价指标体系并划分不同季节旱情等级标准,然后建立了基于土壤墒情、降水量及地下水埋深的综合旱情评估预测模型。将干旱评价指标体系及评估预测模型分别应用到2008年冬旱评估、2009年3月份干旱预测评估,结果表明:该模型预测评估结果基本能够反映区域干旱的实际情况,能够为区域防旱抗旱提供技术服务。

陆面过程模式CLM4.5在半干旱区退化草原站的模拟性能评估

利用国际协同强化观测期(CEOP)在中国半干旱区退化草地站——通榆站的观测资料,对一个较为完善的陆面过程模式NCAR_CLM4.5(Community Land Model 4.5)的模拟性能进行检验。模拟结果与观测资料的对比表明,CLM4.5能很好地模拟出观测站点的辐射通量、水热交换、土壤温湿的空间分布和时间变化特征。但地表吸收的辐射模拟值略低,土壤湿度偏低,地表吸收的辐射及土壤温度等日变化略大;大气强迫变量处于某些特定的形势下时,模拟存在较大误差,如8月底的模拟。此外,冬季辐射通量、水热交换以及土壤温湿的模拟均存在较大误差,说明CLM4.5模式在冬季地表物理过程的参数化方案上需要进一步改进。

不同深度土壤水分同化产品在川西高原的应用

[目的]评估不同深度土壤水分同化产品的适用性,为川西高原有关气候变化、生态环境建设等研究提供土壤水分数据选择的科学依据。[方法]以气象自动观测站的土壤水分值作为参考,评价了中国气象局陆面同化系统CLDAS-V 2.0和全球陆面同化系统GLDAS-Noah土壤水分产品在川西高原的精度,并分析了土壤水分产品对降水过程的反应以及降水对土壤水分产品精度的影响。[结果]①GLDAS和CLDAS数据均与参考值具有极显著的相关性(p<0.01),GLDAS数据与参考值的相关性整体好于CLDAS数据;②2套土壤水分产品在研究区表层和浅层的误差均较小,其中,表层土壤水分的误差大于浅层,GLDAS数据的误差小于CLDAS数据。两套数据都存在对土壤水分的高估,且在无降水情况下对土壤水分的高估比有降水的情况更突出;③2套数据在表层和浅层都表现出与降水一致的变化过程,且土壤水分的变化均滞后于降水量的变化,GLDAS数据对降水变化的反应比CLDAS数据更加灵敏,但CLDAS数据因具有较高的空间分辨率而对川西高原土壤水分的空间分异特征表现得更好。[结论]两套土壤水分产品表层和浅层数据在川西地区的适用性都较好,GLDAS数据质量总体较CLDAS数据更好,但CLDAS数据在对土壤水分空间分异的表现方面更具优势。

内蒙古地区多种土壤湿度资料的初步评估

土壤湿度是陆-气相互作用过程中重要的地球物理变量,在天气和气候研究中起着不可忽视的作用。文中将2011-2013年CLDAS、ERA-Interim和GLDAS-1/Noah获取的10cm土壤湿度资料在内蒙古地区的时空差异性进行了分析,并分别与观测资料进行了对比评估。结果表明:CLDAS、GLDAS和ERA-Interim土壤湿度都能较好地再现内蒙古土壤湿度的时空变化特征,其中CLDAS模拟最好,与观测资料的相关系数最高并能够很好地表现局地特征,ERA-Interim土壤湿度模拟能力欠佳、GLDAS土壤湿度能较好的反映内蒙古的干湿状况,平均偏差和均方根误差较小,但在东部有待改进。

基于站点观测和模式模拟的北京市土壤湿度

为了获取全面的地面表层的时空变化信息,研究行政区域尺度内的水循环和能量循环,必需结合模型模拟和站点观测。基于国家气象局开发的时空连续的CLDAS土壤湿度产品,结合已获取的北京市区域内82个监测站点的逐日土壤湿度监测数据,评估CLDAS土壤湿度产品在行政区域尺度内的准确性与一致性,进一步获取北京市行政区域内的精确、全面、连续的土壤湿度时空变化信息,并在此基础上分析北京市土壤墒情时空变异特征。对比分析CLDAS产品和站点观测两种土壤湿度数据显示,北京市2013年10月1日至12月31日范围内CLDAS产品具有以下特点:CLDAS产品基本与观测数据具有一致变化的趋势,除顺义外CLDAS产品均高于观测数据。当日20∶00的土壤湿度均高于8∶00的土壤湿度,在平均气温降为0℃后,土壤湿度波动剧烈,20∶00与8∶00的土壤湿度出现显著差异。在时间尺度上,随着降水的减少,北京市的土壤湿度在逐渐降低。在空间尺度上,北京市干旱范围在逐渐扩大,并且呈现以昌平为中心的极旱逐渐蔓延至多个区。由于顺义区土壤相对湿度较高,呈现另外一个以顺义为中心的土壤相对湿度逐渐变小的区域,但空间范围变化较小。