东疆黑戈壁陆面过程参数及陆面模式离线模拟

新疆东部黑戈壁气候恶劣、人迹罕至,是具有黑色砾石下垫面的生态脆弱区。利用东疆哈密戈壁陆气相互作用站2018年全年观测资料,给出该戈壁地表动力学与热力学粗糙度、比辐射率和地表反照率等陆面过程特征参数,并将这些参数代入Noah模式对该戈壁热通量、地表温度及土壤温湿度进行模拟。结果表明:(1)东疆黑戈壁下垫面动力学粗糙度为1.13×10^(-3) m,热力学粗糙度为0.32×10^(-3) m,比辐射率为0.905。(2)地表反照率日变化呈早晚高、中午低的“U”型曲线。12月因地面积雪反照率最高,年内极大值出现在12月8日,为0.79,年均反照率为0.29。(3)将改进后的陆面过程参数代入Noah模式,大大提高了模式在戈壁区域的模拟能力。

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。

基于GLDAS的中国区地表能量平衡数值试验

利用全球陆面数据同化系统(GLDAS)的软件平台—陆面信息系统(LIS)模拟了中国区域2003年能量平衡方程的各个分量,在此基础上进行了残差分析和地表温度的对比验证。残差的分布具有一定的时空分布特征,残差的时间分布特征表明LIS对春秋两季的模拟效果要好于其它季节,残差的空间分布特征表明LIS对纬度较高和海拔较高地区的模拟效果要逊于其他地区。对比了模拟的GLDAS地表温度与MODIS地表温度产品,结果显示两者之间的差值介于-5～5K之间,两者的散点图和标准离差显示模拟的夜间地表温度要比模拟的白天地表温度精确2～3K。

中国西部陆面过程次网格地形参数化的改进对区域气温和降水模拟的影响研究

地表作为大气模块的下垫面,为大气模块提供边界条件,地形对于模式结果的准确性起到至关重要的作用。现有的陆面过程模式在陆面同一网格内的次网格单元采用相同的大气强迫量,没有考虑次网格地形对网格内大气强迫量的影响,这关系到模式对气象要素和陆气交换量的模拟水平。本文在陆面模式NOAH处理次网格单元的同时,将输入的大气强迫量根据其与地形高度的关系进行修订,提出新的次网格地形的参数化方案,并引入到WRF(Weather Research and Forecasting)模式中进行数值试验,通过3组数值模拟试验,与未改进的方案和细网格方案分析比较,探讨新参数化方案对WRF模式模拟结果的影响。结果表明:地形越复杂区域,次网格地形的影响越大。本文引入的新陆面次网格地形方案对天山山脉和昆仑山脉以及青藏高原南部的地表气温的模拟有较大改善,模拟的地表气温在大范围区域内都更贴近细网格方案。虽然新陆面次网格地形方案和细网格试验都对温度的模拟结果都有改善,但新陆面次网格地形方案对降水的模拟改善甚微,而细网格试验对降水模拟却有改进,这是由于细网格试验在陆面和大气网格都进行了细化,而新陆面次网格地形方案只考虑了陆面次网格的影响。具体来说,新陆面次网格地形方案对温度的模拟结果改进是通过改变地表向上长波和地表感热实现的。而细网格试验由于同时细化了大气和陆面的空间网格,对降水和温模拟的改进是通过综合改变地表能量平衡实现的。

WRF中土壤图及参数表的更新对华北夏季预报的影响研究

土壤质地及其物理性质的参数化对陆面过程模拟具有明显的影响。研究了土壤质地和土壤水文参数表的更新对WRF(Weather Research and Forecasting)模拟性能的影响。使用北京师范大学土壤属性数据集和修正后的土壤水文参数表替换WRF默认数据,对2017年6-8月华北地区开展数值模拟试验和评估验证。结果表明,模拟结果对土壤类型数据集和水文参数表的更新较为敏感,对地面要素预报有正效果。WRF默认土壤数据集中,中国东部以粘壤土为主,而在北京师范大学土壤数据集里则以壤土为主;修正后的土壤水文参数在Noah陆面过程中增强了裸土潜热蒸发能力。数值模拟试验表明,土壤输入数据和土壤水文参数的更新能够增强陆面向大气的潜热同时减弱感热输送,致使大气底层温度降低而湿度增大。利用华北区域748个地面气象观测站的2 m温度和2 m湿度对2017年夏季的模拟结果进行验证,结果显示更新试验对地面要素的预报偏差有较好的修正作用,能够将2 m温、湿度的预报技巧分别提高3.4%和2.9%。

荒漠土壤成分对陆面过程的影响

采集塔克拉玛干沙漠北缘肖塘观测站附近的土壤,应用Mastersizer-2000激光粒度仪测定土壤粒径,按照伍登-温德华粒级标准进行土壤成分分类,发现土壤类型并非均质沙土,在0~30 cm深度的浅层存在10%~24%的黏土,根据土壤成分比例对Noah陆面模式的土壤参数重计算,然后利用肖塘站2011年3月22日至7月25日的观测数据驱动Noah模式,对比修正土壤参数前后的模拟效果。结果表明:更新土壤参数后10 cm土壤温度模拟偏差减少0. 62℃,土壤热通量偏差减小10. 47 W·m^-2,感热通量偏差减少7. 02 W·m^-2,地表净辐射偏差减少5. 48W·m^-2,且效率系数达到更高的接受程度。通过泰勒图分析了土壤参数修正对Noah模拟效果的整体作用,表明修正土壤参数后的模式中热量传输扩散有一定的优化作用,10 cm土壤温度和热通量土壤温度模拟效果得到改进。