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.

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.

陆面过程模式SIB2与包气带入渗模型的耦合及其应用

土壤含水量对陆—气相互作用过程中的能—水平衡计算以及降雨、农业灌溉对地下水补给的研究起着关键的作用。但现阶段大多数陆面过程模式对土壤含水量的计算采用一维水桶模式,忽略了流域尺度上的侧向补给、地下水位的变化、包气带土壤的非线性渗透特性对土壤含水量的影响。针对这一问题,在国内外研究较为成熟的饱和—非饱和理论的基础上,编程实现了包气带土壤水分传输方程的求解,并与陆面过程模式(SIB2)相耦合,建立起研究分层包气带土壤水分运移、非稳态的地下水位、和地表蒸散发之间定量关系的模型。最后,利用建立的耦合模型,以河西走廊黑河流域中游临泽农业综合观测场的灌溉试验为例,模拟干旱内陆平原区小麦生长期间定额灌水条件下土壤含水量的变化。计算结果表明:模型能够准确计算瞬时土壤含水量、非稳态的地下水位,并对小麦生长过程中的耗水量进行估算,进而为农业合理灌溉提供了科学的理论基础。

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。

基于Noah-LSM模式和CoLM模式的青藏高原中部陆面过程模拟

利用中国科学院那曲高寒气候环境观测研究站Amdo站2012年10月1日-2013年10月1日的气象和土壤资料,通过Noah-LSM模式和CoLM模式对青藏高原中部陆面过程进行模拟研究.模拟结果表明:两个模式对辐射通量的模拟均与观测值较吻合,地表长波辐射的模拟效果最好,净辐射次之,地表反射辐射最差;两个模式模拟的土壤温度与观测值很接近,均是表层的模拟效果好于深层,夏季的模拟效果好于冬季;土壤的冻结和融化过程都是由表层开始向下延伸的,CoLM模式模拟的冻融起止时间与观测值更为接近;两个模式对土壤湿度的变化趋势模拟较好,但存在较大偏差.

水文模型与陆面模式耦合研究进展

水文模型与陆面模式耦合是目前全球变化研究中的热点问题,如何实现分布式水文模型与陆面过程模式的双向耦合,并将其有机嵌入大气模式中,是未来大气环流模式(GCM)和区域气候模式(RCM)发展和完善的重要目标之一.在简单介绍陆面过程模式和水文模型发展历程的基础上,对水文模型和陆面过程耦合研究的国内外进展进行了综述,指出了模式耦合中存在的共同问题和未来工作的研究要点.最后,探讨了分布式水文模型与陆面模式耦合在全球变化研究框架中的地位与意义,并展望了陆面水文过程发展的主流趋势和研究方向.

GLDAS Noah模型水文产品与中国地面观测及卫星观测数据的对比

全球陆面数据同化系统(GLDAS)是全球水循环研究的重要数据源,基于重力卫星(GRACE)观测数据、中国的地面降水与径流观测数据,从模拟数据与观测数据之间的偏差、相关性及时空分布一致性角度,对GLDAS两个版本(GLDAS-1及GLDAS-2)的Noah模型模拟水文产品进行了评估。结果表明,GLDAS与GRACE TWS陆地水蓄量(TWS)变化情况在中国大部分地区一致性较差,且GLDAS-1与GLDAS-2均不能充分反映GRACE TWS数据的季节性变化规律;GLDAS-1与GLDAS-2模拟的中国外流区的径流明显低于观测径流,同时长江流域与松花江流域GLDAS-2模拟径流的精度远比GLDAS-1模拟径流的精度高;GLDAS-1与GLDAS-2在中国的外流流域的蒸散发均呈高估现象,且GLDAS-1的高估程度大于GLDAS-2。

陆面过程参数化对宁波地区雷暴过程模拟的影响

利用耦合复杂程度不同的陆面过程参数化方案(Noah、RUC)的新一代中尺度数值模式WRF,对2006年6月24日发生在宁波地区的一次典型的雷暴过程进行了数值模拟试验。结果表明:对于雷暴发生前期近地面热力、动力场的特征,Noah方案的模拟较为逼真,RUC方案没有反映出下垫面覆盖的多样性以及城市下垫面的影响,城乡之间差异不明显;Noah方案模拟的雷暴启动、发展过程与观测较为一致,RUC方案较好地描述出了演变过程中的关键阶段(3次合并过程);由于参数化所考虑的要素和物理过程存在一定差异,Noah方案在对降水的强度、降水中心位置的模拟方面具有一定优势;雷暴的持续时间对陆面过程参数化方案的选择比较敏感,两个方案所模拟的雷暴过程持续时间不同程度地长于实际雷暴持续时间;无论是哪种下垫面覆盖类型,白天Noah方案模拟的感热通量均大于RUC方案,而Noah方案模拟的潜热通量均小于RUC方案。

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。

利用陆面模式和遥感经验模型估算半干旱区陆面蒸散量

陆面蒸散发是地表水循环和能量循环的重要组成部分,准确的估算蒸散发对区域气候研究和干旱监测有重要意义。利用公用陆面过程模式CLM 4.0模式输出的高时间分辨率的净辐射、地表温度作为遥感经验模型的输入,结合SACOL站观测资料估算了西北半干旱区的陆面蒸散发,并将估算值与观测值进行了对比分析。结果表明:CLM模式对净辐射、地表温度的模拟性能较理想,与观测值的RMSE,MAPE相对较小,相关性更高。遥感经验模型估算的SACOL站陆面蒸散发与实测值的偏差较小,CLM模式模拟的蒸散发与观测值的一致性较好,但模式较观测值偏大。基于CLM模式模拟得到更为准确的净辐射、地表温度和NDVI估算得到的蒸散发与观测值的变化趋势较为一致,两者的误差较小,相关性更好,对半干旱区蒸散发的估算精度有显著提高,且能够得到更高时间分辨率的陆面蒸散发。

陆面水文过程研究进展

在简单介绍陆面过程模式和水文模型发展的基础上,阐述了陆面水文过程包括的各种物理过程,介绍了陆面水文模式研究的发展现状,并对国内外进展作了总结。重点介绍了目前国内外用于同气候模式耦合的陆面水文模型,指出了陆面水文过程研究以及与大气模式耦合过程中存在的问题,讨论了陆面水文过程研究的发展方向:应在加强蓄满和超渗两种产流机制兼容的混合产流模型及融雪径流模型的研究的基础上,改进传统水文模型。

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.

陆面过程参数化方案研究综述

陆面过程的参数化方法是大气物理学家研究的重点 ,也是水文学家越来越关注的问题。在大量资料基础上 ,叙述了大气环流模式 (GCM)陆面过程参数化方案的一般问题及其发展历程 ,分别阐述了水桶模式、EARTH模式、ISBA模式和SiSPAT模式 ;总结了在陆面过程参数化方面的研究状况 ,我国参与了国际地圈生物圈计划(IGBP)和全球能量与水分循环的研究 ,特别是在陆面过程的参数化研究方面 ,提出了一些有价值的土壤—植物—大气模式 ,对植被指数进行了有成效的研究。最后提出了该领域需进一步解决的问题及研究方向。

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。

一次梅雨锋暴雨过程中陆面影响的数值模拟研究

[目的]数值模拟一次梅雨锋暴雨过程中的陆面影响。[方法]用耦合了NOAH陆面模块的中尺度大气非静力模式GRAPES-Meso,模拟了2005年7月6～8日江淮流域一次梅雨锋暴雨过程,通过有无陆面过程的敏感性试验,研究了陆面过程对梅雨锋暴雨的影响。[结果]耦合NOAH陆面过程后,GRAPES-Meso能模拟出梅雨锋降水和大气低层西南急流的日变化特征。陆面过程对降水启动、强度和分布的模拟都有改进,其中,对降水启动模拟的改进尤为明显,较好地改善了模式的spin-up问题。不考虑陆气交换,则模式的降水启动非常慢,模拟的降水强度演变与实况差异很大,且不能模拟出降水和西南急流的日变化特征。[结论]陆面过程对此次江淮梅雨过程有重要影响。

2001~2010年中国区域土地利用/覆盖变化对陆面过程影响的模拟研究

基于2001年和2010年中分辨率成像光谱仪MODIS(MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer)土地覆盖数据,利用公共陆面模式(Community Land Model, CLM)模拟真实的土地利用/覆盖变化(Land Use/Cover Change, LUCC)对地表能量平衡和水分循环过程的影响。研究表明:1)在2001~2010年,中国LUCC最明显的区域位于干旱半干旱区过渡带、半干旱半湿润区过渡带和南方地区;中国区域荒漠减少0.92%,草地减少0.01%,农田增加0.77%,森林增加2.86%,植被覆盖度整体增加。2)在2001年和2010年两种土地利用/覆盖背景下,LUCC使大部分地区感热通量增加,植被蒸腾、蒸发潜热通量增加,土壤表面蒸发潜热通量减小。3)LUCC使大部分地区地表径流减小;中国西北东部、华北和东北地区土壤湿度减小,其他地区土壤湿度增加,仅干旱半干旱过渡带上的土壤湿度发生了显著变化。4)当典型过渡带区域由荒漠变为草地后,感热通量增加1.11 W m-2,潜热通量增加0.14 W m-2;冠层蒸腾和蒸发分别增加0.039 mm d-1、0.009 mm d-1。土壤湿度平均减小0.01 m3 m-3,且随深度增加变干更明显,这是由于根系吸收了较多深层土壤水分,以满足植被显著增加的蒸腾而产生的结果。当草地变为灌木时,其能量通量和水分循环的变化与上述结果类似。