Noah-MP陆面模式在华北区域数值预报应用的个例分析

目前华北区域实际应用的快速更新多尺度分析和短期预报系统(RMAPS-ST)耦合的陆面模式是Noah,Noah-MP是在Noah基础上发展的一种多物理过程陆面模式,其在RMAPS-ST中的应用效果值得深入探究。选取晴天、多云、降雪、降雨天气个例,在华北区域展开数值试验及分析,结果表明:(1)Noah-MP陆面模式相较Noah陆面模式在RMAPS-ST中有一定的应用优势,其对风速预报性能的改进比气温、比湿显著;(2)Noah-MP陆面模式的应用对晴天的气温、降雪天气的比湿以及多云天气的风速预报性能改进较显著,其中多云天气风速的预报准确率可提高约50.43%;(3)Noah-MP陆面模式的应用对气温预报性能的改进主要集中在山西中南部、河北中南部以及山东地区,对比湿预报性能的改进主要集中在山西中北部、河北北部,对风速预报性能的改进主要集中在山地附近;(4)Noah-MP陆面模式中冠层辐射传输、径流及地下水物理过程对北京地区比湿、风速的预报结果影响不显著,而湍流输送过程选择Chen97方案、径流及地下水过程选择SIMGM方案对地表能量通量模拟效果较优,且对气温的预报性能较好。

Noah-MP陆面模式在东疆黑戈壁的适用性

新疆东部黑戈壁作为气候恶劣、人迹罕至及黑色砾石下垫面的生态脆弱区,陆面过程参数化方案不易确定。利用东疆哈密戈壁陆气相互作用站观测数据集,开展Noah-MP陆面模式离线模拟试验,找出适合戈壁区域的最佳参数化方案组合,给出了土壤湿度对戈壁区域陆气热交换的影响。结果表明:(1)针对感热通量(H)、净辐射通量(R0)和土壤地表温度(T0)均表现为第二种组合方案的模拟误差(MB)最小,其中MBH=18.28 W·m^(-2),MBR0=14.92 W·m^(-2),MBT0=-1.19℃,模式效率(NSE)最高NSEH=0.74,NSER0=0.98,NSET0=0.96。针对潜热通量(LE)表现为第一种组合方案模拟效果最佳,其中MB为7.10 W·m^(-2),NSE为-0.57。(2)模式针对土壤湿度的模拟效果均不好,模式预报土壤湿度偏干,第七种组合方案的模式效率指数较高,为0.278。(3)针对土壤10 cm温度,第一种组合方案虽预报效率指数最高,为0.7,但误差较大,达1.23℃,第二种组合方案误差最小,为0.45℃。第二种组合方案在东疆黑戈壁地区的普适性最高。(4)Noah-MP在RMAPS-CA系统中在线耦合后,2 m温度的预报效果整体优于离线Noah模式。

BCC_AVIM陆面模式不同土壤垂直离散化方案对土壤水热输送的数值模拟

陆面模式中的土壤如何分层至关重要,一般情况下认为在受大气—地面界面影响较大的土壤表层应该细分,土壤越往深层,土壤层厚度的分层可以相应加大。已有研究表明:在不同天气和气候积分条件下,土壤厚度在根带以下,其对模拟结果有不同的影响。这表示根据不同的研究要求,应当改变土壤的分层方式。然而什么是陆面模式中的最优土壤分层方式仍不确定。因此本文主要利用BCC_AVIM陆面模式探究不同土壤垂直离散化方案对于土壤水热属性,表面辐射通量与感热、潜热通量模拟的敏感性,从而达到提升模式模拟效果的目的。BCC_AVIM陆面模式中原土壤分层方案为10层,将土壤各层的节点深度,土壤层厚度以及土壤各层的界面深度进行插值,由原来的10层土壤层插值到20层,在本文中称为方案一;参考模式CLM5.0中的土壤垂直离散化方案并改进到BCC_AVIM陆面模式中,原土壤层次也由10层增加到20层,为本文的方案二。将改进后的方案一和方案二与原方案结果对比分析发现:(1)方案一和方案二对土壤温度的模拟与实测数据更吻合,对于各层土壤温度的数值大小与变化趋势的模拟效果有所提升,其中方案一对浅层土壤温度的模拟效果更好。(2)在土壤湿度的模拟上,三种方案对浅层土壤湿度的模拟效果较好,对深层土壤湿度的模拟效果相对较差,其中方案一对土壤各层湿度曲线变化趋势与数值大小的模拟更加贴近实测数据。(3)方案一对土壤各层是否发生冻结或消融的时间判定更合理,更加接近实测数据。整体上,方案一的模拟效果最佳。由此,得出结论:方案一相较于原方案对土壤温、湿度的模拟效果有所改善,这表明在同样的土壤深度下,更密集更细致的土壤分层有利于提升模式对土壤水热输送的模拟能力。同时,方案一的模拟效果总体优于方案二,这也表明,在相同的土壤层次下,浅中层拥有更密集的土壤分层,对于提升模式对土壤水热输送的模拟能力有一定的积极影响。

基于陆面模式Noah-MP的不同参数化方案在半干旱区的适用性

针对陆面模式Noah-MP对兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)2009年8月地表热通量模拟值偏差大的问题,通过分析相关物理过程和模拟试验来探究偏差的来源,并确定合适的参数化方案:采用Chen97方案计算感热输送系数可以改善感热通量的模拟;采用Jarvis气孔阻抗方案能增大植被蒸腾,改进模式对潜热通量的模拟效果,同时也使热通量在感热和潜热间的分配比例合理;采用LP92方案可减小土壤蒸发阻抗并有利于土壤蒸发,使得模式对潜热通量的模拟效果变好。不同参数化方案的组合试验表明:同时采用2组或3组新的参数化方案组合可以进一步减小模拟的地表感热和潜热通量的均方根误差,但是土壤湿度和温度的模拟效果并没有同步改善。

Noah-MP陆面模式在高寒草地生长季水热交换的模拟评估和改进

高寒草地是青藏高原的主要生态系统,其水热交换的准确模拟对于加强高原陆气相互作用过程的认识具有十分重要的意义.本文利用青藏高原东北部黑河流域上游地表过程综合观测网的四个高寒草地站点生长季观测数据,对Noah-MP陆面模式的集合数值模拟进行了评估,并对参数化方案进行了改进.首先开展了生长季7个主要物理过程/物理量的集合数值模拟试验,共计1008种参数化选项组合方案,并基于泰勒技巧分选取适合高寒草地水热交换模拟的参数化选项组合方案;在此基础上,通过引入新的热力学粗糙度、土壤水力性质和根系垂直分布的参数化方案进一步改进了Noah-MP的水热交换模拟精度.研究发现:(1)Noah-MP在高寒草地生长季的水热交换模拟主要受植被动态生长(Dveg)、冠层气孔阻抗(Crs)、地表径流与地下水(Run)和地表热力交换系数(Sfc)四个物理过程/物理量的影响,它们的参数化选项对模拟结果影响较大;(2)Noah-MP框架下选取的最优参数化选项组合方案在所有站点均存在明显的感热通量(H)高估和土壤水分(θ)低估的问题;(3)通过引入新的热力学粗糙度的参数化方案能够显著改进H的高估问题,进一步引入考虑有机质影响的土壤水力性质参数化方案和新的根系垂直分布函数能够显著改进θ的低估问题.本文的结果为进一步改进陆面模式在高寒草地的水热交换模拟提供了重要参考.

不同气象驱动下CLM4.5陆面模式对黄河流域蒸散发模拟表现评估

气象驱动数据的质量会显著影响陆面模式的模拟表现。针对目前出现的多源气象数据集,选取GSWP3和WFDE5分别驱动CLM4.5陆面模式,对黄河流域地表蒸散发过程模拟,并结合多个评价指标从多个时空尺度评估模式表现。结果表明:相比于基准蒸散发,GSWP3和WFDE5模拟的多年平均蒸散发的RMSE值分别为61.5和49.5 mm/a,KGE值为0.83和0.87。时间上,模拟蒸散发和基准蒸散发均表现显著增加的趋势。空间上,两种气象驱动都在黄河中游表现最佳,黄河源区则存在不同程度高估。季节性上,GSWP3在春、冬季的模拟表现优于WFDE5,在夏、秋季的表现劣于GSWP3。综合分析,WFDE5驱动下CLM4.5的总体表现优于GSWP3。研究结论可为陆面模式蒸散发模块改进提供动力和方向。

区域气候模式中不同陆面过程对中国地区地表平衡模拟能力的检验

WRF模式能较准确地模拟中国地区区域地面气候,但模式中不同陆面过程模块的选择会影响模式模拟性能,比较而言,CLM使得地面气候场偏冷偏干;WRF能较准确地再现观测的地表能量通量的空间分布;与观测比较,所有陆面过程模块都存在高估。WRF模式能较准确地模拟典型气候区地表能量平衡的季节变化;能量收支是决定区域气候的重要因子。如RUC模块模拟的地面温度偏高、湿度偏大,蒸发强烈,表层土壤湿度的损失偏多,这导致整层大气衰减大,到达地表短波辐射偏少而长波辐射偏多,净辐射偏多。地表能量分配中的潜热、感热增加多。较多的地表向上能量可能加剧局地对流,导致降水偏多和地面温度增高。陆面过程模块模拟地表能量平衡的性能取决于模块的地表物理参数(如地表反照率、土壤热容量、土壤水热传导率等)、对冰雪过程的刻画等。

我国东南地区Noah-MP模式地表温度模拟参数化方案寻优研究

陆面模式Noah-MP(Noah land surface model with Multi-Parameterizations)为陆面物理过程提供了大量复杂的参数化方案,往往受限于计算量和计算能力,使得利用全组合方案实验,来确定适用的参数化方案难以实现,从而给模式模拟带来不确定性。为科学减少实验次数,本文引入正交试验法,选择了影响地表温度模拟较大的5个主要过程,包括动态植被、气孔阻抗过程、控制气孔阻抗的土壤湿度参数过程和表面热交换系数过程以及辐射传输过程等,设计了9次正交试验,利用CLDAS-V2.0(中国气象局陆面数据同化系统)驱动Noah-MP陆面模式对我国东南地区地表温度进行模拟,对参数化方案寻优,以确定其适用的参数化方案组合。结果表明,参数化方案的选择对林地区域的模拟,以及在7月和8月的模拟影响较大。物理过程的敏感性和最优参数化方案同时受到下垫面和季节的影响,多数情况中,动态植被与冠层气孔阻抗过程对模拟影响显著,是较敏感的物理过程。通过对不同下垫面不同季节的最优参数化方案组合的时空尺度分析,经模拟验证,东南地区地表温度模拟的较优方案组合为开启动态植被,Ball-Berry的冠层气孔阻抗方案,Noah的土壤湿度参数方案,M-O的地表热交换系数方案和GAPFVEG的辐射传输方案。

LASG/IAP大气环流谱模式对陆面过程的敏感性试验

将中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室最近发展的高分辨率全球大气环流谱模式SAMIL-R42L26,分别与两个陆面模式———NCAR通用陆面模式CLM和简化的简单生物圈模式SSiB进行耦合。在比较了两个陆面过程模式,指出CLM改进方面的基础上,通过分析两个陆气耦合模式所模拟的陆气通量交换结果,指出新版本的陆气耦合模式(SAMIL-R42L26与CLM耦合)对表面感热、温度、降水率、潜热通量和海平面气压场的模拟能力大大提高,尤其对于夏季表面感热通量场,使亚洲北部和东南部、格陵兰岛以及北美洲大部分地区的数值从100 W/m2降低到接近60 W/m2,与NCEP再分析资料一致。新版本的陆气耦合模式模拟陆地表面能量收支趋于平衡,为下一步发展海-陆-气-冰耦合气候系统模式提供保障。采用CLM陆面模式,SAMIL-R42L26能较好地模拟亚洲季风区地表感热和潜热的季节演变趋势,而采用SSiB陆面模式的结果,则存在较大误差。文中的结果表明,不同的陆面模式所模拟的大气下垫面(包括洋面)通量发生的变化,通过陆气耦合过程产生的影响不仅仅是局地性的,而且是全球范围的。

CoLM模式对青藏高原中部BJ站陆面过程的数值模拟

利用公共陆面模式Common Land Model(CoLM)及"全球协调加强观测计划之亚澳季风青藏高原试验"(CAMP/Tibet)中那曲地区Bujiao(BJ)站2002—2004年的观测资料对该地区进行了单点数值模拟试验。通过比较模拟与观测的地表能量通量,表明CoLM较成功地模拟了该地区的能量分配。模式对向上的短波辐射、向上的长波辐射、净辐射及土壤热通量模拟得较好,但冬季存在偏差。进一步比较了模拟和观测的土壤温度及土壤湿度,发现浅层60 cm土壤温度模拟较好,深层存在偏差,表现为土壤温度变化滞后于实际变化。土壤湿度总体偏小,尤其是冬季冻结期,土壤冻融过程中忽略了土壤液态水在温度0℃以下仍能存在,含冰量模拟偏高。

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.

耦合不同陆面方案的WRF模式对2007年7月江淮强降水过程的模拟

利用WRF模式,分别选用不同陆面参数化方案（SLAB、RUC、NOAH、UCM）对2007年7月7-8日的江淮暴雨进行数值模拟试验,模拟结果的对比分析表明：虽然主要雨带的基本位置和大致走向受陆面方案的影响并不大,但是降水强度的分布对陆面物理过程是敏感的,耦合陆面方案比不耦合陆面方案的模拟效果更接近实况;不同陆面方案模拟的降水量均较实况偏小,然而由于考虑的要素和物理过程存在一定差异,它们对降水的中心落点、雨量值、降水日变化、降水类型以及降水条件的模拟各有所长;特别值得指出,TRMM资料与4种方案的模拟结果均反映出本次降水日变化过程中夜间的峰值特征,这是短时降水（1-3 h）和持续性降水（≥6 h）的综合反映,而凌晨后的降水则主要由持续性降水造成;在各种试验的综合比较中,NOAH方案较其他方案的模拟结果显得更稳定与合理,UCM方案针对城市下垫面的模拟有一定优越性。

近地层能量闭合度对陆面过程模式影响

大量近地层观测试验表明,利用涡动相关法观测的湍流通量小于近地层可利用能量,即近地层能量是不闭合的,这种不闭合度一般为20%甚至更高.而陆面过程模式是基于地气间能量平衡建立,并且模式中的湍流边界层参数化方案通常根据实际观测的湍流通量来确定,因此能量不闭合必将对陆面过程模式造成一定的影响.本文利用2007年春季SACOL站的近地层观测资料,依据能量守恒将能量不闭合中的残余能量通过波文比分配到观测的湍流通量中,即修正涡动相关法观测的湍流通量使得近地层能量达到平衡;之后分别利用观测和修正的湍流通量,建立了能量不闭合和闭合情形下的湍流参数化方案,借助陆面过程模式SHAW,通过数值模拟和对比分析方法考察近地层能量闭合度对陆面过程模式的影响.研究结果表明近地层能量闭合对陆面过程模式有显著的影响:在陆面过程数值模拟中,当应用近地层能量不闭合的湍流通量形成的湍流参数化方案时,陆面过程模式会明显高估地表长波辐射及土壤温度;但当应用修正湍流通量使得近地层能量达到闭合形成的湍流参数化方案后,在不改变任何地表土壤物理生化属性的情况下,陆面过程模式能较好地模拟地表长波辐射和土壤温度.

一个改进的陆面过程模式及其模拟试验研究第二部分:陆面过程模式与区域气候模式的耦合模拟试验

在第一部分提出的陆面过程模式与区域气候模式ＲｅｇＣＭ实现耦合的基础上，利用这一耦合模式（简称ＣＲｅｇＣＭ）对中国中东部地区１９９１年５～７月江淮大暴雨时期的强降水气候特征进行了模拟，并与ＮＣＡＲ的区域气候模式ＲｅｇＣＭ２（此处称ＮＲｅｇＣＭ）在同样初、边值条件和同样物理过程选项下的模拟结果进行了对比分析。分析结果表明，模式ＣＲｅｇＣＭ具有较强的模拟性能和模拟能力，基本上成功地模拟了这次极端的降水气候事件。在某些方面，如地面气温和与陆面过程有关要素的模拟上，ＣＲｅｇＣＭ的模拟结果要比ＮＲｅｇＣＭ的结果更合理。

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。

大气、陆面与水文耦合模式在中国西北典型流域径流模拟中的新应用

水文模式在较长的发展阶段由简单的概念模型逐步演变复杂的分布式物理模型,大气学科的各类气候模式在近年来迅猛发展同时也逐步带动了水文学的发展。从大气、水文两个学科发展角度纵向开展研究,通过分析以往研究成果认为,虽然大气、水文模式在其各自的发展已经到达了较为完善的地步,然而其相互耦合并取长补短的优势并未发挥。在探讨大气、陆面及水文模式发展的基础上,选取XJLDAS(Xinjiang Land Data Assimilate Datasets)大气陆面同化系统,CLM3.5(Community Land Model,Version 3.5)公用陆面模式及快速汇流模式RAPID(Routing Application for Parallel computation of Discharge)作为关键耦合对象,利用以上耦合系统对新疆精博河流域径流过程进行模拟。通过研究分析,认为:XJLDAS+CLM3.5+RAPID模式可较好地重现流域地表径流年内分布状况,然而,由于陆面参数化方案选取等原因,研究区径流量出现一定偏差。此外,在本研究中发现,陆面模式径流汇流模拟结果与实际结果存在一定偏差,将这种偏差进行分析后发现:在进行大尺度水文模拟时,需要在考虑在研究区相关地理特性(如地质构造、地表覆被)基础上进行模式相应改进,以最大限度的重现大尺度径流真实过程。

陆面过程参数化模式的研究

在概述了近年来国内外陆面过程参数化研究的基础上 ,发展了一个改进的陆面过程参数化模式。该模式能被应用于地球表面不同土壤和植被类型的陆面过程的相互作用研究。在该模式中通过土壤结构参数和陆面过程湍流通量的参数化 ,可广泛应用于不同类型的区域。在模式中 ,大气 -陆面系统包括 3个子系统 :近地层大气、冠层和土壤活跃层。土壤被分为 4层 ,上两层分别相当于温度的日和季变化层 ,植被的根系活动也在这两层内 ,在最深层的温度和含水量是气候的平均值。发展的陆面过程参数化模式可应用于不同气候区域能量平衡和气候的模拟研究。对我国在该领域的研究 。

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。

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。

用新RIEMS模式研究陆面过程对暴雨的影响

对MM5模式中的MYE,MRF以及新引进的NB方案(E ε 1边界层参数化)3种边界层参数化方案耦合了陆面过程模式BATS,形成新的RIEMS模式.用此模式及原MM5模式对2个江淮暴个例进行了数值模拟以考察陆面过程对暴雨模拟的影响,同时也分析了加入BATS后模式对形势场和有关气象场的影响.结果表明加了BATS后,模式在降水场,形势场,低空急流等方面均优于原MM5模式,表明陆面过程短期天气过程也有重要影响.