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A data assimilation-based method for optimizing parameterization schemes in a land surface process model 被引量:2
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作者 ZHANG ShengLei CHEN LiangFu +1 位作者 SU Lin JIA Li 《Science China Earth Sciences》 SCIE EI CAS CSCD 2015年第12期2220-2235,共16页
Optimizing the parameters of a land surface process model(LSPM) through data assimilation(DA) can not only improve and perfect the parameterization schemes in the LSPM through the physical mechanism, but also increase... Optimizing the parameters of a land surface process model(LSPM) through data assimilation(DA) can not only improve and perfect the parameterization schemes in the LSPM through the physical mechanism, but also increase its regional adaptability and simulation capability. This has practical importance for improving simulation results and the climate-prediction capability of general circulation models(GCMs) and regional climate models(RCMs). This paper presents a DA-based method for optimizing the parameterization schemes in LSPMs. We optimize the unsaturated-soil water flow(Un SWF) model as an example by developing a soil-moisture assimilation scheme based on the Un SWF model and the extended Kalman filter(EKF) algorithm, and then combining them with the Variable Infiltration Capacity(VIC) model. Using a month as the assimilation window, we used the Shuffled Complex Evolution–University of Arizona(SCE-UA) algorithm to minimize the objective function through simulated and assimilated soil moisture, achieved the best fit with the given objective function measurement, and optimized the parameters of the Un SWF model, including the saturated-soil hydraulic conductivity, moisture content, matrix potential, and the Clapp and Hornberger constant. The optimal values of the model parameters were obtained during the DA period(the year 1986), and then the optimized parameters were used to improve the Un SWF model. Finally, numerical simulation experiments were carried out from 1986 to 1993 to evaluate the simulation capability of the improved model and to explore and realize the DA-based method for optimizing the soil water parameterization scheme in LSPMs. The experimental results indicated that the optimized model parameters improved and perfected the model based on the physical mechanism, and increased its simulation capability; the optimized model parameters had good temporal portability and their adaptability was stronger, achieving the aim of improving the model. Therefore, this method is reasonable and feasible. This paper provides a good reference for DA-based optimization of the parameterization schemes in LSPMs. 展开更多
关键词 data assimilation land surface process model parameterization scheme SCE-UA algorithm soft moisture
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Noah-MP陆面模式在东疆黑戈壁的适用性
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作者 阿吉古丽·沙依提 王豫 +4 位作者 买买提艾力·买买提依明 高佳程 刘军建 琚陈相 杨帆 《沙漠与绿洲气象》 2023年第5期19-27,共9页
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... 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。 展开更多
关键词 黑戈壁 东疆 陆面过程参数化方案 Noah-MP模式
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陆面过程研究的现状与发展趋势 被引量:38
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作者 牛国跃 洪钟祥 孙菽芬 《地球科学进展》 CAS CSCD 1997年第1期20-25,共6页
对目前陆面过程研究的现状及存在的问题进行了总结,并且提出了与边界层研究有关的几个前沿方向:①非均匀下垫面地表湍流通量的参数化及中尺度通量的参数化方法;②边界层理论在复杂地形条件下的应用,以及次网格地形对通量输送的影响... 对目前陆面过程研究的现状及存在的问题进行了总结,并且提出了与边界层研究有关的几个前沿方向:①非均匀下垫面地表湍流通量的参数化及中尺度通量的参数化方法;②边界层理论在复杂地形条件下的应用,以及次网格地形对通量输送的影响;③进一步改进GCM中冠层地表水文参数化; 展开更多
关键词 陆面过程 边界层过程 参数化 发展趋势
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太湖对周边城市热环境影响的模拟 被引量:14
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作者 任侠 王咏薇 +3 位作者 张圳 杨亦辰 胡诚 康汉青 《气象学报》 CAS CSCD 北大核心 2017年第4期645-660,共16页
太湖微气候条件及局地热环境的研究对于太湖周边城市地区可持续发展以及大气宏观调控具有重要意义。为了更准确模拟太湖湖-气交换,将CLM4-LISSS浅水湖泊陆面过程参数化方案耦合进入WRF中的Noah陆面过程模型。采用太湖湖上平台及岸边陆... 太湖微气候条件及局地热环境的研究对于太湖周边城市地区可持续发展以及大气宏观调控具有重要意义。为了更准确模拟太湖湖-气交换,将CLM4-LISSS浅水湖泊陆面过程参数化方案耦合进入WRF中的Noah陆面过程模型。采用太湖湖上平台及岸边陆上测站观测的数据,评估了CLM4-LISSS浅水湖泊过程方案对太湖区域近地层气象条件的模拟性能。并基于耦合模型模拟研究了太湖对周边城市区域热环境的影响。结果表明,CLM4-LISSS湖泊陆面过程方案模拟的湖表面温度能反映真实温度的变化趋势。两种陆面过程方案在2 m气温的模拟值也存在一定的差异。CLM4-LISSS与Noah方案计算所得湖上2 m气温的模拟值与观测值的平均均方根误差分别为1.77和2.22℃,平均相关系数分别为0.88和0.84;模拟10 m风速的平均均方根误差分别为1.93和2.78 m/s,平均相关系数为0.72和0.68。太湖对周边城市热环境存在明显的影响。8月太湖对周边地区15时(北京时)近地层平均降温0.5—0.7℃,影响范围达60 km。06时太湖导致周边近地层平均升温达0.7—1℃,影响范围达50 km。湖风带来的冷空气抑制了城市热岛的垂直运动,在高温天气下使得苏州、无锡和常州城市地区昼间边界层下降高度可达300、400和100 m。无锡地区边界层内气温最高降幅可达0.5—0.7℃。通过选取无锡地区2015年8月28日高温小风天气作为背景条件,分析该地区湖风对城市热岛环流的影响机制。结果表明湖风能够破坏无锡地区的热岛环流结构,改变近地面热量和水汽的分布,抑制城市热岛的垂直发展,并影响至整个无锡地区。局地热力环流的变化对于局地气候以及污染物质的输送与扩散有可能产生重要影响,准确的湖泊陆面过程参数化方案对于天气预报、空气污染模拟,以及气候模拟研究等均具有重要意义。 展开更多
关键词 WRF模式 浅水湖泊陆面过程 城市热环境 参数化方案耦合
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绿洲效应的模拟及内外因子的敏感性实验 被引量:10
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作者 刘树华 胡予 +3 位作者 胡非 梁福明 王建华 刘和平 《大气科学》 CSCD 北大核心 2005年第6期997-1009,共13页
利用一个已发展的陆面物理过程参数化方案与大气边界层数值模式耦合,模拟了半干旱区绿洲戈壁非均匀下垫面的陆面物理过程及其与大气边界层的相互作用,成功地描绘了绿洲戈壁局地气候效应,并进行了绿洲戈壁局地气候效应对于降水、绿洲水... 利用一个已发展的陆面物理过程参数化方案与大气边界层数值模式耦合,模拟了半干旱区绿洲戈壁非均匀下垫面的陆面物理过程及其与大气边界层的相互作用,成功地描绘了绿洲戈壁局地气候效应,并进行了绿洲戈壁局地气候效应对于降水、绿洲水平尺度和植被结构等若干内外因子的敏感性实验。结果表明:绿洲的最小临界尺度为5~10 km之间,最大临界尺度为55~65 km之间,而最利于绿洲维持的尺度范围为20 km左右,这一结论与我国西部地区现存的绿洲尺度统计结果十分一致;绿洲植被覆盖率为0.6左右时,最利于绿洲发展。另外对植被空间分布方式和绿洲植被组成比例上也进行了数值实验,并对影响绿洲生存和持续发展的内、外因子气候效应的影响力量级进行了分级。这些结果对于深入了解绿洲气候的形成和维持机理具有重要的意义。 展开更多
关键词 陆面物理过程参数化方案 绿洲效应 内外因子 敏感性实验
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陆面过程参数化对宁波地区雷暴过程模拟的影响 被引量:6
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作者 汪雅 苗峻峰 谈哲敏 《大气科学学报》 CSCD 北大核心 2015年第3期299-309,共11页
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... 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。 展开更多
关键词 雷暴过程 陆面过程参数化 Noah方案 RUC方案 数值敏感性
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两次暴雨过程模拟对陆面参数化方案的敏感性研究 被引量:8
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作者 陈海山 倪悦 苏源 《气象学报》 CAS CSCD 北大核心 2014年第1期79-99,共21页
选取发生在江西和福建境内的两次暴雨个例,利用NCEP再分析资料在对暴雨发生前、后的环境场和物理量场进行诊断和对比分析的基础上,采用中尺度模式WRF V3.3,通过数值模拟探讨了陆面过程对两次暴雨过程的可能影响及其相关的物理过程。结... 选取发生在江西和福建境内的两次暴雨个例,利用NCEP再分析资料在对暴雨发生前、后的环境场和物理量场进行诊断和对比分析的基础上,采用中尺度模式WRF V3.3,通过数值模拟探讨了陆面过程对两次暴雨过程的可能影响及其相关的物理过程。结果表明,2012年5月12日江西大暴雨主要受大尺度环流和中尺度天气系统影响,具有范围大、持续时间长等特点,属于大尺度降水为主的暴雨;而2011年8月23日福建暴雨发生在副热带高压控制下的午后,局地下垫面强烈的感热和潜热通量使低层大气不稳定性增强,触发了此次对流性降水为主的暴雨。通过资料诊断分析,可以判断陆面过程对福建暴雨个例的影响程度明显强于江西暴雨个例。通过关闭地表通量试验发现,陆面过程对暴雨模拟十分重要,尤其是对于该个例中对流性降水的发生起到关键性的作用。通过陆面参数化方案的敏感性试验发现,两次暴雨过程对陆面参数化方案均较为敏感。江西暴雨对陆面过程的敏感性主要体现在对流降水的模拟上,而福建暴雨则体现在大尺度降水的模拟方面,即福建暴雨对陆面参数化方案的敏感性强于江西暴雨。敏感性产生机制与降水类型关系紧密,大尺度降水对陆面过程的敏感性主要来源于不同参数化模拟的中高空对流系统的差异,而对流降水的敏感性则与不同参数化模拟的地表通量的差异有关。通过陆面参数的扰动试验进一步发现,相比于地表粗糙度和最小叶孔阻抗,土壤孔隙度和地表反照率则是影响对流降水对陆面过程敏感的关键因子,这在本质上与地表通量是否受到扰动有关。地表通量较风场而言,受扰动引起变化的空间范围广、时间响应快,变化具有明显规律性。所得结果可为深入理解陆面过程影响暴雨等天气过程和改进数值模式对暴雨的模拟能力提供一定的参考。 展开更多
关键词 陆面过程 暴雨 陆面参数化方案 陆面参数 敏感性试验
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陆面模式中植物根系吸水过程参数方案研究进展 被引量:2
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作者 蔡福 明惠青 +3 位作者 祝新宇 张玉书 米娜 孙龙彧 《气象与环境学报》 2015年第4期97-102,共6页
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... 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。 展开更多
关键词 根系吸水 参数方案 研究进展 陆面过程模型
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BCC_AVIM陆面过程模式冻融过程参数化的改进与检验 被引量:3
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作者 胥朋飞 吕世华 +4 位作者 马翠丽 徐悦 罗江鑫 黄一鸣 寇宇 《高原气象》 CSCD 北大核心 2022年第2期349-362,共14页
考虑冻融过程对陆气相互作用的重要性,参考国内外学者对于冻融过程的参数化方案研究,对BCC_AVIM陆面过程模式的冻融过程参数化方案进行了改进与检验。改进的内容主要包括:(1)加入了过冷水概念,改进土壤冻结判断条件与含冰量更新标准;(2... 考虑冻融过程对陆气相互作用的重要性,参考国内外学者对于冻融过程的参数化方案研究,对BCC_AVIM陆面过程模式的冻融过程参数化方案进行了改进与检验。改进的内容主要包括:(1)加入了过冷水概念,改进土壤冻结判断条件与含冰量更新标准;(2)加入平衡温度概念代替原方案中恒定的冻结温度;(3)在导水率的参数化方案之中加入不可渗透分数。用改进前后方案分别模拟玛曲站2018-2019年,2019-2020年两次冻融过程。发现改进后的方案在冻融过程中相比原方案:(1)增大了冻结状态温度模拟值、振幅减小、变化趋势更加接近实测;(2)增大了冻结状态中含水量的模拟值,变化趋势与实测相关性更好;(3)土壤中冰的产生日期延后,冰的融解日期提前,最大含冰量模拟减小;(4)冻融过程各阶段的转变日期模拟更接近实测;(5)新方案对于强冻融年份的模拟提升效果更优于弱冻融年份。 展开更多
关键词 冻融过程 BCC_AVIM陆面过程模式 参数化方案 土壤水热
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根系吸水过程参数化方案对青藏高原陆面过程模拟的影响研究 被引量:2
10
作者 马湘宜 张宇 +2 位作者 吴统文 宋敏红 王少影 《大气科学》 CSCD 北大核心 2020年第1期211-224,共14页
根系吸水过程对地表能量平衡和水循环起着重要作用,目前不同的根系吸水过程参数化方案对青藏高原陆面过程模拟的影响尚不明确,探讨相关参数化方案的影响,可以为今后建立陆面过程模式根系参数化方案提供参考。本文利用2010年6月1日至9月3... 根系吸水过程对地表能量平衡和水循环起着重要作用,目前不同的根系吸水过程参数化方案对青藏高原陆面过程模拟的影响尚不明确,探讨相关参数化方案的影响,可以为今后建立陆面过程模式根系参数化方案提供参考。本文利用2010年6月1日至9月30日青藏高原玛曲站的观测资料作为大气强迫资料,驱动BCC_AVIM模式(北京气候中心陆面模式)引入不同的根系吸水过程参数化方案,对玛曲站2010年6月1日至9月30日时段感热通量、潜热通量、土壤温度、土壤含水量等要素进行数值模拟,分析根系吸水过程参数化方案对青藏高原地区陆面过程的影响。模式中有关根系吸水过程的参数化方案主要分为根分布模型和土壤水分对根系有效性函数两类,根分布模型用Jackson方案、Schenk方案替换,土壤水分对根系有效性函数用Li方案、LSM1.0方案、CLM4.5方案替换。对比结果表明:不同的根系吸水过程参数化方案对土壤温度、土壤含水量的模拟影响较小,对感热通量、潜热通量模拟影响较大,尤其对冠层蒸腾量模拟差异显著,相关参数化方案的变动直接影响冠层蒸腾量。两类方案模拟的差异受降水的影响,在多雨期,根分布对比方案与原模式方案模拟的感热、潜热通量间存在较大差异;在少雨期,土壤水分对根系有效性函数对比方案与原模式方案模拟的感热、潜热通量间存在较大差异。 展开更多
关键词 根系吸水 参数化方案 陆面过程 BCC_AVIM模式
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对陆面过程模型CoLM中关键参数的修正 被引量:9
11
作者 刘永强 艾力.买买提明 何清 《干旱区研究》 CSCD 北大核心 2014年第4期611-618,共8页
通过对塔克拉玛干沙漠腹地观测数据的分析和模拟,重新修正了陆面过程模型CoLM中的关键参数值和参数化方案。①采用涡动相关数据和Monin-Obukhov理论,对地表动力学粗糙度重新计算;为提高地表比辐射率的精度,采用两种不同的方法进行计算... 通过对塔克拉玛干沙漠腹地观测数据的分析和模拟,重新修正了陆面过程模型CoLM中的关键参数值和参数化方案。①采用涡动相关数据和Monin-Obukhov理论,对地表动力学粗糙度重新计算;为提高地表比辐射率的精度,采用两种不同的方法进行计算和比较;将地表反照率参数值校正为符合年际变化的参数化方案;重新选择符合沙漠环境的地表热力学粗糙度参数化方案;改变相同的10层土壤导热率为不同值。②经过参数值的校正与参数化方案的修正,改善了CoLM在沙漠地区对地表通量、地表和土壤温度模拟的缺陷;③改善后的CoLM模拟值与观测值的标准误差小于改善前,但不同季节模拟改善效果存在差异,总体上冬季的标准误差小于其他季节。 展开更多
关键词 CoLM模型 参数 参数化方案 陆面过程 塔克拉玛干沙漠
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湖陆风环流对于臭氧高浓度事件影响的模拟分析 被引量:5
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作者 王凡 王咏薇 +1 位作者 高嵩 胡凝 《环境科学学报》 CAS CSCD 北大核心 2019年第5期1392-1401,共10页
太湖流域工业发达,人口众多.湖泊激发的局地环流对于周边地区天气气候及空气污染扩散的影响值得高度关注.本文使用WRF-Chem模式,对比了Lake和Noah两种湖泊陆面过程方案对臭氧高浓度事件的模拟效果,并分析了太湖对周边地区局地环流及臭... 太湖流域工业发达,人口众多.湖泊激发的局地环流对于周边地区天气气候及空气污染扩散的影响值得高度关注.本文使用WRF-Chem模式,对比了Lake和Noah两种湖泊陆面过程方案对臭氧高浓度事件的模拟效果,并分析了太湖对周边地区局地环流及臭氧分布的影响.结果表明,Lake方案由于更好地引入了湖泊表面和大气之间的通量交换计算方案,其模拟值与实际观测结果有较好的匹配度.太湖和周边地区的热力差异使得太湖地区白天形成由湖区吹向陆地的湖风,湖风环流最强时在太湖-苏州方向高度可以达到4 km,最大风速达到5 m·s^(-1),对东北岸地区的影响可以穿过苏州到达城区的东北部约60 km处.太湖湖风的存在使得苏州城区的臭氧向下风向地区扩散,而湖风环流的强度不足以将湖区的臭氧输送到整个苏州城区.这导致远离太湖的城区的臭氧浓度比靠近太湖的城区低约150μg·m^(-3),臭氧浓度从靠近湖岸的城区到城区的后部再到郊区呈现出高、低、高的现象.而在夜间,受陆风影响,臭氧会在湖区上方堆积使得湖区臭氧浓度比周边陆地高约80μg·m^(-3). 展开更多
关键词 臭氧 湖风环流 WRF-Chem 湖泊陆面过程参数化方案
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