陆面过程模式CoLM和NCAR_CLM3.0对中国典型森林生态系统陆气相互作用的模拟 I. 不同模式模拟结果的初步分析

CoLM(Common Land Model)和NCAR_CLM3.0(NCAR Community Lanol Model 3.0)是目前国际上广为应用的两个发展比较完善的陆面过程模式.本研究利用中国陆地生态系统通量观测研究网络(Chi-naFLUX)在长白山温带混交林和千烟洲亚热带人工针叶林观测站点的长期连续强化观测资料,对这两个模式在上述地区的模拟性能进行了初步评估.同观测资料的对比表明,两个模式均能较好地模拟出观测站点地表能量和水分平衡的基本特征,其中,CoLM对潜热通量的模拟性能更好.以对潜热通量为期1年的日均值的模拟为例,COLM和CLM3.0在长白山观测站模拟值和观测值时间序列的相关系数分别为0.80和0.65,在千烟洲站分别为0.69和0.64,均通过了0.01的信度检验;两个模式对全年平均的模拟与观测日平均值的比值在长白山分别为1.21和0.86,在千烟洲分别为0.83和0.60.研究结果表明,这两个陆面过程模式可以作为研究这两种典型森林生态系统陆气交换的基本工具.同时,对模式模拟性能差异的深入分析将有助于进一步改进陆面模式的参数化过程,为相关研究奠定更坚实的基础.     

CoLM模式在中国温带混交林和亚热带人工针叶林的水热通量模拟性能评估

利用中国陆地生态系统通量观测研究网络(ChinaFLUX)在长白山温带混交林观测站点和千烟洲亚热带人工针叶林观测站点的强化观测资料,考察了一个较为完善的陆面过程模式(Common LandModel,CoLM)在这两种不同植被类型下垫面的模拟性能,特别是其对潜热通量的模拟。模拟结果与强化观测资料的对比表明,CoLM能较好地模拟出实验站点地表能量平衡的基本特征以及潜热通量的日变化和季节变化。其中长白山站和千烟洲站潜热通量日平均的观测值与模拟值的相关系数分别为0.804和0.692,均通过了0.001的显著性水平检验。总体而言,CoLM在长白山站的模拟效果更好一些,模式对不同植被覆盖类型的土壤—植被—大气间水热传输过程的处理可能是造成差别的原因。     

SHAW模式的改进及其在黄土高原半干旱区的模拟研究

陆面过程模拟研究中的一个关键问题是如何准确的计算陆气间能量交换,但现有的陆面过程模式模拟的湍流通量与观测值间仍然存在较大偏差,因此改进湍流通量的参数化方案对于提高陆面过程模式模拟能力有重要意义。本研究通过改进陆面过程模式SHAW中的热力粗糙度方案,以及引入干表层蒸发方案,以期改善湍流通量的模拟能力。在此基础上利用黄土高原半干旱区SACOL站观测资料,进行模式改进前后的单点模拟对比试验,研究其参数化方案改进对陆面过程模拟的影响。结果表明:改进后的SHAW模式能够合理地模拟黄土高原半干旱区陆面特征的变化趋势,模拟值与观测值偏差较小。与原来的SHAW模式模拟结果相比,改进后的SHAW_MOD模式显著提高了湍流通量的模拟能力,并改善了净辐射和深层土壤温度的模拟,但对土壤湿度的改进并不明显,这可能与土壤内部水热传输过程及相关参数化方案有关,还有待做进一步研究。     

三个陆面模式对新疆地区陆面过程模拟的对比研究

利用实测的大气观测数据建立陆面模式驱动场, 分别驱动Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme（BATS）, Land Surface Model（LSM）, Common Land Model（CoLM）三个陆面模式, 对新疆地区99个测站的陆面热力过程进行了off-line模拟研究, 对比分析了三个模式模拟结果的异同, 并利用观测的土壤温度检验了各个模式的模拟性能。结果表明： 三个模式对所吸收的太阳辐射、 地表感热通量、 地表潜热通量和Bowen比的模拟结果有明显差别, 其中CoLM模拟的太阳辐射、 感热通量和土壤温度比BATS和LSM大。用观测的土壤温度对三个模式模拟性能的检验表明 BATS模拟的土壤温度最接近观测值, 大约偏低1℃, 而LSM和CoLM的模拟结果偏高, CoLM模拟的年际变化趋势与观测值相关性达到0.877, 高于另外两个模式的模拟; BATS在天山以北模拟值偏低, CoLM在天山以南模拟结果偏高, LSM模拟的区域分布状况与实际观测最一致。这些结果为研究陆面模式在新疆地区的应用提供了一些参考, 对于深入了解新疆地区的陆面过程具有重要意义。     

陆面过程中冠层四流辐射传输模式的模拟性能检验

利用实际观测资料检验新发展的植被冠层四流辐射传输模式的模拟性能.将浙江大学田间观测数据用于模式试验,其结果表明:在可见光波段,因叶片散射率值较小,四流模式和二流模式模拟结果差别不大,模拟的冠层反照率都接近观测值.这表明在可见光波段,二流模式已经能够较好模拟芯层反照率,四流模式能够提高的精度范围有限;在近红外波段,因叶片散射率值较大,两个模式模拟结果差别较明显,四流模式模拟的冠层反照率相对二流模式的模拟结果更接近观测值.利用第2次雪模式比较计划SNOWMIP资料和改进的10层陆面模式BATS进行耦合试验,将四流模式以及二流模式均耦合到该陆面模式中,其目的是为考察四流模式对陆面模式模拟地表反射太刚短波辐射通量的影响.耦合后得到的结果与SNOWMIP中加拿大BERMS草地站和森林站的观测资料进行了对比.对比结果表明,采用网流模式、二流模式、BATS原辐射传输模式后,耦合四流模式的陆面模式模拟地表反射太阳短波辐射通量最接近观测值.说明采用四流模式能够改善陆面模式对地表反射太阳短波辐射通啦的模拟.     

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。     

藏北高原陆面过程的模拟试验

利用NCAR陆面过程模式(Land Surface Model)和1998年"青藏高原能量与水分观测实验"加强观测期(GAME/Tibet IOP)的观测资料对青藏高原地区陆面过程进行了模拟研究.结果表明,在观测资料的强迫下模式能够较好地模拟出地表特征量的变化趋势,深层的土壤温度的模拟对初始场在0℃左右的变化敏感.模拟的感热通量、潜热通量以及地表反射的太阳辐射较观测值偏大.在高原地区地表类型分布状况的真实描述及植被、土壤参数的选取可能是提高该地区效果的首要问题;草地下垫面的陆面特征有待进一步研究;对土壤水热运动的真实描述,及冻土过程的加入对大气环流模式(GCM)跨季节的数值模拟会有所改进.     

西北干旱区荒漠戈壁陆面过程的数值模拟

首先利用“中国西北干旱区陆 气相互作用试验”2 0 0 0年 5～ 6月在甘肃敦煌进行的陆 气相互作用野外试验的观测资料 ,确定了西北干旱区荒漠戈壁的陆面过程参数 ,并用这些参数改进了已有的陆面过程模式。然后用该陆面过程模式对敦煌陆 气相互作用野外试验荒漠戈壁上的大气感热通量、潜热通量、摩擦速度以及净辐射、地表和土壤温度、土壤水份等重要陆面变量进行了模拟 ,结果表明 ,模拟值与观测值非常接近 ,这说明改进后的模式对干旱区陆面过程有较强的模拟能力     

陆面过程模式TBLSHAW的设计及其在黄土高原地区的模拟研究

为了改善陆面过程模式在半干旱地区的模拟能力,在SHAW(Simultaneous Heat and Water Model)模式和CoLM(Common Land Surface Model)模式参数化方案基础上,结合黄土高原SACOL站(Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University)得到的部分土壤和近地层的研究结果,利用SHAW模式的动力框架,发展了一个新的陆面过程模式TBLSHAW(Two-Big-Leaf-SHAW)。该模式由一层植被、多层土壤和湍流边界层构成。在植被层主要采取双大叶模型计算能量平衡;土壤层利用水热耦合传输模型计算土壤温度和湿度,并包含了冻融、蒸发及降水渗透等物理过程;湍流边界层采取莫宁—奥布霍夫理论计算湍流通量。最后利用SACOL站获取的观测资料,对TBLSHAW模式进行了模拟检验。结果表明,TBLSHAW模式能够合理地模拟半干旱地区各项陆面过程特征的变化趋势;模拟的土壤温度和土壤湿度与观测值的偏差较小,模式效率和相关系数较高;模拟的净短波辐射及向上长波辐射较好;但是模拟的感热通量、潜热通量与观测值偏差较大,这可能与该地区的能量闭合度较低有关,还有待进一步研究。     

青藏高原单点地气交换过程的模拟试验

利用GAME-Tibet 1998 IOPs的外场观测资料,采用单点陆面过程气柱模式CLSM对青藏高原的昌都(Amdo)站和改则(Gaize)站的地气交换过程进行了模拟试验,模拟结果与观测分析的对比表明：模式对两个站陆面特征的变化和陆气之间的交换给出了比较合理的模拟结果,模拟结果与观测结果较一致。这在一定程度上表明,CLSM模式具有描述夏季高原地区两种不同下垫面陆面状况基本过程的能力。     

陆面过程模式LPM-ZD及其对我国中东部地区陆面特征的模拟

该文利用陆面过程模式ＬＰＭ┐ＺＤ和一套观测分析资料对我国中东部地区的陆面特征进行了模拟研究．模拟结果表明：模式ＬＰＭ┐ＺＤ比较好地模拟了该区域内不同类型植被和土壤的温、湿变量以及陆气间通量交换的日变化特征；能够合理地模拟我国中东部区域的陆面过程特点分布，很好地反映了我国南北方区域气候特点的差异和我国夏季风气候特点     

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。     

应用WRF模式对江西一次暴雨过程的模拟分析

利用新一代数值预报模式WRF耦合RUC、NOAH两个陆面过程,对2006年4月11-12日发生在江西境内的一次暴雨过程进行模拟,并对模式输出的水文平衡和能量,尤其是土壤湿度、地表径流、土壤温度等的变化进行了分析.结果显示,WRF模式耦合两个陆面过程均能模拟出此次暴雨过程的降水空间、时间分布和强度,而WRF-RUC提供了...     

陆面过程模式LPM—ZD及其对我国中东部地区陆面特征的模拟

该文利用陆面过程模式ＬＰＭ－ＺＤ和一套观测分析资料对我国中东部地区的陆面特征进行了模拟研究，模拟结果表明，模式ＬＰＭ－ＺＤ比较地模拟了该区域内不同类型植被和土壤的温，湿变量以及陆气间能量交换的日变化特征，能够合理地模拟我国中东部区域的陆面过程特点分布，很好地反映了我国南北方区域气候特点的差异和我国夏季风气候特点。     

一个改进的陆面过程模式及其模拟试验研究第一部分:陆面过程模式及其“独立(off-line)”模拟试验和模式性能分析

文中在综合比较过去各类陆面过程模式优缺点的基础上,主要参考ＢＡＴＳ模式,发展了一个陆面过程模式（ＬＰＭ－ＺＤ）。它具有以下几个特征：１．采用物理方程和经验解析公式相结合的方法进行土壤温度和土壤水汽的求解。在上层土壤,土壤分层较细并采用温度传导和水汽扩散方程求解,而在下层土壤,土壤分层较粗并利用经验方法处理。２．考虑了降水分布的次网格特征及其对陆面水文产生的重要影响。３．较全面地考虑了雪盖对陆面过程的各种影响：对陆面水文的影响、对土壤热传导的影响以及雪盖的高反照率对辐射收支的影响。利用３组单点观测试验资料对陆面过程模式ＬＰＭ－ＺＤ进行了“独立（ｏｆ－ｌｉｎｅ）”模拟试验。模拟结果表明陆面过程模式ＬＰＭ－ＺＤ具有较好的模拟性能,能够比较准确地模拟不同气候区的多种下垫面类型的陆面过程变化特点,模拟结果与观测基本一致。进而又利用一组观测资料和模式ＬＰＭ－ＺＤ进行了一系列敏感性模拟试验,试验结果表明模式ＬＰＭ－ＺＤ对一些参数的确定非常敏感,如初始土壤水汽、植被的物理特性参数以及降水次网格分布因子等,因此提高确定这些参数的准确性是改进陆面模式的重要内容之一。     

NIM陆面过程模式的研究Ⅱ：青藏高原夏季陆面过程的数值模拟

采用南京气象学院（NIM）5层陆面过程模式，利用1979年5－8月“青藏高原气象科学实验”资料模拟和分析了夏季青藏高原不同地区的陆面特征和地表能量特征。并将模拟值与根据观测资料计算得到的感热和潜热以及观测得到的净辐射、土壤温度、土壤热通量进行了对比。结果表明，NIM5层陆面过程模式可以模拟青藏高原夏季不同下垫面情形下的能量交换过程。     

Noah-MP陆面模式对干旱区不同下垫面水热通量模拟评估

陆面水热通量的准确模拟可为气候模式提供高质量的下边界条件，对气候模拟和预测具有重要意义。本研究基于干旱区张掖国家气候观象台2021年1月-2022年6月和大满灌区绿洲农田站2020年1-12月的观测数据，评估Noah-MP模式对干旱区荒漠和农田两种下垫面的水热通量的模拟性能。结果表明：Noah-MP模式模拟的干旱区荒漠下垫面辐射及感热和潜热通量的变化特征、峰谷值与观测值总体一致，模拟效果较好；模拟的5 cm土壤湿度对降水过程有明显的响应，表现出明显的冷暖季差异，但其模拟性能仍有待改进。Noah-MP模式对干旱区农田下垫面辐射通量及各层土壤温度的模拟效果较理想，但模拟的潜热通量及各层土壤湿度较观测值偏低，尤其在生长季模拟性能并不理想。总体而言，Noah-MP模式对干旱区荒漠下垫面水热通量的模拟性能优于农田下垫面，优化和发展模式水文过程的参数化方案，在模式中考虑人为作用，是提高干旱区陆面过程模式模拟能力的重要方向。     

一个区域地气耦合柱状模式的发展及其对半干旱区的模拟

在现有的区域气候模式的基础上构建了用于研究地气耦合模拟的区域柱状模式,其中包括了详细的物理过程,可以作为研究半干旱区地气相互作用过程的工具。通过区域柱状模式与不同陆面模式的耦合,检验了不同陆面模式在非耦合和耦合两种情况下对半干旱区的模拟性能。结果表明,陆面模式在耦合后对感热的模拟偏差放大,而潜热的模拟效果得到了改进,不同的陆面模式对区域柱状模式的模拟性能影响较大,耦合了CoLM后的区域柱状模式对地表气象要素的模拟得到了较大的改进。     

陆面模式CLSM的设计及性能检验II.模式检验

利用BOREAS,HEIFE,ARME,GAME-TIPEX等大量的陆面外场观测资料,针对不同类型的陆面过程,对所发展的陆面模式CLSM的性能进行检验.模拟结果与观测资料的对比分析表明:一方面,CLSM能够对积雪变化、干旱/半干旱地区的水热交换等特殊的陆面过程进行合理的描述;另一方面,CLSM对热带雨林地区的植被-大气相互作用、高原地气交换过程同样具有很强的模拟能力.CLSM解决了陆面模式对上述特殊下垫面描述能力有限的实际问题,保证了对特殊下垫面进行合理描述的同时,又保证了对其他不同陆面状况的模拟能力.CLSM改善了陆面模式对全球范围内不同下垫面条件下的陆面过程及地-气交换过程的模拟能力.     

简评陆面过程模式

在这篇文章中,阐述了陆面过程对天气,气候和大气环流的影响以及陆面过程模式在大气数值模拟中的重要性;回顾了陆面过程模式的发展历史;分析了一些陆面过程模式之间的主要结构差别;讨论了目前陆面过程模式的发展水平和未来的发展方向;简述了大气中尺度模式与陆面过程耦合的必要性以及当今耦合模式的研究现状。