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

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。     

陆面过程模式中积雪过程的参数化及初步试验

为了用气候模式研究冰雪圈变化的气候效应，我们在已经发展的土壤－植被－大气模式基础上，考虑积雪改变表水文和反照率的参数化，建立了包含雪盖问题的陆面过程模式。利用中国西北黑河地区的ＨＥＩＦＥ实测气象和辐射资料，检验了模式对大气降雨和降雪的响应，结果表明，该模式描写的各种物理过程合理，一些可观测要素（如地面温度和地表净辐射通量）的演变特征与实况相当一致。     

AREM模式中陆面过程的改进与试验

为了提高AREM模式业务预报能力,对AREM业务模式陆面过程参数化方案作了修改,将陆面过程模式BATS耦合其中;同时,应用耦合BATS的AREM模式与原模式分别对2006年6～7月我国南方汛期降水过程进行了典型个例模拟分析和批量后报试验;另外,对降水预报进行了分区统计检验。结果表明,引入BATS方案使模式对降水区和降水中心预报有较好的改进,漏报率减小,Ts评分明显提高,这说明恰当描述陆面过程对改进AREM模式降水预报具有重要作用。     

两次暴雨过程模拟对陆面参数化方案的敏感性研究

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。     

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。     

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。     

一个陆面过程参数化模式与 MM5的耦合

在法国陆面过程模式的基础上,为了表示冠层叶片遮挡对水分蒸发阻抗的影响,在植被覆盖部分引入了遮盖因子,然后将这个修正的陆面过程参数化模式耦合到MM5模式中。耦合后的模式模拟出了因为降水造成土壤湿度变化和植被覆盖动态作用对地面通量的影响,而原MM5模式模拟结果则没有反映上述动态变化对地面通量的作用。原MM5模式和耦合模式模拟了1993年8月17日到20日以内蒙古半干旱草原为中心的中尺度区域的气象场,模拟结果和IMGRASS预观测资料进行了对比,对比说明新的陆面过程模式提高了MM5模式对地面通量和边界层各物理量（风、温、湿）的模拟精度。     

不同边界层和陆面过程参数化方案对比分析

利用WRF模式选用不同的边界层参数化方案 (YSU、MRF) 结合三种陆面过程方案 (RUC、SLAB、Noah) , 模拟了2011年5月1~3日的四川东部暴雨过程, 对不同参数化方案结合不同陆面过程结果进行对比试验基础上发现, 模式对24h降水落区及强度有较强预报能力, 但对单站小时降水分布的预报能力还需改进;不同边界层方案与陆面过程的对比试验说明降水对于边界层物理过程有一定敏感性, 各试验的差异主要体现在对暴雨中心雨强以及降水峰值强度和峰值出现时段的预报上;WRF模式基本上能够模拟出边界层要素日变化特征。     

陆面过程模式BCC_AVIM中地表覆盖数据现状

地表覆盖是陆面和气候模式中的一个重要基础数据。以陆面过程模式BCC_AVIM为例,介绍模式中的地表覆盖数据变量、数据分辨率、不同类型数据的来源,重点比较分类方法差异巨大且类型众多的植被覆盖。综述比较了国际和国内常用的几套全球地表覆盖数据的来源、分类系统和分类方法以及空间分辨率,根据陆面过程模式的地表覆盖数据需求,确定不同全球土地覆盖数据在模式中的应用方法,讨论分析了全球地表覆盖产品在模式应用中存在的差距,提出不同遥感数据产品之间一致性较差的可能解决方案,探讨遥感数据产品在模式中应用的可能方式,以期更好地发挥全球地表覆盖数据产品的作用。     

Four-stream Radiative Transfer Parameterization Scheme in a Land Surface Process Model

Accurate estimates of albedos are required in climate modeling. Accurate and simple schemes for radiative transfer within canopy are required for these estimates, but severe limitations exist. This paper developed a four-stream solar radiative transfer model and coupled it with a land surface process model. The radiative model uses a four-stream approximation method as in the atmosphere to obtain analytic solutions of the basic equation of canopy radiative transfer. As an analytical model, the four-stream radiative transfer model can be easily applied efficiently to improve the parameterization of land surface radiation in climate models. Our four-stream solar radiative transfer model is based on a two-stream short wave radiative transfer model. It can simulate short wave solar radiative transfer within canopy according to the relevant theory in the atmosphere. Each parameter of the basic radiative transfer equation of canopy has special geometry and optical characters of leaves or canopy. The upward or downward radiative fluxes are related to the diffuse phase function, the G-function, leaf reflectivity and transmission, leaf area index, and the solar angle of the incident beam. The four-stream simulation is compared with that of the two-stream model. The four-stream model is proved successful through its consistent modeling of canopy albedo at any solar incident angle. In order to compare and find differences between the results predicted by the four- and two-stream models, a number of numerical experiments are performed through examining the effects of different leaf area indices, leaf angle distributions, optical properties of leaves, and ground surface conditions on the canopy albedo. Parallel experiments show that the canopy albedos predicted by the two models differ significantly when the leaf angle distribution is spherical and vertical. The results also show that the difference is particularly great for different incident solar beams. One additional experiment is carried out to evaluate the simulations of the BATS land surface model coupled with the two- and four-stream radiative transfer models. Station observations in 1998 are used for comparison. The results indicate that the simulation of BATS coupled with the four-stream model is the best because the surface absorbed solar radiation from the four-stream model is the closest to the observation.     

非均匀地表陆面过程参数化研究

地表固有的非均匀性影响近地层大气的垂直结构,甚至改变局地天气条件,亦使得大气数值模式大尺度网格面积水热通量的计算对其具有较强的敏感性。为了提高气候模式性能,非均匀陆面过程参数化已是当前大气边界层和陆面过程模式研究的热点和难点问题之一。本文在调研国内外大量文献的基础上,综述了近年来非均匀地表陆面过程参数化的研究现状,分析和比较了不同的参数化方法的优缺点以及数值模式模拟结果对它们的响应,提出了目前尚待继续探讨和解决的几个关键性问题。     

GRAPES NOAH-LSM陆面模式水文过程的改进及试验研究

土壤含水量的计算影响着陆面过程的能量平衡和水量平衡,是陆面模式的核心计算要素之一。目前,GRAPES_Meso模式采用的NOAH-LSM(Noah-Land Surface Model)陆面模式既不能有效地表达径流产源面积的变动情况,也不能完整描述水文循环过程。本次试验针对以上问题对其进行了改进:(1)加入蓄水容量曲线,考虑网格内产流面积的变化及土壤含水量的不均匀性;(2)加入汇流模式,以考虑水平二维水分再分配,提高模式对径流和流量模拟能力。选取2008年8月至9月降水进行模拟试验,研究陆面水循环过程对近地面气象要素的影响。结果表明:改进后的模式模拟土壤湿度、2 m温度等近地面气象要素更接近观测值,并最终对降水量以及降水落区也产生了一定的影响。     

多圈层陆面过程参数化研究中遥感信息应用的进展和方向

近年来遥感技术的发展为多圈层中陆面过程和边界层研究提供了有力的工具。文章分析了目前用于陆面过程参数化研究的重要遥感信息源。并评述遥感信息在陆面过程参数化研究中的基本应用和存在问题,最后,提出发展方向和展望。     

城市陆面模式设计及检验

针对城市冠层模式(Urban Canopy Model,UCM)的各种局限性,本文首次提出整体城市陆面模式(Bulk Urbanized Land Surface Model,BULSM)的概念,即在现有先进的陆面模式的基础上直接构建城市陆面模式。本文在通用陆面模式(Common Land Model,CoLM)基础上构建整体城市陆面模式,根据城市的特点对CoLM进行了发展和重新参数化。模式采用高分辨率地表分类数据;改进了模式的地表能量平衡方程与水分平衡方程;对反照率、城市地表粗糙度、城市大气廓线、城市人为热、不透水面水分蒸发及积水深度等进行了重新参数化。模式保留了CoLM在自然下垫面的全部特性,加强了CoLM在城市或人为下垫面的模拟和预报能力。区域验证以及与CoLM对比结果表明整体城市陆面模式模拟结果能够显示出北京城区各参数的空间精细化分布情况,能够反映出地表分类对模拟结果的影响。单站点验证以及与CoLM和高分辨率城市陆面同化系统(u-HRLDAS)对比结果表明整体城市陆面模式地表温度模拟结果与CoLM相比有很大提高;和u-HRLDAS相比大部分站点地表温度模拟结果也有一定的改进。     

陆面过程模式中地下水位的参数化及初步应用

田间研究表明地表水和地下水有重要的相互作用,它与土壤含水量密切相关.土壤含水量不仅在陆气相互作用系统水和能量平衡中,而且在干旱、洪水预报、水资源管理、生态系统研究中起十分重要的作用.因此,研究地表水和地下水的相互作用,建立陆面模式中地下水位的动态表示,对于气候与水资源研究具有重要意义.将地下水位的动态表示问题归结为饱和与非饱和流问题,发展了其数值计算方案,建立了地下水位的动态表示,并与陆面过程模型耦合,建立了陆气相互作用中地下水位的动态表示,并进行了数值模拟研究.     

非均匀下垫面陆面过程参数化问题研究进展

非均匀下垫面对陆面过程模式应用有着重要影响。若将下垫面一概视为均一,在很多情况下会影响模式模拟的准确性。本文详细介绍了目前非均匀地表陆面过程参数化的方法(Mosaic法、统计—动力法和其它方法),初步分析了这些参数化方法的缺陷,并简单探讨了陆面参数尺度转换问题,最后对今后研究的问题给出了建议,其中特别提出要寻找适当方法实现陆面物理量不同尺度间的转换。     

干旱区陆面过程参数改进对东亚区域气候影响的数值模拟

为了进一步检验裸土参数化的气候模拟性能,本文在文献[1,2]的基础上,利用NCEP再分析资料和Xie等全球降水资料与CCM3模拟结果进行了对比。结果表明：加入裸土参数化方案的CCM3能较好地再现冬季东亚和中国地区区域气候的主要特征,模式较原CCM3能更好地模拟地表温度和东亚及中国西北地区的降水,对东亚季风环流的模拟也较接近实际。同时,该方案在CCM3中的加入改进了青藏高原冬季降雪带及夏季高原东南部降水中心的模拟,提高了模式对高原冬夏季降水的模拟能力,从而再次说明利用观测资料对模式参数修正及参数化方法的改进是提高数值模式模拟能力的一个重要途径。