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。     

陆面过程模式的敏感性试验

本文对文献[1]中提出的陆面过程模式(简称LPM)进行了下列敏感性试验:1)植被的覆盖度,2)土壤湿润程度,3)不同植被类型(半荒漠、草原、混交林、森林和作物地五种)和4)不同气候带(半干旱、半湿润和湿润带三类)。试验结果与相应的观测和气候状况进行了比较,表明了模式对上述参数或参数组变化的敏感程度。模拟的不同植被和气候带的温湿状况和能量平衡关系是合理的。因此可以用于气候模拟的研究。     

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     

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。     

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.     

陆面过程模式CLASS径流模拟的改进和应用

针对陆面过程模式CLASS(Canadian Land Surface Scheme)产流模拟方面的不足,提出考虑壤中流产流机制的产流模拟方案。利用淮河流域能量和水分循环试验(HUBEX)资料,在史灌河流域对改进前后的模型进行了对比试验。结果表明,产流模拟改进方案大大提高了CLASS的径流模拟能力,同时改善了模式对土壤含水量的模拟。     

基于中国植被数据的陆面覆盖及其对陆面过程模拟的影响

本文基于中国1:100万植被图、马里兰大学AVHRR森林覆盖资料和中国753个气象站点40年的降水气温资料, 发展了一套用于气候模拟的中国陆面覆盖资料(Chinese land cover derived from vegetation map, 简称CLCV)。该套资料与CLM(Community Land Model)原来所用的MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) 陆面覆盖资料相比有较大不同: 其中裸土比例减少了14.5%, 森林、灌木、草原和农作物比例分别增加了3.3%、4.8%、4.4%和0.3%, 冰川、湖泊和湿地比例分别增加了0.4%、0.8%和0.6%。将CLCV和MODIS资料分别与全国土地资源概查汇总结果分省统计资料和基于中国1 km土地利用图的土地利用资料比较表明, CLCV与两者较为接近。最后, 利用CLM模式分别采用CLCV与MODIS陆面覆盖资料在中国区域内进行数值模拟, 结果显示, 使用CLCV资料所模拟的蒸散增加了约7.7 mm/a; 地表反照率、 感热和径流分别减小了约0.7%、 0.3 W/m2和7.6 mm/a; 与MODIS卫星反演地表反照率和GRDC (Global Runoff Data Centre) 径流资料比较表明, 利用CLCV资料所模拟的地表反照率有一定改进, 并能基本模拟出径流分布趋势。     

IAP94陆面过程模式在淮河流域的验证试验

利用ＩＡＰ９４陆面过程模式对淮河流域不同季节（春、夏、秋）、不同下垫面（旱地、森林、水田）进行了单点数值模拟试验，结果表明ＩＡＰ９４不但能较好地模拟出观测的地气间各种能量通量以及植被的冠层温度，同时还很好地模拟出整层土壤含水量的变化趋势，从而证实了ＩＡＰ９４陆面过程模式具有正确描述东亚半湿润季风区陆气相互作用的能力。另外比较结果还揭示了水田表面强烈蒸发作用的重要性，需要在陆过程模式中予以重视。     

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。     

陆面过程模式的改进及其检验

文中对陆面过程模式 (BATS)进行了改进 ,改进后的模式能较好地模拟地表物理量的年、季和日变化 ,它有两方面的特点 :采用热扩散方程模拟 7层土壤温度 ,模拟的温度可与实测值进行比较 ;在BATS的地表径流方案中 ,考虑了空间不均匀性的一般地表径流 (GVIC)过程 ,研究结果表明 :⑴模式能很好地模拟各层土壤温度的年、季和日变化。冬季土壤温度下层高于上层 ,而在夏季上层高于下层 ,这种上下层温度的转换时间大约在 4和 10月份 ,这与实测土壤温度的年变化非常一致。较为准确地模拟了各层土壤温度日变化的时滞效应。⑵用南京和武汉站的资料 ,将BATS地表径流方案模拟的地表水分分量与GVIC方案进行比较 ,BATS地表径流方案模拟的地表水分分量 ,与总水量的平衡相差较大 ,而GVIC模拟的效果相对较好 ,地表总水量基本上与降水总量达到了平衡     

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。     

干旱区陆面过程模型参数优化和地气相互作用特征的模拟研究

依据干旱区陆地下垫面观测结果, 对陆面过程模式Common Land Model (CoLM) 中反照率、 粗糙度长度和土壤热力性质3个方面的参数进行了优化, 并按照不同的参数组合形式设计了为加深理解干旱区地气相互作用的控制试验和研究重要参数影响的敏感性试验, 对敦煌戈壁2000年5月～2004年7月的陆面过程进行了离线 (off-line) 数值模拟分析。控制试验结果表明: 优化参数的模式在干旱区得到了更好的模拟性能, 对地表和深层土壤温度、 净短波辐射、 净长波辐射以及感热通量的模拟能力较原模式有了明显的提高。敏感性试验的结果表明: 地表温度在全年对反照率都比较敏感, 春季和夏季更为显著; 粗糙度长度和土壤热力性质分别在春夏和秋冬对地表温度有较大影响; 感热通量对反照率和粗糙度长度在夏半年比较敏感, 而土壤热力性质对感热通量的影响并不明显。对敏感性试验的结果进一步分析发现: 原模式在计算地表温度、 净辐射和感热通量的过程中存在不同形式的误差抵消的现象, 这就会掩盖模式的模拟误差, 优化参数的模式可以更好的反映干旱区地气相互作用的物理过程。针对模式输出的感热通量和地表热通量的分析发现: 感热通量的季节变化明显, 全年都有由地表向上的感热通量输送, 夏季尤为显著; 相对于感热通量而言, 潜热通量量级很小可以忽略不计。夏季, 净辐射的能量大部分以感热通量的形式返回大气, 其余的能量以地表热通量的形式进入土壤并贮存, 夏季土壤为热汇; 冬季, 夏季贮存的能量又由土壤返回大气, 此时土壤为热源。     

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。     

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。     

NCAR_CLM系列模式对全球近50 a陆面状况的模拟及其比较分析

基于普林斯顿大学1948-2006年3h一次、1 °×1 °空间分辨率的全球陆面驱动数据,利用NCAR系列陆面模式CLM3.0、CLM3.5、CLM4.0,分别对全球近50 a的陆面状况进行了offline模拟试验.在此基础上,对比分析了不同版本模式对全球土壤温度、土壤湿度、地表感热、潜热和地表径流气候态的模拟结果,揭示了不同版本模式对全球陆面变量模拟的差异及主要特征.结果表明:1)CLM系列模式模拟的土壤温度、湿度在全球范围内存在一定差异.与CLM4.0相比,CLM3.0和CLM3.5模拟的1月、7月的浅层和深层土壤温度在北半球中高纬度存在明显的暖偏差.CLM3.0模拟的土壤湿度在北半球高纬地区均存在不同程度的偏湿,而在热带及中纬度地区则以偏干为主,尤其是对热带地区深层土壤湿度的模拟存在严重偏干的现象;相比之下,CLM3.5模拟的浅层土壤湿度仅在北半球高纬地区存在偏湿的现象;二者对深层土壤湿度的模拟差异较小.2)CLM系列模式模拟的地表能量通量和地表水文变量也存在较明显的差异.模式对潜热通量和感热通量的明显差异主要出现在热带地区,与CLM4.0相比,CLM3.0模拟的潜热(感热)通量总体偏小(大),而CLM3.5模拟的潜热(感热)通量以偏大(小)为主.CLM3.0模拟的地表径流在热带地区明显偏大,CLM3.5在一定程度上改善了上述区域径流偏大的问题,但过分低估了上述地区的地表径流.3)模式模拟结果的差异具有明显的季节变化和区域性特点.总体而言,CLM3.0对不同地区的土壤湿度和冠层蒸散的季节变化模拟都存在较大偏差,其模拟的土壤湿度明显偏低,而对冠层蒸腾作用在冠层蒸散过程中所做的贡献估计不足;CLM3.5和CLM4.0对上述结果有了较明显的改进.对于其他陆面因子的季节变化而言,CLM3.0的模拟能力也存在一定程度的不足,而CLM3.5和CLM4.0的模拟结果则更为合理.     

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。     

干旱区陆面过程参数改进对气候模拟结果的影响

利用改进的我国西北地区陆面过程参数的大气环流模式CCM3与原CCM3模式分别做了数值模拟并加以对比分析。结果表明,改进后的模式较原模式对东亚季风和西北干旱区降水的模拟能力有一定提高,对西北部分地区感热、潜热通量的模拟有所改进。这说明通过观测改进陆面过程模式的参数是提高CCM3气候模式模拟能力的一种重要途径。     

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.     

不同陆面过程模式对半干旱区通榆站模拟性能的检验与对比

随着全球气候变化和伴随而来的日益严重的干旱化问题,干旱/半干旱地区的陆气相互作用引起了越来越多的重视。利用国际协同强化观测期(CEOP)观测资料对3个不同的陆面过程模式BATS、LSM和CoLM在半干旱区通榆站进行了模拟检验与对比,考察了不同陆面过程模式对半干旱地区的模拟性能。结果表明,3个模式都可以较好地模拟出半干旱地区地气间的能量通量的季节和日变化,但模拟性能存在较大差异。对于地表温度和出射长波辐射的模拟,BATS表现最优;而对于感热和潜热通量的模拟,CoLM和LSM要好于BATS,其中CoLM的表现最好。各模式的模拟性能随着季节不同存在着很大的差异,夏季的模拟要好于冬季,3个模式都不能很好地模拟冬季该地区的潜热通量,说明对半干旱地区冬季地表过程的刻画还有待进一步提高。