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1.
土壤湿度不仅是地表水循环的重要组成部分,而且对天气和气候也有重要影响,它的模拟误差严重阻碍了人们对水循环的认知.本文首先评估了1°×1°水平分辨率的全球陆面数据同化产品(Global Land Data Assimilation System,GLDAS)对青藏高原中部那曲地区和东部玛曲地区土壤湿度的模拟性能;鉴于GLDAS较粗的分辨率无法精细描述分析区域土壤湿度空间分布特征,于是我们基于通用陆面过程模式(Community Land Surface Model,Version 4.5),开展了高分辨率0.1°×0.1°的模拟,并对高分辨率模拟土壤湿度误差的原因进行了深入分析.结果表明:(1)GLDAS陆面数据同化产品和高分辨率陆面模式模拟结果都可以反映出土壤湿度的季节变化特征,但在非冻结期均存在不同程度的干偏差,尤其是在玛曲地区;(2)对比观测和模拟的土壤湿度发现,观测数据表现出强烈的空间异质性,而模拟结果呈现出的是空间均一性.按照模拟误差进行归类分组,对比模拟性能优劣的两组站点发现,模式物理过程不是模拟性能差异的主要因素,而两组站点间地表特征参数中的土壤质地和地形参数,以及驱动数据均没有体现出空间异质性,这可能是土壤湿度模拟结果没有表现出空间异质性的原因. 相似文献
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使用地球观测系统的中分辨率成像光谱仪（EOS．MODIS）提供的归一化植被指数（NDVI）产品估算植被覆盖度和航天飞机雷达地形测绘任务（SRTM）制成的数字高程模型（DEM）数据遥感产品替换WRF模式默认的植被覆盖度和地形高度,并且利用WRF模式及其先进的三维变分同化系统（WRF．3DVar）循环同化东北半干旱区自动气象站近地面气象要素,对东北半干旱区的温度场、湿度场、风场和能量场的结构及其日变化特征进行了较为细致的模拟研究．通过4组数值模拟试验分别探讨了同化气象要素与改变模式地表参数引起的不同下垫面潜热、感热的分配关系和降水、土壤湿度变化弓f起的地表能量通量模拟效果,并利用通榆站、奈曼站、锦州站、和密云站2009年6-8月的通量观测资料与模拟结果对比检验．结果表明,WRF模式能够较好地模拟出东北半干旱区夏季的近地面温度、风向、净辐射、感热和潜热等要素的变化特征及日变化规律．同化试验（Case2）模拟的近地面气温、相对湿度、风速相比控制性试验（Case1）有所改善;陆面参数试验（Case3）和集合试验（Case4）改善了感热和地表热通量的模拟．WRF模式能较好地模拟出下垫面土壤湿度随时间变化的规律,集合试验（Case4）土壤湿度模拟结果与4个通量站观测值相比无太大差别,但降水的模拟有待改善．本研究利用卫星遥感资料改善模式下垫面陆面参数,利用气象资料同化改善近地面大气要素模拟精度,这是将各种不同空间和时间尺度的多源数据与数值模拟融合的有益尝试．此研究生成的东北地区资料同化数据集可用于气候变化、干旱监测等方面,对深入了解半干旱区气候的形成和维持机理具有重要的意义． 相似文献
3.
卫星被动微波遥感土壤湿度,是准确分析大空间尺度上陆表水分变化信息的有效手段.美国航天局(NASA)发布的基于AMSR-E观测亮温资料的全球土壤湿度反演产品,在蒙古干旱区的实际精度并不令人满意.本文基于对地表微波辐射传输中地表粗糙度和植被层影响的简化处理方法,采用AMSR-E的6.9 GHz,10.7 GHz和18.7 GHz之V极化亮温资料,应用多频率反演算法,并以国际能量和水循环协同观测计划(The Coordinated Energy and Water Cycle Observations Project)即CEOP实验在蒙古国东部荒漠地区的地面实验资料作为先验知识,获取被动微波遥感模型的优化参数,以期获得蒙古干旱区精度更高的土壤湿度遥感估算结果.分析表明,本文方法反演的白天和夜间土壤湿度结果与地面验证值之间的均方根误差(RMSE)接近0.030 cm3/cm3, 证明所用方法在不需要其他辅助资料或参数帮助下,可较精确地反演干旱区表层土壤湿度信息,能够全天候、动态监测大空间尺度的土壤湿度变化,可为干旱区气候变化研究及陆面过程模拟和数据同化研究提供高精度的表层土壤湿度初始场资料. 相似文献
4.
基于集合Kalman滤波及SCE-UA(shuffled complex evolution)算法发展了能够直接同化微波亮温的土壤湿度同化方案. 该方案以陆面过程模式CLM 3.0中的土壤水模型作为预报算子, 以辐射传输模型作为观测算子. 整个同化过程分为参数优化和土壤湿度同化两个阶段, 利用SCE-UA算法优化辐射传输模型中难以确定的植被光学厚度参数和地表粗糙度参数, 并利用优化参数作为观测算子的模型参数进行同化. 通过人工理想试验表明该同化方案可以明显改善表层土壤湿度的模拟精度, 并且对深层土壤湿度的模拟也有一定程度的改善; 利用AMSR-E亮温(10.65 GHz垂直极化)所进行的实际同化试验表明顶层(0~10 cm)土壤湿度同化结果与观测的均方根误差(RMSE)由模拟的0.05052减小到0.03355, 相对减小了33.6%, 而较深层(10~50 cm)平均减小了20.9%. 这些同化试验显示该同化方案的合理性. 相似文献
5.
复杂多变的陆地表微波比辐射率,造成陆面上星载微波观测反演大气参数较为困难,也使得许多卫星微波资料不易同化应用到数值模式,因此迫切需要提供准确可靠的陆面微波地表比辐射率信息.随着卫星观测技术的迅速发展,利用丰富的星载被动微波观测直接反演陆面微波比辐射率成为一种主要手段.国外针对星载微波成像仪和微波垂直探测器开展较为系统的陆面微波比辐射率研究,建立不同类型的地表比辐射率反演方法,开发地表比辐射率参数化方法并应用于辐射资料同化.对于卫星观测反演陆面微波比辐射率存在的问题,开展了评估分析和方法订正.国内利用卫星观测也开展了一些陆面微波比辐射率研究工作,尚需要系统、综合的提炼.对于地表特征复杂的中国地区,还需要评估认识不同陆面微波比辐射率反演方法在我国适用情况,需要增强陆面微波比辐射率数据质量的认识以及业务应用. 相似文献
6.
考虑次网格变异性和土壤冻融过程的土壤湿度同化方案 总被引：3，自引：0，他引：3
集合Kalman滤波以其简单有效的特点在陆面数据同化中广泛应用,通常作为预报模型的陆面过程模式往往要考虑模式次网格变异性和土壤冻融过程,若对此不加考虑而直接对土壤湿度进行同化可能会使得同化结果发生偏差．将双集合Kalman滤波应用于土壤湿度的同化,基于NCAR／CLM陆面过程模式建立了一个考虑次网格变异性和土壤冻融过程的土壤湿度同化方案：在同一个时间步内用状态滤波对模式网格内某片上液态水分含量进行优化,用参数滤波对该片上的固态水分含量和其他片上的液态／固态水分含量进行优化,由此考虑模式次网格变异性和土壤冻融过程的影响,从而实现对整个模式网格上土壤湿度的同化．初步的同化试验表明：其同化效果在有、无土壤冻融阶段都优于一般的不考虑次网格变异性和土壤冻融变化的同化方案;该同化方案不仅能够提高那些有直接观测信息的土壤层的土壤湿度模拟精度,还能在一定程度上改善那些没有任何观测信息的土壤层的模拟效果;另外,土壤湿度同化结果的改善还能在一定程度上提高陆面模式对于土壤温度的模拟精度． 相似文献
7.
《中国科学:地球科学》2016,(9)
地表覆盖是陆面及气候模式中的重要基础变量,其数据质量对气候模式性能有显著影响.本文基于一套中国自主研制的全球30m地表覆盖数据(GlobeLand30),利用北京气候中心气候系统模式(Beijing Climate CenterClimateSystemModel,BCC_CSM)中的陆面过程和大气环流分量模式,开展GlobeLand30数据对气候模式性能影响的研究.首先通过GlobeLand30和其他卫星遥感等辅助数据融合细化植被功能型(Plant FunctionType,PFT)类型数据满足BCC_CSM模式需求,然后利用基于面积比例的升尺度方法得到适合于全球模式的不同覆盖类型及其面积百分比数据.GlobeLand30与模式原有覆盖数据都能合理描述全球地表覆盖基本分布特征,但也存在一定差异,其中植被PFT类型的差别最明显.通过数值模拟试验全面评估GlobeLand30数据对模式结果的影响,结果表明在BCC_CSM的陆面模式和大气模式中采用GlobeLand30数据可以合理再现陆面与大气的基本气候特征;更新植被PFT数据的气候效应大于更新冰川和水体类型,综合更新所有覆盖类型数据对模拟结果的影响最大.引入GlobeLand30数据可降低BCC_CSM大气模式对北半球中高纬地区降水的正偏差和南美亚马逊等地区模拟降水的负偏差,以及南半球部分地区大气温度模拟的负偏差,因此GlobeLand30数据适用于BCC_CSM分量模式并对改善模式性能有正贡献. 相似文献
8.
《中国科学:地球科学》2015,(12)
基于数据同化优化陆面过程模式参数,从物理机制上改进和完善陆面过程模式参数化方案,提高模式的区域适应性和模拟能力,对改善大气环流模式(GCM,General Circulation Model)和区域气候模式(RCM,Regional Climate Model)模拟和气候预测能力具有重要的现实意义.本文发展了一种基于数据同化优化陆面过程模式参数化方案的方法,并以优化非饱和土壤水模型为例,发展基于非饱和土壤水模型和扩展Kalman滤波(EKF,Extended Kalman Filter)算法并结合可变下渗能力模型(VIC,Variable Infiltration Capacity Model)的土壤湿度同化方案,以月为同化窗,利用复合形混合演化算法(SCE-UA,Shuffled Complex Evolution-University of Arizona)极小化目标函数,使模拟与同化的土壤湿度按给定的目标函数度量方式达到最佳拟合,优化非饱和土壤水模型参数:饱和水力传导率、饱和土壤湿度、饱和土壤水势、Clapp和Hornberger常数,得到同化时段1986年模型参数的最优值序列,然后用其改进非饱和土壤水模型,最后利用改进后模型进行1986~1993年的数值模拟试验,评估改进后模型的模拟能力,探讨基于数据同化优化陆面过程模式土壤水参数化方案的方法与实现途径.试验结果表明:基于数据同化优化模型参数,从物理机制上改进和完善模型,提高了模型的模拟能力;优化的模型参数在时间上具有较好的移植性,适应性更强,达到了改进模型的目的,因此,本方法是合理、可行的.本文为基于数据同化优化陆面过程模式参数化方案研究提供了范例,具有较好的借鉴作用. 相似文献
9.
卫星遥感数据具有估算时空尺度上地表参量的优势,在陆地环境状况评估和监测等方面有很大的应用潜力.本文利用美国地球观测系统卫星搭载中等分辨率成像光谱仪（EOS/MODIS）在黄土高原2002-2010年期间获取的每16天归一化植被指数（NDVI）和每日地表温度（LST）数据,分析了黄土高原地区LST-NDVI空间的基本特征.结果发现：当研究区域足够大且遥感数据时间序列足够长时,LST-NDVI空间中（NDVI,LST）散点并非呈三角形或梯形分布.为了能够利用EOS/MODIS的NDVI和LST数据正确地评估陆面的干湿状况,本文给出了利用数据集合法确定LST-NDVI空间中干边和湿边的数值,即在LST-NDVI空间中,利用NDVI等值区间内LST最大值和最小值的集合代表干边和湿边的数值,并进一步证明了在LST-NDVI空间中干边和湿边数值并非呈线性关系.在分析LST-NDVI空间特征的基础上,通过构建地表温度-植被干旱指数（TVDI）,探讨其在评估黄土高原地区陆面的干湿状况的应用潜力.结果表明：由TVDI距平表征的陆面的干湿程度与局地降水距平有很好的关联性,二者在时空分布上有较好的对应关系.在我国陇东黄土高原塬区,TDVI数值与地面观测的表层土壤湿度有很好的相关性,相关系数在0.67以上,并通过显著性为1%的检验.由此说明：如果合理选取干边和湿边的数值,TDVI可应用于区域陆面干湿程度的客观评估. 相似文献
10.
本文在MSPAS(Modified Soil-Plant-Atmosphere Scheme)的基础上,引入了一个有效的晴天大气辐射传输方案,建立了一个能在物理上真实地模拟陆气相互作用及其反馈机制的二维模式MLAIM（Modified Land Atmosphere Interaction Model）.本文利用HEIFE实验的观测资料对MLAIM的模拟结果进行了检验,对其中不合理的部分进行了分析,指出了在干旱半干旱区陆面过程参数修正的必要性,对干旱半干旱区土壤水分传输以及大气近地面层湍流输送的参数化方案进行了改进.改进后的模式能够较好地模拟夏季连续晴天条件下沙漠的地表能量收支,因此,本文利用MLAIM研究了绿洲对其周围沙漠地表能量收支的影响,并对地表能量收支各分量之间的相互作用进行了分析.结果表明,绿洲向其下风向沙漠的水汽输送是导致其上下风向沙漠间地表能量收支差异的最重要的因子. 相似文献
11.
陆面蒸散对气候变化的影响 总被引：24，自引：0，他引：24
利用含有较真实的陆面过程的GOALS/LASG陆气耦合模式, 分别进行亚洲/北美洲陆面蒸散的敏感性试验来研究陆地与大气环流的相互作用. 模拟结果表明：模式气候对地表蒸散的变化是极其敏感的. 尤其是亚洲地表蒸散的变化将引起极为显著的气候效应, 若地表无蒸散将使气候在一定程度上变暖变干; 此外, 陆面蒸散的异常还通过季风降水的变化和 β 效应进一步影响副热带高压的形成和变异; 进而造成北半球甚至全球大气环流发生显著变化. 因此, 除了传统观点使人们很重视副热带高压活动对我国东部大陆夏季降水的影响以外, 陆面蒸散的异常通过季风降水的变化也会对副热带高压的活动产生明显影响. 由此, 夏季陆面蒸散及其水汽相变所致的大气内热源的变化是影响天气和气候的一个重要外强迫. 相似文献
12.
沙漠地区植被稀疏、干旱少雨,其陆面物理过程具有与全球其它地区显著不同的特点.本文利用巴丹吉林沙漠观测资料,分析和计算了地表反照率、比辐射率、粗糙度和土壤热容量、热传导系数等关键陆面过程参数,建立了适合于沙漠地区的陆面过程模式DLSM (Desert Land Surface Model),并与NOAH陆面过程模式的模拟结果和观测资料进行了比较.结果表明:巴丹吉林沙漠地表反照率为0.273,比辐射率为0.950,地表粗糙度为1.55×10-3 m,土壤热容量和热扩散系数分别为1.08×106 J·m-3·K-1和3.34×10-7 m2·s.辐射传输、感热输送和土壤热传导过程是影响沙漠地区地表能量平衡的主要物理过程.通过对这三种过程的准确模拟检验,DLSM能够较准确地模拟巴丹吉林沙漠地气能量交换特征;短波辐射、长波辐射和感热通量的模拟结果与观测值间的标准差分别为7.98,6.14,33.9 W·m-2,与NOAH陆面过程模式的7.98,7.72,46.6 W·m-2的结果接近.地表反照率是沙漠地区最重要的陆面过程参数,地表反照率增大5%,向上短波辐射通量随之增加5%,感热通量则减小2.8%.本文研究结果对丰富陆面过程参数化方案,改进全球陆面过程模式、气候模式具有参考意义. 相似文献
13.
利用青藏铁路北麓河试验2002年6月的大气资料作为陆面模式的强迫场, 研究陆面过程模式(NCAR/LSM)在高原地区的模拟能力. 模拟结果表明, 在观测资料的强迫下, NCAR/LSM能够较好地模拟出地表特征量的变化趋势. 在LSM模式中青藏高原地区的地表植被类型描述与实况存在较大差异, 根据实际地表特征, 我们定义北麓河地区草原植被覆盖度为0.6, 叶冠高度为0.15, 位移高度为0.10. 通过对比试验发现, 修正模式参数后, 模拟的地面气温和地表温度日变化更接近于观测值, 对温度峰值模拟有较好改善. 地面通量模拟也有一定改善. 所以, 修正LSM模式中高原地区的地表及植被描述参数, 可以有效地提高陆面过程模式在青藏高原地区的模拟性能. 相似文献
14.
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《中国科学:地球科学》2015,(7)
土壤干旱能够引起土壤-植被-大气系统的物质和能量循环异常,对生态环境和天气气候具有重要的影响,土壤干旱的检测和特征认识,有助于理解陆气相互作用及其评估和减缓影响.本文以观测气候资料驱动陆面模式CLM3.5模拟中国区域的土壤湿度,引入土壤孔隙度参数校正土壤湿度模拟的湿偏差,并检测了历史土壤干旱,分析不同时间尺度干旱的空间分布和变化趋势:1951~2008年40%的月份发生了月尺度的干旱,平均影响面积占我国陆地总面积的54.6%;年内干旱月数的变化呈干旱区显著减少,半干旱、半湿润区显著增加趋势,而湿润区减少但趋势不显著.1951~2008年月尺度干旱呈减少和增加趋势的面积之比为77.3%,总体上中国呈干旱加剧的趋势;平均来看月尺度干旱冬季影响范围最广,夏季最小,分别影响了我国54.3%和8.4%的陆地总面积.持续3个月以上的干旱主要发生在半干旱和半湿润区,发生概率51.7%,部分地区甚至77.6%;持续6和12个月以上的干旱主要发生在半干旱和干旱区,概率较小. 相似文献
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欧洲遥感卫星（ERS）和美国防卫气象卫星计划（DMSP）空对地微波遥感是当今研究全球大气地表微波散射辐射和反演地球物理与水文参数的主要数据来源．本文研究了ERS－1散射计和SSM／I多通道辐射计在中国海域观测到的后向散射和热辐射数据,论证了同一地区同一时间段内ERS主动散射计和SSM／I被动辐射计观测数据的相关性．用海域主、被动遥感数据的比较,阐述了主、被动联合多通道分析方法有利于监视和分析复杂地表和海面在时间和空间尺度上的变化．用带泡沫散射层的双尺度随机粗糙面的复合模型计算后向散射和热发射,用以数值模拟ERS和SSM／I数据．并讨论了后向散射与热辐射数值模拟结果的相关性,以及与星载微波遥感器实际观测结果的比较． 相似文献
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《地球物理学进展》2017,(5)
较可见光和红外遥感而言,微波遥感不易受大气影响,具有全天时、全天候的监测能力以及对云、雨、大气较强的穿透能力,并且微波传感器对于植被特性的变化、地表土壤水分和积雪参数十分敏感,微波数据已被广泛应用于地表参数的监测和反演应用之中.然而,用于反演地表参数的低频微波观测资料均不同程度地受到地面无线电频率的干扰(Radio Frequency Interference,RFI).这些干扰往往是由地面主动微波传感器的发射信号或陆面反射辐射信号产生的,很容易覆盖地表产生的相对较弱的自然热发射辐射信号,使得星载被动微波传感器接收的信息不能真实地反映地表状况.如果不能准确地将其识别和剔除,往往导致较大的反演误差,降低遥感数据反演产品的质量,从而显著降低现有以及将来的被动微波资料的利用率.本文从目前常用的干扰识别方法,包括谱差法、平均值和标准差法、多通道回归法、主分量分析法和一维变分反演收敛度量识别法等等,回顾了识别星载微波辐射计数据中RFI信号的研究进程及其研究中存在的问题,并对这些方法的优、缺点分别进行了评价,阐述了存在的问题.最后对星载微波资料RFI识别的研究做出展望,指出今后应进一步完善RFI信号的识别方法,开发RFI信号的订正算法,将其应用到卫星遥感数据的产品反演与同化过程中,并获取可靠的陆面、洋面RFI源分布和分类信息,更好地评估多种识别方法的可靠性、准确性和适用性. 相似文献
18.
陆面过程模式是气候模式和天气模式的核心组成部分之一.在土壤—植被—大气耦合模式(Soil-PlantAtmosphere Model,SPAM)的基础上,发展了新一代北京大学陆面过程模式PKULM(Peking University Land Model).本文首先介绍了PKULM的辐射传输、湍流输送、光合作用、土壤水热输送等过程的参数化方案;采用隐式迭代计算框架,发展并应用了一个快速的线性方程组求解算法,提高了模式计算稳定性;提出并使用了二分搜索算法计算气孔阻抗,避免了CLM(Community Land Model)等使用的迭代方法在干旱区不稳定的情况,提高了模式的适用性;采用水势为基础的土壤水分扩散方程,使模式能够模拟土壤饱和区的水分输送过程,为进一步与水文过程模式耦合奠定了基础;还发展了一个地表积水与径流过程的机理模型,提高了模式对地表水分平衡过程的模拟能力;最后,使用"中国西北干旱区陆—气相互作用观测试验"平凉站的资料对模式进行了检验并与NOAH(National Center for Environmental Prediction,Oregon State University,Air Force,and Hydrology Lab model)陆面过程模式的模拟结果进行了比较,结果表明PKULM能够较好地模拟西北半干旱区农田下垫面地气交换过程. 相似文献
19.
《中国科学:地球科学》2015,(10)
陆面过程模式中有关土壤水热传输、植被冠层和空气动力学等过程的关键参数的不确定性严重制约着地表-大气相互作用模拟能力的提高.本文利用架设在我国吉林通榆和甘肃榆中典型半干旱区陆-气相互作用野外试验站的观测资料,结合大气边界层理论,利用多种方法系统估算了上述试验站地表空气动力学粗糙度(z0m)以及热传输附加阻尼(?B?1)的量值.结果表明,z0m在半干旱区具有明显的季节变化和年际变化特征,且在植被低矮的下垫面与现行通用的陆面模式中的默认值相差较大;而?B?1的日变化和季节变化特征明显.将修正后的z0m和?B?1参数化方案引入陆面过程模式,发现能够明显改善模式对于半干旱区地表感热通量的模拟能力.这些结果说明有必要进一步结合半干旱区的野外观测试验对陆面模式在该地区的缺省参数设置进行更广泛的评估,而基于外场观测试验和大气边界层理论估算的关键地表参数对于改进陆气相互作用的模拟体现出较大的应用潜力. 相似文献
20.
基于残差重采样粒子滤波的土壤水分估算和水力参数同步优化 总被引：1，自引：0，他引：1
陆面数据同化由于能将观测数据和模型模拟有机结合,已逐步发展为地球科学研究的重要方法之一.通过数据同化方法在模型中不断融入新的观测数据,一方面可以有效地校正陆面过程模型的预测轨迹,提高模型状态变量的估算精度,另一方面可以不断减小模型中的不确定因素,优化模型中的相关参数.在众多数据同化算法中,粒子滤波算法不受模型线性和误差高斯分布假设的约束,适用于任意非线性非高斯动态系统,逐渐成为当前数据同化算法研究的热点.本研究基于残差重采样粒子滤波算法发展了一个数据同化方案,将微波亮温数据同化到大尺度半分布式VIC(Variable Infiltration Capacity)陆面水文模型中,对土壤水分进行估算,并对模型中的三个水力参数进行同步优化.最后设计了一系列对比实验并利用美国亚利桑那州在SMEX04(Soil Moisture Experiment 2004)期间获取的一套完整的实验数据对该同化方案进行了验证.结果表明,该同化方案能够大幅度提高土壤水分估算精度,同时模型中的三个水力参数也得到了较好的优化,从而证明了该数据同化方案的有效性. 相似文献