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1.
《高原气象》2021,40(3):621-631
陆面模式可以模拟获得高时空分辨率连续的多层土壤湿度,但其精度受到地表参数的影响,土壤质地就是其中之一,本文利用CLDAS-V2.0(中国气象局陆面数据同化系统)驱动Noah-MP模式,开展了其对土壤湿度模拟的影响研究。结果表明,利用中国第二次土壤调查数据制作的中国区土壤质地数据(SNSS)与模式自带土壤质地数据(FAO)模拟的2014年中国区域土壤湿度日均值存在显著差异,0～10cm深度23.2%的区域差异性大于10%,74.9%的区域差异性大于1%;10～40 cm深度20.8%的区域差异性大于10%,69.8%的区域差异性大于1%。从时间序列来看,两组实验模拟结果均能基本反映土壤湿度随时间变化的规律,SNSS在0～10 cm处模拟结果表现更好,但在10～40 cm处出现低估现象。从空间分布分析,使用SNSS土壤质地类型之后,CLDAS/Noah-MP土壤湿度模拟结果与观测值的偏差为负值的区域较多,尤其是10～40 cm深度,大多数区域模拟值均存在低估;与FAO模拟结果比较,SNSS在东南和西南地区0～10 cm和10～40 cm深度的模拟效果有所改进;东北地区0～10 cm深度SNSS的模拟效果好于FAO,但10～40 cm深度的模拟精度两者相差较小。 相似文献
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陆面过程模型中垂直非均匀土壤的水分传输及相变的模拟 总被引：1，自引：0，他引：1
土壤湿度在陆气相互作用中的重要性体现在它既能影响陆地和大气之间水循环的速率, 又能改变地表的能量分配。本文针对陆面过程模型中描述土壤湿度变化的方程进行了理论分析, 指出在非均匀土壤和冻土中采用土壤水势梯度描述垂直非均匀土壤水分流动的合理性。基于描述土壤内部水热传输的统一土壤模型, 并利用推广的表征土壤水分特征的Clapp-Hornberger关系式, 研究了非冻结和冻结的土壤湿度对于垂直非均匀土壤的敏感性。结果表明, 由土壤质地决定的土壤水势和导水率对土壤湿度的模拟有重要的影响。具体地, 在决定土壤性质的Clapp-Hornberger关系式中, 与土壤质地有关的饱和水势、饱和导水率以及土壤孔隙大小分布指数B, 对土壤湿度的模拟起到了关键作用。参数B的重要性尤为突出, 它的增加会引起导水率的大大下降, 从而对水分在土壤中的垂直分布产生重要影响。饱和水势的绝对值和参数B的增加会使得土壤水势绝对值增加明显, 使土壤的结冰(融化)过程延迟, 土壤温度因为没有结冰(融化)释放(吸收)的潜热加热(冷却)而持续下降(上升), 因此在冻融时期土壤温度会比观测值振幅偏大。上述结果揭示了考虑土壤垂直非均匀性并采用有效的土壤特性参数对于陆面过程模型的重要性。 相似文献
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基于通用陆面模式（Common Land Model, CoLM）,首次评估了两套最新的全球土壤数据集GSDE（Global Soil Dataset for Earth System Model）和SG（SoilGrids）对全球陆面过程模拟的影响。比较分析了两套数据中砂粒、粘粒、砾石、有机碳的含量和容重这五个土壤属性在全球分布上的差异以及这种差异造成的对模式估计的土壤特性参数、水力热力变量的影响。结果表明,土壤特性参数在全球的空间分布主要受土壤粒径分布（砂粒、粉粒和粘粒）影响,同时也受砾石、有机碳和容重的影响。土壤资料对全球模拟结果影响主要体现在区域差异,对水文学变量的影响（Re最大达到±100%）大于对土壤热力学变量的影响（Re<±10%）,对地表辐射变量的影响较小（Re<±5%）。其中,土壤体积含水量在加拿大中部及西北部、俄罗斯东南部及中西部和澳大利亚中部地区模拟结果相差较大,总径流在低纬地区模拟结果出现较大的差异,热力学变量在非洲北部、加拿大西北部以及俄罗斯中北部的差异稍大。将模拟的土壤体积含水量与站点观测相比,两套数据的表现接近,与站点观测相比都存在一定的偏差,但SG更接近观测,其中在Molly Caren站点（39°57′N,83°27′W）上SG相比GSDE整体提高约0.01～0.02。本研究表明,模式模拟结果受不同土壤数据集的影响显著,可优先考虑诸如SG较准确的土壤数据。土壤属性对陆面模拟的影响需进一步研究。 相似文献
4.
内蒙古地区下垫面变化对土壤湿度数值模拟的影响 总被引：2，自引：0，他引：2
利用第二次全国土壤调查土壤质地数据（SNSS）和中国区域陆地覆盖资料（CLCV）将陆面过程模式CLM3.5（Community Land Model version 3.5）中基于联合国粮食农业组织发展的土壤质地数据（FAO）和MODIS卫星反演的陆地覆盖数据（MODIS）进行了替换,使用中国气象局陆面数据同化系统（CMA Land Data Assimilation System,CLDAS）大气强迫场资料,分别驱动基于同时改进土壤质地和陆地覆盖数据的CLM3.5（CLM-new）、基于只改进陆地覆盖数据的CLM3.5（CLM-clcv）、基于只改进土壤质地数据的CLM3.5（CLM-snss）和基于原始下垫面数据的CLM3.5（CLM-ctl）,对内蒙古地区2011～2013年土壤湿度的时空变化进行模拟试验,研究下垫面改进对CLM3.5模拟土壤湿度的影响。将四组模拟结果与46个土壤水分站点观测数据进行对比分析,结果表明:相对于控制试验,CLM-clcv、CLM-snss和CLM-new都能不同程度地改进土壤湿度模拟,其中CLM-clcv主要在呼伦贝尔改进明显,CLM-snss则在除呼伦贝尔以外的大部地区改进显著,CLM-ctl模拟的土壤湿度在各层上均系统性偏大,而CLM-new模拟土壤湿度最好地反映出内蒙古地区观测的土壤湿度的时空变化特征,显著改善了土壤湿度的模拟,体现在与观测值有着更高的相关系数和更小的平均偏差与均方根误差。 相似文献
5.
《高原气象》2017,(1)
利用1961-2010年普林斯顿大学每3 h一次、1°×1°的大气强迫场数据驱动公用陆面模式CLM4.0(Common Land Model,version4.0)对黄河源区土壤湿度的时空分布进行了模拟试验,合理优化了CLM 4.0中土壤有机质和土壤质地属性参数,将模拟结果与荷兰自由大学AM SR-E土壤湿度产品进行了对比分析,并利用玛曲土壤湿度观测站点的观测数据对模拟结果进行了验证。结果表明,CLM4.0模式能较好的模拟黄河源区土壤湿度的空间分布及变化趋势,在优化陆面有机质和土壤质地数据参数后,模拟的土壤湿度空间分布更合理,但CLM4.0模拟的土壤湿度比地面观测值和AMSR-E土壤湿度产品的土壤湿度偏低。 相似文献
6.
通用陆面模式对土壤质地和亮度的敏感性分析 总被引：6，自引：2，他引：4
使用前苏联Valdai 1966～1971年的气象观测资料,研究了通用陆面模式(Common Land Model,CoLM)模拟的水分循环和地表通量在12种土壤质地和8种土壤亮度条件下的差异。结果表明,在相同的气象条件下,模拟的热通量对土壤质地和亮度都比较敏感,而地表水文过程只对土壤质地敏感。土壤亮度相同时,相对砂性土壤,粘土含量高的土壤保水性强,土壤湿度、地表蒸发和径流量都比较大（月均最大差值：土壤湿度约为5 kg·m-2,地表蒸发和径流量约为年降水量的7%和1.2 %）,相应地在热通量分配上存在明显差异（月均最大差值为8 W·m-2）;土壤质地相同,亮度由亮变暗时,潜热通量变化很小,地表温度略有升高,而感热通量和净辐射增加显著（月均最大差值为7 W·m-2）。土壤质地和亮度对模拟的影响主要存在于降水少、植被覆盖度低的3～5月。 相似文献
7.
利用国际协同强化观测期(CEOP)在中国半干旱区退化草地站——通榆站的观测资料,对一个较为完善的陆面过程模式NCAR_CLM4.5(Community Land Model 4.5)的模拟性能进行检验。模拟结果与观测资料的对比表明,CLM4.5能很好地模拟出观测站点的辐射通量、水热交换、土壤温湿的空间分布和时间变化特征。但地表吸收的辐射模拟值略低,土壤湿度偏低,地表吸收的辐射及土壤温度等日变化略大;大气强迫变量处于某些特定的形势下时,模拟存在较大误差,如8月底的模拟。此外,冬季辐射通量、水热交换以及土壤温湿的模拟均存在较大误差,说明CLM4.5模式在冬季地表物理过程的参数化方案上需要进一步改进。 相似文献
8.
干旱半干旱区土壤湿度数值模拟研究进展 总被引：1，自引：0，他引：1
总结和回顾了干旱半干旱地区土壤湿度研究在区域气候变化研究过程中的重要性,详尽描述了干旱半干旱区土壤湿度数值模拟的研究现状。在过去几十年里,大型地面观测试验计划的开展、卫星遥感监测能力的加强促进了干旱半干旱地区陆面模式模拟土壤湿度能力的提高,推动了干旱半干旱地区土壤湿度数值模拟的研究进程。尤其是干旱半干旱地区气候观测站的建立,积累了长期宝贵的连续性观测数据,增强了检验卫星反演方法的能力,促进了陆面模式的参数化改进。近年来随着气象学、生态学以及水文学、土壤学等学科之间交叉合作的加强,气候变化背景下土壤湿度对碳、氮循环的影响研究得到越来越多的重视,尤其在干旱半干旱地区,局地碳通量和水分供应存在密切联系。因此,未来半干旱地区土壤湿度的研究不仅要开展观测计划,积累长期连续的高质量数据,改进卫星反演能力和模式参数化方案,而且要进一步深化和加强学科交叉内容的研究,分析气候变化背景下土壤湿度在生态学、水文学、土壤学等学科的变化形式和特点,多角度、多方向地开展和改进干旱半干旱地区土壤湿度的数值模拟研究。 相似文献
9.
陆面模式中土壤和植被经验参数随机误差的传播研究 总被引：3，自引：1，他引：2
数据质量问题和模式参数化方案的非完备性是陆面模拟中不确定性的主要来源。本文将高斯误差传播原理 (Gaussian Error Propagation, GEP) 应用于通用陆面模式 (the Common Land Model, CoLM), 研究关键的植被和土壤属性参数随机误差在模式中的传播, 确定由此类误差导致的CoLM模拟的不确定性。结果表明: (1) 基于本研究给定的土壤和植被参数的不确定性, CoLM模拟的表层土壤温度、 土壤湿度和植被蒸散通量 (植冠蒸腾+地表蒸发) 的相对误差分别为0.11%、 34.07%和5.58%; 砂土和稀疏森林上模拟效果最差。土壤参数随机误差对CoLM模拟的影响高于植被参数, 而土壤水文参数 (孔隙率、 饱和基质势、 气孔尺寸分布指数和饱和导水率) 对各模拟量不确定性的贡献率均远大于热力参数 (饱和反照率和热容)。对于本研究涉及的所有模拟变量而言, 最关键的参数均是气孔尺寸分布指数b, 这可能与描述基质势与体积水含量关系的函数有关, 其次重要的是砂土的孔隙度和粘土的饱和导水率。混交森林上的根深分布和苔原上的动力学粗糙度对蒸散通量贡献显著。本身相对误差大的经验参数对CoLM模拟不确定性的贡献不一定多。 (2) 干燥条件下 (表层液态水饱和度小于0.1) 土壤温度的不确定性大; 相变发生时刻附近 (表层土壤温度在0℃附近且表层液态水含量大于0) 土壤湿度不确定性显著; 蒸散通量的不确定性随本身绝对值的增大而增大, 在相对温暖干燥环境中 (表层土壤温度高于280 K且表层液态水饱和度小于0.3) 其不确定性最高。研究证实, GEP能够辨识CoLM中需优先提高观测精度的关键参数和关键参数化过程, 对陆面模拟的参数选定、 不确定性评估和模式完善具有重要意义。 相似文献
10.
《高原气象》2017,(4)
陆面过程模式中输入参数的不确定性会引起模式模拟偏差。为了改善模式的模拟能力,减小参数的不确定性,通常要进行参数优化过程。利用温江站观测的近地层资料,结合粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO),优化了陆面过程模式SHAW(Simultaneous Heat and Water)中难以直接观测的土壤和植被参数。在此基础上,分别利用优化后的参数和默认参数运行SHAW模式,模拟该地区陆面过程特征,并与观测值进行对比,研究优化参数后对陆面过程模拟的影响。结果表明:利用PSO算法优化SHAW模式后,能提高土壤湿度和潜热通量的模拟性能,模拟的土壤湿度和潜热通量与相应的观测值偏差减小。但与此同时,并没有改进净辐射、土壤温度和感热通量的模拟性能。说明PSO算法可以用于陆面模式参数优化,但仅仅通过参数优化并不能同时提高所有变量的模拟性能。 相似文献
11.
本文将四个常见陆面模式CLM3.5（Community Land Model Version 3.5）、Noah_LSM（The Noah Land Surface Model）、VIC（Variable Infiltration Capacity）以及SSiB（The Simplified Simple Biosphere Model）中土壤湿度影响蒸散的参数化方案进行简化,并利用实验观测资料对不同参数化方案进行评估,探究不同陆面模式对土壤湿度与蒸散关系的模拟差异,从而为提高模式的模拟能力提供依据。结果表明,（1）CLM与SSiB中计算土壤湿度影响裸土蒸发的参数化方案较Noah_LSM和VIC更接近真实的物理过程,同时CLM与SSiB模式中土壤湿度对蒸发的影响程度较Noah_LSM和VIC大;而对于下垫面有植被条件下的蒸散而言,CLM中包含了植被光合作用、呼吸作用等生物物理学过程,与实际情况更为接近,并且CLM与SSiB中土壤湿度对植被蒸散的影响程度大于VIC,Noah_LSM最低;（2）根据干旱区、半干旱区、半湿润区以及湿润区各站点的分析可知,CLM、SSiB与Noah_LSM中土壤湿度影响蒸散的参数化方案的拟合效果较VIC好,同时在部分站点CLM与SSiB的参数化方案稍优于Noah_LSM。区域之间比较说明,四个模式对干旱半干旱区的模拟效果明显较半湿润区和湿润区好。 相似文献
12.
土壤湿度初始异常对东亚区域气候模拟影响的敏感性试验 总被引：1，自引：0，他引：1
利用耦合了CLM3.5陆面模式的区域气候模式RegCM4.0,通过敏感性试验,探讨了人为减小春季初始土壤体积水含量对短期时间尺度东亚夏季气候模拟的可能影响。结果表明:较低的初始土壤湿度场能够明显改变区域的地表能量平衡,引起地表净长波辐射和感热通量的显著增加,进而加强了地表对大气的加热,因而引起东亚大范围地区特别是中国东部、印度北部和中亚地区地表温度、气温的升高。与气温不同,初始土壤湿度场对降水的影响很小而且有较大的不确定性,同时偏暖的下垫面使得对流层中高层出现暖高压异常,但这些影响均不显著。综合来看,土壤湿度初始场的初始异常,对RegCM4.0 模式东亚气候模拟的结果有一定影响,特别是在地表温度、气温和能量平衡方面,应在以后的模拟中加以考虑。 相似文献
13.
土壤焓作为一种综合考虑地表状况(如土壤湿度、土壤温度等)的特殊陆面因子,可以直接从能量角度反映陆地下垫面的热力状况,故探讨土壤焓异常持续性的相关特征,有助于加深理解地表热力异常对气候的影响。本研究基于陆面过程模式CLM4.0模拟的土壤温度、土壤液态水和土壤固态水及土壤物质类型(IGBP地表属性),分别计算了欧亚大陆冬季和夏季土壤干物质焓、土壤液态水焓和土壤固态水焓及土壤焓(前三者之和);由于土壤温度和土壤固、液态水含量的差异,浅层土壤焓及其三个组元表现出明显的区域性和季节性特征;欧亚大陆冬季土壤焓异常持续性总体较夏季强,尤其是中高纬地区;另外,土壤干物质焓、液态水焓的纬度和季节性差异也体现在对近地面大气的热力强迫上,具体表现为土壤干物质焓、液态水焓分别与感热、潜热密切相关。本研究通过较为细致地分析土壤焓异常持续性的时空变化特征,为进一步开展下垫面热力异常(以土壤焓表征)的气候效应提供了重要的信息参考。 相似文献
14.
Incorporating organic soil into a global climate model 总被引：3，自引：1，他引：2
Organic matter significantly alters a soil’s thermal and hydraulic properties but is not typically included in land-surface
schemes used in global climate models. This omission has consequences for ground thermal and moisture regimes, particularly
in the high-latitudes where soil carbon content is generally high. Global soil carbon data is used to build a geographically
distributed, profiled soil carbon density dataset for the Community Land Model (CLM). CLM parameterizations for soil thermal
and hydraulic properties are modified to accommodate both mineral and organic soil matter. Offline simulations including organic
soil are characterized by cooler annual mean soil temperatures (up to ∼2.5°C cooler for regions of high soil carbon content).
Cooling is strong in summer due to modulation of early and mid-summer soil heat flux. Winter temperatures are slightly warmer
as organic soils do not cool as efficiently during fall and winter. High porosity and hydraulic conductivity of organic soil
leads to a wetter soil column but with comparatively low surface layer saturation levels and correspondingly low soil evaporation.
When CLM is coupled to the Community Atmosphere Model, the reduced latent heat flux drives deeper boundary layers, associated
reductions in low cloud fraction, and warmer summer air temperatures in the Arctic. Lastly, the insulative properties of organic
soil reduce interannual soil temperature variability, but only marginally. This result suggests that, although the mean soil
temperature cooling will delay the simulated date at which frozen soil begins to thaw, organic matter may provide only limited
insulation from surface warming. 相似文献
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Jianguo LIU Zong-Liang YANG Binghao JIA Longhuan WANG Ping WANG Zhenghui XIE Chunxiang SHI 《大气科学进展》2023,40(2):235-250
In order to compare the impacts of the choice of land surface model(LSM) parameterization schemes, meteorological forcing, and land surface parameters on land surface hydrological simulations, and explore to what extent the quality can be improved, a series of experiments with different LSMs, forcing datasets, and parameter datasets concerning soil texture and land cover were conducted. Six simulations are run for the Chinese mainland on 0.1° × 0.1° grids from 1979 to 2008, and the simulated mon... 相似文献
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Two land surface models, Community Land Model (CLM3.5) and NOAH model, have been coupled to the Weather Research and Forecasting (WRF) model and been used to simulate the precipitation, temperature, and circulation fields, respectively, over eastern China in a typical flood year (1998). The purpose of this study is to reveal the effects of land surface changes on regional climate modeling. Comparisons of simulated results and observation data indicate that changes in land surface processes have significant impact on spatial and temporal distribution of precipitation and temperature patterns in eastern China. Coupling of the CLM3.5 to the WRF model (experiment WRF-C) substantially improves the simulation results over eastern China relative to an older version of WRF coupled to the NOAH-LSM (experiment WRF-N). It is found that the simulation of the spatial pattern of summer precipitation in WRF-C is better than in WRF-N. WRF-C also significantly reduces the summer positive bias of surface air temperature, and its simulated surface air temperature matches more closely to observations than WRF-N does, which is associated with lower sensible heat fluxes and higher latent heat fluxes in WRF-C. 相似文献
17.
ＣＬＭ３０对中国区域陆面过程的模拟试验及评估（Ⅱ）：土壤湿度 总被引：5，自引：0，他引：5
利用CLM3.0及普林斯顿大学的全球大气外强迫场资料,对中国地区1948—2001年的土壤湿度进行了off-line模拟,进一步评估了CLM3.0对中国地区土壤湿度的模拟能力。结果表明:模式基本能揭示土壤湿度的空间分布型,即华北干、东北和东南湿二湿一干的分布特征,但模拟值较观测值普遍偏高;就年际变化而言,在5个分区中,云贵地区模拟的年际变化与观测的相关性最好,东北区域次之,模拟的东部中纬度区域的年际变化较差,全区范围内7月的模拟好于4月;模式对于土壤湿度倾向有一定程度的模拟能力,基本能模拟出4月东北东部区域的干化趋势,但模式模拟的变化幅度较观测值偏小很多,其中以黄淮江淮地区模拟的趋势最差。 相似文献
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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。 相似文献