基于2010~2019年ERA5单层再分析资料,结合安徽省淮南森林观测站2016年5月1日至2017年4月30日的大气边界层塔(PBL塔)观测资料,驱动陆面模式CLM4.5(Community Land Model Version 4.5),模拟了淮南山地森林下垫面上的陆面过程,并比较分析...基于2010~2019年ERA5单层再分析资料,结合安徽省淮南森林观测站2016年5月1日至2017年4月30日的大气边界层塔(PBL塔)观测资料,驱动陆面模式CLM4.5(Community Land Model Version 4.5),模拟了淮南山地森林下垫面上的陆面过程,并比较分析了不同驱动场对其影响,同时设计了土壤质地对土壤湿度影响的三个模拟试验。结果表明,CLM4.5对淮南森林陆气交换过程表现了较好的模拟性能,PBL塔观测资料驱动的总体模拟效果优于ERA5再分析资料的。在辐射模拟方面,CLM4.5利用ERA5资料和PBL塔观测资料,都很好地模拟了辐射分量,特别是PBL塔观测资料驱动的全年模拟结果与观测相关系数达0.97以上,均方根误差在25.056 W m^(-2)以下。ERA5再分析资料强迫模拟的相关系数略低,但也达到了0.92,均方根误差在29.939 W m^(-2)以下。在土壤温度模拟方面,相关系数都达到0.98以上;土壤湿度模拟的相关系数都在0.86以上,但系统性偏高;对感热通量的模拟全年平均的相关系数分别为0.72和0.78。实测的三层土壤质地加上深层给定的土壤质地的数据对土壤湿度的模拟结果与观测最为接近,土壤质地的准确描述可以大幅提高土壤湿度的模拟。本研究发现ERA5单层再分析资料在淮南森林站精度较好,可以应用于该山地森林区域陆—气交换过程的模拟研究。展开更多
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...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。展开更多
本文利用1981~2016年的CRUNCEP资料(0.5°×0.5°)作为大气驱动数据,驱动CLM4.5(Community Land Model version 4.5)模式模拟了青藏高原地区1981~2016年的土壤湿度时空变化。将模拟数据与台站观测资料、再分析资料(ERA-Inte...本文利用1981~2016年的CRUNCEP资料(0.5°×0.5°)作为大气驱动数据,驱动CLM4.5(Community Land Model version 4.5)模式模拟了青藏高原地区1981~2016年的土壤湿度时空变化。将模拟数据与台站观测资料、再分析资料(ERA-Interim和GLDAS-CLM)和微波遥感FY-3B/MWRI土壤湿度资料对比验证,表明了CLM4.5模拟资料可以合理再现青藏高原地区土壤湿度的空间分布和长期变化趋势。而且基于多种卫星遥感资料建立的较高分辨率(0.1°×0.1°)的青藏高原地表数据更加细致地刻画了土壤湿度的空间变化。对比结果表明:CLM4.5模拟土壤湿度与各个台站观测的时空变化一致,各层土壤湿度的模拟和观测均显著相关,且对浅层的模拟优于深层,但模拟结果比台站观测系统性偏大。模拟与再分析资料和微波遥感资料土壤湿度的空间分布具有一致性,均表现为从青藏高原的西北部向东南部逐渐增加的分布特点,三江源湿地和高原东南部为土壤湿度的高值区,柴达木盆地和新疆塔里木盆地的沙漠地区为低值区,土壤湿度由浅层向深层增加。土壤湿度的长期变化趋势基本表现为"变干-变湿"相间的带状分布,不同层次的土壤湿度变化趋势基本一致。模拟资料也合理地再现了夏季土壤湿度逐月的变化:高原西南地区的土壤湿度明显大范围增加,北部的柴达木盆地的干旱范围也明显的向北收缩,高原南部外围土壤湿度也明显增加,CLM4.5模拟土壤湿度比再分析资料和微波遥感资料更加细致地描述了夏季逐月土壤湿度空间分布及其变化特征。展开更多
Roots are responsible for the uptake of water and nutrients by plants and have the plasticity to dynamically respond to different environmental conditions. However, most land surface models currently prescribe rooting...Roots are responsible for the uptake of water and nutrients by plants and have the plasticity to dynamically respond to different environmental conditions. However, most land surface models currently prescribe rooting profiles as a function only of vegetation type, with no consideration of the surroundings. In this study, a dynamic rooting scheme, which describes root growth as a compromise between water and nitrogen availability, was incorporated into CLM4.5 with carbon-nitrogen （CN） interactions （CLM4.5-CN） to investigate the effects of a dynamic root distribution on eco-hydrological modeling. Two paired numerical simulations were conducted for the Tapajos National Forest km83 （BRSa3） site and the Amazon, one using CLM4.5-CN without the dynamic rooting scheme and the other including the proposed scheme. Simulations for the BRSa3 site showed that inclusion of the dynamic rooting scheme increased the amplitudes and peak values of diurnal gross primary production （GPP） and latent heat flux （LE） for the dry season, and improved the carbon （C） and water cycle modeling by reducing the RMSE of GPP by 0.4 g C m^-2 d^-1, net ecosystem exchange by 1.96 g C m^-2 d^-1, LE by 5.0 W m^-2, and soil moisture by 0.03 m^3 m^-3, at the seasonal scale, compared with eddy flux measurements, while having little impact during the wet season. For the Amazon, regional analysis also revealed that vegetation responses （including GPP and LE） to seasonal drought and the severe drought of 2005 were better captured with the dynamic rooting scheme incorporated.展开更多
利用中国科学院西北生态环境资源研究院玛曲土壤温湿观测网2008—2009年、2013—2014年数据验证了3套再分析资料ERA-Interim,CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)和JRA-55(Japanese 55-year Reanalysis)在黄河源区的适用性,结合...利用中国科学院西北生态环境资源研究院玛曲土壤温湿观测网2008—2009年、2013—2014年数据验证了3套再分析资料ERA-Interim,CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)和JRA-55(Japanese 55-year Reanalysis)在黄河源区的适用性,结合中国气象数据网玛曲气象站1980—2014年观测资料与CLM4.5(Community Land Model4.5)进一步分析了黄河源区近35年气候变迁、土壤温湿分布和变化,结果表明:CFSR能够较好地描绘黄河源区土壤湿度变化,ERA-Interim对于土壤温度刻画能力更强,JRA-55效果较差;35年来气温、土壤温湿总体呈上升趋势且发生突变;近年来10 crm土壤温湿有暖干化趋势,降水量稍有增加,土壤冷季冻结周期变短,暖季持续时间拉长;CLM4.5模拟精度高,能够较好地刻画源区土壤温湿变化细节,两湖及黄河周边暖季为冷湿中心,冷季为暖干中心。展开更多
为了提高模式CLM4.5(The Community Land Model Version 4.5)对我国北方地表温度的模拟性能,本文利用近30年实况地表温度站点观测资料,开展了Johansen、Côté-Konrad及Lu-Ren三个常用土壤导热率模型对地表温度模拟影响的研究....为了提高模式CLM4.5(The Community Land Model Version 4.5)对我国北方地表温度的模拟性能,本文利用近30年实况地表温度站点观测资料,开展了Johansen、Côté-Konrad及Lu-Ren三个常用土壤导热率模型对地表温度模拟影响的研究.结果表明,三种导热率方案均能较好地模拟出中国北方地表温度的时空特征,但Lu-Ren方案的模拟误差、均方根误差更小,与实况间的相关性最显著.实况分析表明,近30年来北方地表温度处于快速上升通道中,尤其2003年以来增温趋势更加显著;三种方案均能模拟出这种变化趋势,与实况变化间相关显著,但模拟的增温幅度偏小,其中Lu-Ren方案模拟的变化趋势与实况值最接近.基于Taylor图和降水模拟评估表明,三种方案中Lu-Ren方案模拟效果最好.由此可见,在CLM4.5模式中增加适合我国北方气候模拟的土壤导热率新方案(Lu-Ren方案),提高了CLM模式的模拟效果,促进了该陆面模式的发展.展开更多
动态植被模型是研究植被变化对气候反馈和影响的重要模型工具。本文对耦合了动态植被(Dynamic Vegetation,DV)和碳氮(Carbon and Nitrogen,CN)模型的NCAR陆面过程模式CLM4.5(Community Land Model version 4.5)对青藏高原(以下简称高原...动态植被模型是研究植被变化对气候反馈和影响的重要模型工具。本文对耦合了动态植被(Dynamic Vegetation,DV)和碳氮(Carbon and Nitrogen,CN)模型的NCAR陆面过程模式CLM4.5(Community Land Model version 4.5)对青藏高原(以下简称高原)植被的模拟性能进行了评估,获得了定量化的偏差信息,并对高原植被和气候变化因子的关系进行了初步探讨。结果表明:模型能大致再现叶面积指数(Leaf area index,LAI)在历史时期的季节循环、长期变化趋势和空间分布,但空间变率较遥感资料大。模拟的乔木覆盖度偏大,草地覆盖度偏小,因此严重高估了植被高原南部和东部的LAI。与遥感观测相比,模拟的LAI呈现了1~2个月的滞后,这与模式本身的植被动力机制不完善和模式的降水驱动偏差有关。高原植被变化趋势的时空分布与表层土壤水和降水等气象因子的趋势变化显示出较好的一致性,表明在该研究时段,地表水循环的变化(主要是降水和土壤水含量)对高原植被生长可能起主导作用。展开更多
总初级生产力(gross primary productivity,GPP)的准确估计是陆地生态系统碳循环研究以及未来气候变化预测的基础。本文利用全球通量网的通量观测数据评估了CLM4.5的GPP模拟效果,结合叶面积指数(leaf area index,LAI)观测数据分析了CLM...总初级生产力(gross primary productivity,GPP)的准确估计是陆地生态系统碳循环研究以及未来气候变化预测的基础。本文利用全球通量网的通量观测数据评估了CLM4.5的GPP模拟效果,结合叶面积指数(leaf area index,LAI)观测数据分析了CLM4.5模型GPP模拟误差的主要原因,并对CLM4.5模型主要的光合参数进行敏感性分析,探讨改善光合作用模拟精度的可能途径。结果表明:CLM4.5对GPP的模拟效果优于CLM4,月尺度和年尺度GPP模拟值的平均绝对偏差分别降低15%和29%。但与观测值相比,CLM4.5模拟的GPP年总量仍然具有较大偏差,平均偏差为366.06 g C·m-2·a-1。不同植被功能型GPP模拟误差具有不同的季节变化特征,误差主要发生在春季和夏季。冠层顶部比叶面积、叶片碳氮比和叶片氮含量中Rubisco氮含量所占比例是GPP模拟的3个敏感参数。未来应主要从物候期及LAI模拟的改进、磷循环过程的影响、生态系统水平光合参数集的构建等方面实现对GPP模拟精度的提高。展开更多
一维湖泊模式是青藏高原湖泊研究的主要手段之一,但不同湖泊模式在青藏高原适用性及其差异依然不够明确。利用MODIS地表温度数据、青藏高原鄂陵湖站点观测的气象数据、湖温及湖面能量数据,驱动、评估和对比了目前应用最为广泛的两个一...一维湖泊模式是青藏高原湖泊研究的主要手段之一,但不同湖泊模式在青藏高原适用性及其差异依然不够明确。利用MODIS地表温度数据、青藏高原鄂陵湖站点观测的气象数据、湖温及湖面能量数据,驱动、评估和对比了目前应用最为广泛的两个一维湖泊模式Freshwater Lake Model(FLake)和Community Land Model version 4.5(CLM4.5)中耦合的湖泊模块在青藏高原典型湖泊的适用性。结果表明:FLake和CLM模式均能较好的对湖泊热力状况进行模拟,CLM模式对于湖表面温度和湖泊内部不同深度的温度模拟优于Flake模式,净辐射和能量的累积也是CLM模式的模拟值更接近观测值。造成Flake模式模拟偏差更大的原因与模式中计算感热、潜热的摩擦速度有关,观测的摩擦速度均值为0.22 m·s-1,CLM模式中的摩擦速度与观测值接近,为Flake模式的1.5倍,将CLM模式中的摩擦速度替换到Flake模式中后模拟结果有明显的改善。展开更多
文摘基于2010~2019年ERA5单层再分析资料,结合安徽省淮南森林观测站2016年5月1日至2017年4月30日的大气边界层塔(PBL塔)观测资料,驱动陆面模式CLM4.5(Community Land Model Version 4.5),模拟了淮南山地森林下垫面上的陆面过程,并比较分析了不同驱动场对其影响,同时设计了土壤质地对土壤湿度影响的三个模拟试验。结果表明,CLM4.5对淮南森林陆气交换过程表现了较好的模拟性能,PBL塔观测资料驱动的总体模拟效果优于ERA5再分析资料的。在辐射模拟方面,CLM4.5利用ERA5资料和PBL塔观测资料,都很好地模拟了辐射分量,特别是PBL塔观测资料驱动的全年模拟结果与观测相关系数达0.97以上,均方根误差在25.056 W m^(-2)以下。ERA5再分析资料强迫模拟的相关系数略低,但也达到了0.92,均方根误差在29.939 W m^(-2)以下。在土壤温度模拟方面,相关系数都达到0.98以上;土壤湿度模拟的相关系数都在0.86以上,但系统性偏高;对感热通量的模拟全年平均的相关系数分别为0.72和0.78。实测的三层土壤质地加上深层给定的土壤质地的数据对土壤湿度的模拟结果与观测最为接近,土壤质地的准确描述可以大幅提高土壤湿度的模拟。本研究发现ERA5单层再分析资料在淮南森林站精度较好,可以应用于该山地森林区域陆—气交换过程的模拟研究。
文摘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。
文摘本文利用1981~2016年的CRUNCEP资料(0.5°×0.5°)作为大气驱动数据,驱动CLM4.5(Community Land Model version 4.5)模式模拟了青藏高原地区1981~2016年的土壤湿度时空变化。将模拟数据与台站观测资料、再分析资料(ERA-Interim和GLDAS-CLM)和微波遥感FY-3B/MWRI土壤湿度资料对比验证,表明了CLM4.5模拟资料可以合理再现青藏高原地区土壤湿度的空间分布和长期变化趋势。而且基于多种卫星遥感资料建立的较高分辨率(0.1°×0.1°)的青藏高原地表数据更加细致地刻画了土壤湿度的空间变化。对比结果表明:CLM4.5模拟土壤湿度与各个台站观测的时空变化一致,各层土壤湿度的模拟和观测均显著相关,且对浅层的模拟优于深层,但模拟结果比台站观测系统性偏大。模拟与再分析资料和微波遥感资料土壤湿度的空间分布具有一致性,均表现为从青藏高原的西北部向东南部逐渐增加的分布特点,三江源湿地和高原东南部为土壤湿度的高值区,柴达木盆地和新疆塔里木盆地的沙漠地区为低值区,土壤湿度由浅层向深层增加。土壤湿度的长期变化趋势基本表现为"变干-变湿"相间的带状分布,不同层次的土壤湿度变化趋势基本一致。模拟资料也合理地再现了夏季土壤湿度逐月的变化:高原西南地区的土壤湿度明显大范围增加,北部的柴达木盆地的干旱范围也明显的向北收缩,高原南部外围土壤湿度也明显增加,CLM4.5模拟土壤湿度比再分析资料和微波遥感资料更加细致地描述了夏季逐月土壤湿度空间分布及其变化特征。
基金supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 41305066 and 41575096)
文摘Roots are responsible for the uptake of water and nutrients by plants and have the plasticity to dynamically respond to different environmental conditions. However, most land surface models currently prescribe rooting profiles as a function only of vegetation type, with no consideration of the surroundings. In this study, a dynamic rooting scheme, which describes root growth as a compromise between water and nitrogen availability, was incorporated into CLM4.5 with carbon-nitrogen （CN） interactions （CLM4.5-CN） to investigate the effects of a dynamic root distribution on eco-hydrological modeling. Two paired numerical simulations were conducted for the Tapajos National Forest km83 （BRSa3） site and the Amazon, one using CLM4.5-CN without the dynamic rooting scheme and the other including the proposed scheme. Simulations for the BRSa3 site showed that inclusion of the dynamic rooting scheme increased the amplitudes and peak values of diurnal gross primary production （GPP） and latent heat flux （LE） for the dry season, and improved the carbon （C） and water cycle modeling by reducing the RMSE of GPP by 0.4 g C m^-2 d^-1, net ecosystem exchange by 1.96 g C m^-2 d^-1, LE by 5.0 W m^-2, and soil moisture by 0.03 m^3 m^-3, at the seasonal scale, compared with eddy flux measurements, while having little impact during the wet season. For the Amazon, regional analysis also revealed that vegetation responses （including GPP and LE） to seasonal drought and the severe drought of 2005 were better captured with the dynamic rooting scheme incorporated.
文摘利用中国科学院西北生态环境资源研究院玛曲土壤温湿观测网2008—2009年、2013—2014年数据验证了3套再分析资料ERA-Interim,CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)和JRA-55(Japanese 55-year Reanalysis)在黄河源区的适用性,结合中国气象数据网玛曲气象站1980—2014年观测资料与CLM4.5(Community Land Model4.5)进一步分析了黄河源区近35年气候变迁、土壤温湿分布和变化,结果表明:CFSR能够较好地描绘黄河源区土壤湿度变化,ERA-Interim对于土壤温度刻画能力更强,JRA-55效果较差;35年来气温、土壤温湿总体呈上升趋势且发生突变;近年来10 crm土壤温湿有暖干化趋势,降水量稍有增加,土壤冷季冻结周期变短,暖季持续时间拉长;CLM4.5模拟精度高,能够较好地刻画源区土壤温湿变化细节,两湖及黄河周边暖季为冷湿中心,冷季为暖干中心。
文摘为了提高模式CLM4.5(The Community Land Model Version 4.5)对我国北方地表温度的模拟性能,本文利用近30年实况地表温度站点观测资料,开展了Johansen、Côté-Konrad及Lu-Ren三个常用土壤导热率模型对地表温度模拟影响的研究.结果表明,三种导热率方案均能较好地模拟出中国北方地表温度的时空特征,但Lu-Ren方案的模拟误差、均方根误差更小,与实况间的相关性最显著.实况分析表明,近30年来北方地表温度处于快速上升通道中,尤其2003年以来增温趋势更加显著;三种方案均能模拟出这种变化趋势,与实况变化间相关显著,但模拟的增温幅度偏小,其中Lu-Ren方案模拟的变化趋势与实况值最接近.基于Taylor图和降水模拟评估表明,三种方案中Lu-Ren方案模拟效果最好.由此可见,在CLM4.5模式中增加适合我国北方气候模拟的土壤导热率新方案(Lu-Ren方案),提高了CLM模式的模拟效果,促进了该陆面模式的发展.
文摘动态植被模型是研究植被变化对气候反馈和影响的重要模型工具。本文对耦合了动态植被(Dynamic Vegetation,DV)和碳氮(Carbon and Nitrogen,CN)模型的NCAR陆面过程模式CLM4.5(Community Land Model version 4.5)对青藏高原(以下简称高原)植被的模拟性能进行了评估,获得了定量化的偏差信息,并对高原植被和气候变化因子的关系进行了初步探讨。结果表明:模型能大致再现叶面积指数(Leaf area index,LAI)在历史时期的季节循环、长期变化趋势和空间分布,但空间变率较遥感资料大。模拟的乔木覆盖度偏大,草地覆盖度偏小,因此严重高估了植被高原南部和东部的LAI。与遥感观测相比,模拟的LAI呈现了1~2个月的滞后,这与模式本身的植被动力机制不完善和模式的降水驱动偏差有关。高原植被变化趋势的时空分布与表层土壤水和降水等气象因子的趋势变化显示出较好的一致性,表明在该研究时段,地表水循环的变化(主要是降水和土壤水含量)对高原植被生长可能起主导作用。
文摘总初级生产力(gross primary productivity,GPP)的准确估计是陆地生态系统碳循环研究以及未来气候变化预测的基础。本文利用全球通量网的通量观测数据评估了CLM4.5的GPP模拟效果,结合叶面积指数(leaf area index,LAI)观测数据分析了CLM4.5模型GPP模拟误差的主要原因,并对CLM4.5模型主要的光合参数进行敏感性分析,探讨改善光合作用模拟精度的可能途径。结果表明:CLM4.5对GPP的模拟效果优于CLM4,月尺度和年尺度GPP模拟值的平均绝对偏差分别降低15%和29%。但与观测值相比,CLM4.5模拟的GPP年总量仍然具有较大偏差,平均偏差为366.06 g C·m-2·a-1。不同植被功能型GPP模拟误差具有不同的季节变化特征,误差主要发生在春季和夏季。冠层顶部比叶面积、叶片碳氮比和叶片氮含量中Rubisco氮含量所占比例是GPP模拟的3个敏感参数。未来应主要从物候期及LAI模拟的改进、磷循环过程的影响、生态系统水平光合参数集的构建等方面实现对GPP模拟精度的提高。
文摘一维湖泊模式是青藏高原湖泊研究的主要手段之一,但不同湖泊模式在青藏高原适用性及其差异依然不够明确。利用MODIS地表温度数据、青藏高原鄂陵湖站点观测的气象数据、湖温及湖面能量数据,驱动、评估和对比了目前应用最为广泛的两个一维湖泊模式Freshwater Lake Model(FLake)和Community Land Model version 4.5(CLM4.5)中耦合的湖泊模块在青藏高原典型湖泊的适用性。结果表明:FLake和CLM模式均能较好的对湖泊热力状况进行模拟,CLM模式对于湖表面温度和湖泊内部不同深度的温度模拟优于Flake模式,净辐射和能量的累积也是CLM模式的模拟值更接近观测值。造成Flake模式模拟偏差更大的原因与模式中计算感热、潜热的摩擦速度有关,观测的摩擦速度均值为0.22 m·s-1,CLM模式中的摩擦速度与观测值接近,为Flake模式的1.5倍,将CLM模式中的摩擦速度替换到Flake模式中后模拟结果有明显的改善。
