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1979-2018年中国区域地面气象要素驱动数据集(0.1°×0.1°)作为大气强迫资料,驱动CLM5.0(Community Land Model version 5.0)模拟了青藏高原地区1979-2018年的土壤温湿度变化。将土壤冻融过程划分为冻结期和非冻结期,...利用1979-2018年中国区域地面气象要素驱动数据集(0.1°×0.1°)作为大气强迫资料,驱动CLM5.0(Community Land Model version 5.0)模拟了青藏高原地区1979-2018年的土壤温湿度变化。将土壤冻融过程划分为冻结期和非冻结期,通过两个阶段的CLM5.0模拟与站点观测资料、同化资料(GLDAS-Noah)、卫星遥感资料(MODIS土壤温度资料和ESA CCI-COMBINED土壤湿度资料)的对比验证,探讨CLM5.0模拟土壤温湿度在青藏高原的适用性。结果表明:(1)CLM5.0可较准确地描述站点土壤温湿度的动态变化,CLM5.0模拟的土壤温湿度与观测资料具有一致的变化特征且数值上较为接近。CLM5.0模拟的准确性高于GLDAS-Noah。CLM5.0对站点土壤温度的描述更为准确。(2)CLM5.0能够较准确地描述高原冻融过程中的土壤温湿度特征,CLM5.0模拟土壤温湿度与MODIS和ESA CCICOMBINED遥感资料在高原总体呈显著正相关,相关系数大多在0.9以上。CLM5.0对土壤温度的模拟能力相对较好,对非冻结期土壤湿度的模拟能力优于冻结期。CLM5.0整体高估了土壤温度,平均偏差大多在0~4℃之间。土壤湿度的平均偏差大多在-0.1~0.1 m^(3)·m^(-3)之间,非冻结期的平均偏差相对较小。(3)CLM5.0模拟、GLDAS-Noah、MODIS和ESA CCI-COMBINED遥感资料的土壤温湿度均具有相似的空间分布,其中土壤温度空间分布特征相似度更高。CLM5.0具有较高的空间分辨率和更为精细的土壤分层,对土壤温湿度细节的刻画更为完善。(4)CLM5.0模拟资料在高原整体呈增温变干趋势,MODIS和ESA CCI-COMBINED遥感资料整体呈增温增湿趋势。CLM5.0模拟的土壤温度变化趋势相对准确,土壤湿度的变化趋势则存在较大偏差。展开更多
黄河源是黄河流域重要的水源涵养区,研究不同土壤分层对冻融过程模拟结果的影响,提高模式对水热输送过程的模拟能力,对高寒地区冻融过程的研究有着重要意义。本文利用黄河源区玛多站的观测数据作为强迫场驱动陆面模式CLM5.0(Community L...黄河源是黄河流域重要的水源涵养区,研究不同土壤分层对冻融过程模拟结果的影响,提高模式对水热输送过程的模拟能力,对高寒地区冻融过程的研究有着重要意义。本文利用黄河源区玛多站的观测数据作为强迫场驱动陆面模式CLM5.0(Community Land Model)在玛多站进行模拟,使用CLM5.0改进后的三种土壤分层方案,模拟不同土壤分层对土壤冻融过程的影响,对比模拟结果与观测资料,分析改进后分层方案对陆面模式CLM5.0在黄河源区冻融过程中对土壤温湿度模拟能力的提升效果,得出以下结论:(1)调整后的三种土壤分层方案对玛多站土壤温度的模拟效果有了较好的提升,三种方案中30层方案的模拟效果最好,模拟值与观测值的平均相关系数达到了0.954,平均均方根误差为3.334℃;(2)调整后的三种土壤分层方案对玛多站土壤湿度的模拟效果也有了较为明显的提升,能够准确地捕捉各层土壤湿度在一整年内的季节性变化,受到降水影响,模拟值与实测值的波谷模拟还有偏差,三种方案中30层方案的模拟效果最好,平均相关系数为0.770,平均均方根误差为0.039 m^(3)·m^(-3);(3)对于冻结初日与消融初日的模拟,调整后的三种不同土壤分层对于冻结期与消融期模拟有明显影响,浅层模拟的冻结初始日和消融初始日均与观测值相符,而在深层对于冻结初始日和消融初始日的模拟有些偏差,较观测值有延迟,消融期也更为持久。展开更多
在全球变暖的背景下,西南地区整体上气温升高降水减少,作为中国重要的碳汇地区,西南地区的植被动态监测与模拟对深入了解其碳循环机制和促进经济可持续发展具有重要意义。本研究利用陆面过程模式(Community Land Model version5, CLM5)...在全球变暖的背景下,西南地区整体上气温升高降水减少,作为中国重要的碳汇地区,西南地区的植被动态监测与模拟对深入了解其碳循环机制和促进经济可持续发展具有重要意义。本研究利用陆面过程模式(Community Land Model version5, CLM5),模拟和分析西南地区2000-2016年叶面积指数LAI(Leaf Area Index, LAI)和总初级生产力GPP(Gross Primary Productivity, GPP)的时空变化特征,并与多套遥感数据进行对比,评估CLM5在西南地区对LAI和GPP模拟的适用性。研究结果表明,CLM5能较好地模拟西南地区LAI和GPP的季节变化规律,但模拟存在对LAI生长季的高估,以及对GPP全年低估,对温带落叶阔叶灌木的LAI、高寒C3草甸的LAI、 GPP和C3草甸的GPP模拟效果较好。CLM5能够较好地刻画西南地区LAI和GPP空间分布格局,表现为由东南向西北递减,但整体上CLM5对西南地区LAI模拟偏高,特别是对贵州喀斯特地貌地区LAI的模拟偏高。与模型对LAI模拟高估相反,CLM5对西南地区GPP的模拟整体偏低,特别是云南地区。此外,CLM5对西南地区LAI和GPP的变化趋势模拟效果较差,特别是在云南大部分地区,遥感数据主要呈现上升趋势,而CLM5模拟呈现下降趋势。整体上,CLM5能模拟出西南地区LAI和GPP的季节变化规律和空间分布,但对云南和贵州部分地区的变化趋势模拟较差,仍需要针对四川盆地农田、云南森林、和贵州喀斯特地区植被发展更深入的参数化方案来提升模拟效果。展开更多
选取2015年6月—2018年8月玛多站观测资料作为驱动CLM5.0(Community Land Model)模式的强迫场数据,应用CLM5.0模式中不同土壤分层方案,对这一时段玛多站土壤温湿变化特征进行模拟,并检验了模拟效果。结果表明:(1)对于土壤温度,CLM5.0模...选取2015年6月—2018年8月玛多站观测资料作为驱动CLM5.0(Community Land Model)模式的强迫场数据,应用CLM5.0模式中不同土壤分层方案,对这一时段玛多站土壤温湿变化特征进行模拟,并检验了模拟效果。结果表明:(1)对于土壤温度,CLM5.0模式的4种土壤分层方案均能很好地模拟出一年中玛多站不同深度土壤温度的季节变化趋势,浅层土壤温度模拟值与观测值相关性更高,深层土壤温度模拟值的变化幅度相对较小且曲线较光滑。4种分层方案中,20层方案对土壤温度的模拟效果最好,平均相关系数为0.942。(2)对于土壤湿度,4种土壤分层方案均能较好地模拟出各层土壤湿度的季节变化和日变化趋势,但较观测值都有不同程度的偏差。20层方案对土壤湿度的模拟效果更好,平均相关系数为0.730。展开更多
本文利用普林斯顿大学全球大气强迫场资料，驱动公用陆面过程模式（Community Land Model version 4．0，CLM4．O）模拟了中国区域1961-2010年土壤湿度的时空变化。将模拟结果与观测结果、美国国家环境预报中心再分析数据（Naional Cent...本文利用普林斯顿大学全球大气强迫场资料，驱动公用陆面过程模式（Community Land Model version 4．0，CLM4．O）模拟了中国区域1961-2010年土壤湿度的时空变化。将模拟结果与观测结果、美国国家环境预报中心再分析数据（Naional Centers for Environmental Prediction Reanalysis，NCEP）和高级微波扫描辐射计（Advanced Microwave Scanning Radiometer-EOS，AMSR-E）反演的土壤湿度进行了对比分析，结果表明CLM4．0模拟结果可以反映出中国区域观测土壤湿度的空间分布和时空变化特征，但东北、江淮和河套三个地区模拟值相对于观测值在各层次均系统性偏大。模拟与NCEP再分析土壤湿度的空间分布基本一致，与AMSR-E的反演值在35°N以北的分布也基本一致；从1961-2010年土壤湿度模拟结果分析得出，各层土壤湿度空间分布从西北向东南增加。低值区主要分布在新疆、青海、甘肃和内蒙古西部地区。东北平原、江淮地区和长江流域为高值区。土壤湿度数值总体上从浅层向深层增加。不同深度土壤湿度变化趋势基本相同。除新疆西部和东北部分地区外，土壤湿度在35°N以北以减少趋势为主，30°N以南的长江流域、华南及西南地区以增加为主。在全球气候变暖的背景下，CLM4．0模拟的夏季土壤湿度在不同程度上响应了降水的变化。中国典型干旱区和半干旱区土壤湿度减小，湿润区增加。其中湿润区土壤湿度对降水的响应最为显著，其次是半干旱区和干旱区。展开更多
利用中国气象局国家气象信息中心研发的中国气象局陆面数据同化系统(China Meteorological Administration Land Data Assimilation System,CLDAS)大气近地面强迫资料,驱动美国国家大气研究中心公用陆面模式(Community Land Model,CLM3....利用中国气象局国家气象信息中心研发的中国气象局陆面数据同化系统(China Meteorological Administration Land Data Assimilation System,CLDAS)大气近地面强迫资料,驱动美国国家大气研究中心公用陆面模式(Community Land Model,CLM3.5),对中国新疆地区土壤温度时空分布进行逐小时Off-line模拟(模拟时段为2009—2012年);利用国家土壤温度自动站(新疆区域105站点)数据验证CLDAS驱动场强迫下的CLM3.5模式在中国新疆地区3个土壤层(5cm、20cm和80cm)的土壤温度模拟能力。研究发现:在月变化方面,第1层(5cm)土壤温度模拟与实测值差异最大,在每年7月最大差异达5k左右;第2层(20cm)在每年7月达最大差异(3k左右),而第3层(80cm)在每年7月均模拟的很好。造成这种现象的原因可能因为新疆地区7月前后浅层土壤温度变化剧烈,温度白天最高可达300K以上,昼夜温差大,导致模式不能很好抓住浅层土壤温度的变化趋势。研究还发现,在80cm土壤深度,模式在1月、12月的模拟结果均较前两层差。在日变化方面,研究发现:较浅的两层(5cm和20cm)土壤温度模拟值在夏季和秋季均较差。与月变化模拟结果类似的是,80cm土壤层日变化在1、12月模拟较差,然而在其他时段却模拟的很好。在小时变化方面,分析发现:第1层土壤(5cm)模拟结果在每年的1—4月及9—11月的全天(即24 h),模式也会有不同的偏差:其中,在03UTC—21UTC之间主要表现为模式结果比观测结果偏高,而在日内21UTC—00UTC主要表现为模拟结果偏小。在每年的5—8月,全天模拟值都偏小,其中在09UTC达当日最大值。而距离第2层(20cm)处的土壤温度模拟值在大部分月份都偏差较小(-1K至1k之间),并在日内12UTC偏差达到当日最大值。研究发现,在土壤20cm处,模式模拟的最大值较观测值提前,而第3层(80cm)的土壤温度基本不受日内变化影响,表现较为平稳。造成这种影响的原因可能是因为新疆地区5—8月、9—11月为昼夜温差大,深层土壤温度较浅层土壤温度温差变化小,这也造成了模式对于浅层土壤模拟较深层差的主要原因。总体研究表明:CLDAS驱动场强迫下的CLM3.5模式可较为精确的模拟中国新疆地区多年平均土壤温度时空分布,并较为准确的反映中国新疆地区土壤温度的小时、日、月及年际的变化规律。模式浅温度模拟不好的原因可能与模式参数化方案及地表参数有关,后期将继续修正该问题。展开更多
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...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。展开更多
对NCAR CLM3.0(Community Land Model)的冻土过程参数化进行了改进。根据平衡态的热力学关系和考虑含冰量的土壤基质势的经验公式定义了冰点下的最大液态水含量,超过最大液态水含量的部分冻结为冰,并在水导率的计算中加入了冰的阻挡作...对NCAR CLM3.0(Community Land Model)的冻土过程参数化进行了改进。根据平衡态的热力学关系和考虑含冰量的土壤基质势的经验公式定义了冰点下的最大液态水含量,超过最大液态水含量的部分冻结为冰,并在水导率的计算中加入了冰的阻挡作用。利用青藏高原改则站2003年4月1日至2004年12月31日的观测资料进行了单点模拟试验,模拟结果表明,原模式对辐射通量模拟比较准确,但低估了冬季冻结期的液态水含量,高估了冰含量,土壤温度也因此出现偏差,改进冻土参数化后对液态水和冰的模拟明显改善,土壤温度模拟也更接近实测,部分改进了模式对土壤水热过程的模拟能力。展开更多
植被总初级生产力（Gross Primary Productivity,GPP）决定进入陆地生态系统的初始物质和能量,是陆地碳循环与大气碳库的重要联系纽带.利用陆面过程模式CLM4-CN（Community Land Model version 4 with Carbon- Nitrogen interactions）...植被总初级生产力（Gross Primary Productivity,GPP）决定进入陆地生态系统的初始物质和能量,是陆地碳循环与大气碳库的重要联系纽带.利用陆面过程模式CLM4-CN（Community Land Model version 4 with Carbon- Nitrogen interactions）模拟和分析中国区域1982～2004年GPP（CLM4_GPP）时空变化特征,并通过与基于观测数据升尺度所得到的MTE_GPP（Model Tree Ensemble,MTE）进行比较,评估CLM4在中国区域GPP的模拟能力,同时探讨了不同土地覆盖资料对GPP的影响.结果表明：（1）CLM4-CN能够较好地刻画中国区域GPP空间分布格局,表现为由东南向西北递减,但在量值上大部分区域尤其是30°N以南地区存在高估,CLM4-CN模拟的GPP多年平均值为13.7 PgC a^-1,而MTE_GPP仅为6.9 PgC a^-1;（2）CLM4-CN可以合理模拟GPP的季节变化（与MTE_GPP相关系数大于0.9）,在量值上对温带阔叶落叶林、寒带阔叶落叶林、寒带阔叶落叶灌木、C3极地草地、C3非极地草地和农作物模拟较好（均方根偏差RMSD 〈 100 gC m^-2 month^-1）;（3）不同植物功能型CLM4_GPP表现出的年际变率均大于MTE_GPP,仅热带针叶常绿林、寒带阔叶落叶林和C3极地草地的CLM4_GPP与MTE_GPP变化趋势一致;（4）降水是研究时段内控制整个中国区域GPP的主要气候因子,但不同地区存在较大差异;（5）两种不同土地覆盖资料GPP模拟结果的显著差异表明,精确的土地覆盖是准确模拟GPP的重要基础.展开更多
地表温度是影响陆-气之间能量和物质交换的重要地球物理变量,对调节全球气候系统能量循环起着不可或缺的作用。为探讨美国国家大气研究中心(The National Center for Atmospheric Research,NCAR)公共陆面模式(Community Land Model,CLM...地表温度是影响陆-气之间能量和物质交换的重要地球物理变量,对调节全球气候系统能量循环起着不可或缺的作用。为探讨美国国家大气研究中心(The National Center for Atmospheric Research,NCAR)公共陆面模式(Community Land Model,CLM)对地表温度的模拟能力,利用1948—2004年美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)大气强迫场和NCAR陆面模式CLM3.0、CLM3.5、CLM4.0和CLM4.5对内蒙古地区1981—2004年的地表温度进行off-line模拟,并与观测地面温度资料进行对比。结果表明:NCAR/CLM系列陆面模式模拟地表温度都能较好地再现内蒙古地表温度的时空变化特征,与台站观测有着较好的一致性,其中CLM4.5在内蒙古地区模拟能力最好,与观测的相关系数最高、平均偏差和均方根误差都最小,这主要得益于CLM4.5对粗糙度计算的改进;不同版本CLM模拟地表温度普遍较观测数值偏低,在冬季各版本CLM模拟结果与观测值之间的平均偏差达到最小,在夏季的偏差增大,尤其是在东部地区,夏季偏差3℃以上,说明对最高地表温度的模拟能力东部和中部地区明显低于西部地区;西部地区各个版本差别并不如东部和中部地区明显,这与CLM4.0和CLM4.5改进了雪模式和水文过程有关。综上,CLM4.0和CLM4.5在内蒙古地区有较好的适用性,且模拟值均低于实测地表温度,冬季偏差较小,夏季偏差增大,东部地区偏差大于中部和西部地区。展开更多
作物生长与气候的互馈是当前气候变化研究的热点之一。陆面模型作为一项重要的研究工具,其模型框架、算法设计及参数化方案的不同会直接导致模拟结果的不确定性。为探究陆面模型DLM(dynamic land model)和CLM5(community land model)在...作物生长与气候的互馈是当前气候变化研究的热点之一。陆面模型作为一项重要的研究工具,其模型框架、算法设计及参数化方案的不同会直接导致模拟结果的不确定性。为探究陆面模型DLM(dynamic land model)和CLM5(community land model)在作物生长及农田热通量模拟方面的差异及原因,评估2个模型在华北平原作物研究中的适用程度,论文开展了冬小麦—夏玉米轮作站点的模拟对比研究。结果显示,DLM的夏玉米叶面积指数和生态系统总初级生产力的模拟值更高,与观测值更为接近;CLM5模型则在冬小麦模拟中略优。DLM的潜热模拟值与观测值的相关性普遍更高,可能反映了DLM采用的彭曼公式、双叶策略比CLM5采用基于水势梯度质量守恒、大叶策略的潜热计算方法更具优势。对于产量,模型当前的估测能力并不理想。总的来说,在默认设定下,2个模型的模拟结果能基本反映研究区农田站点内夏玉米和冬小麦的生长规律,但与实测值存在一定偏差。模型在该区域的适用性可能需要通过添加农田管理措施、算法优化和参数本地化等方式进一步提高。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1979-2018年中国区域地面气象要素驱动数据集(0.1°×0.1°)作为大气强迫资料,驱动CLM5.0(Community Land Model version 5.0)模拟了青藏高原地区1979-2018年的土壤温湿度变化。将土壤冻融过程划分为冻结期和非冻结期,通过两个阶段的CLM5.0模拟与站点观测资料、同化资料(GLDAS-Noah)、卫星遥感资料(MODIS土壤温度资料和ESA CCI-COMBINED土壤湿度资料)的对比验证,探讨CLM5.0模拟土壤温湿度在青藏高原的适用性。结果表明:(1)CLM5.0可较准确地描述站点土壤温湿度的动态变化,CLM5.0模拟的土壤温湿度与观测资料具有一致的变化特征且数值上较为接近。CLM5.0模拟的准确性高于GLDAS-Noah。CLM5.0对站点土壤温度的描述更为准确。(2)CLM5.0能够较准确地描述高原冻融过程中的土壤温湿度特征,CLM5.0模拟土壤温湿度与MODIS和ESA CCICOMBINED遥感资料在高原总体呈显著正相关,相关系数大多在0.9以上。CLM5.0对土壤温度的模拟能力相对较好,对非冻结期土壤湿度的模拟能力优于冻结期。CLM5.0整体高估了土壤温度,平均偏差大多在0~4℃之间。土壤湿度的平均偏差大多在-0.1~0.1 m^(3)·m^(-3)之间,非冻结期的平均偏差相对较小。(3)CLM5.0模拟、GLDAS-Noah、MODIS和ESA CCI-COMBINED遥感资料的土壤温湿度均具有相似的空间分布,其中土壤温度空间分布特征相似度更高。CLM5.0具有较高的空间分辨率和更为精细的土壤分层,对土壤温湿度细节的刻画更为完善。(4)CLM5.0模拟资料在高原整体呈增温变干趋势,MODIS和ESA CCI-COMBINED遥感资料整体呈增温增湿趋势。CLM5.0模拟的土壤温度变化趋势相对准确,土壤湿度的变化趋势则存在较大偏差。
文摘黄河源是黄河流域重要的水源涵养区,研究不同土壤分层对冻融过程模拟结果的影响,提高模式对水热输送过程的模拟能力,对高寒地区冻融过程的研究有着重要意义。本文利用黄河源区玛多站的观测数据作为强迫场驱动陆面模式CLM5.0(Community Land Model)在玛多站进行模拟,使用CLM5.0改进后的三种土壤分层方案,模拟不同土壤分层对土壤冻融过程的影响,对比模拟结果与观测资料,分析改进后分层方案对陆面模式CLM5.0在黄河源区冻融过程中对土壤温湿度模拟能力的提升效果,得出以下结论:(1)调整后的三种土壤分层方案对玛多站土壤温度的模拟效果有了较好的提升,三种方案中30层方案的模拟效果最好,模拟值与观测值的平均相关系数达到了0.954,平均均方根误差为3.334℃;(2)调整后的三种土壤分层方案对玛多站土壤湿度的模拟效果也有了较为明显的提升,能够准确地捕捉各层土壤湿度在一整年内的季节性变化,受到降水影响,模拟值与实测值的波谷模拟还有偏差,三种方案中30层方案的模拟效果最好,平均相关系数为0.770,平均均方根误差为0.039 m^(3)·m^(-3);(3)对于冻结初日与消融初日的模拟,调整后的三种不同土壤分层对于冻结期与消融期模拟有明显影响,浅层模拟的冻结初始日和消融初始日均与观测值相符,而在深层对于冻结初始日和消融初始日的模拟有些偏差,较观测值有延迟,消融期也更为持久。
文摘在全球变暖的背景下,西南地区整体上气温升高降水减少,作为中国重要的碳汇地区,西南地区的植被动态监测与模拟对深入了解其碳循环机制和促进经济可持续发展具有重要意义。本研究利用陆面过程模式(Community Land Model version5, CLM5),模拟和分析西南地区2000-2016年叶面积指数LAI(Leaf Area Index, LAI)和总初级生产力GPP(Gross Primary Productivity, GPP)的时空变化特征,并与多套遥感数据进行对比,评估CLM5在西南地区对LAI和GPP模拟的适用性。研究结果表明,CLM5能较好地模拟西南地区LAI和GPP的季节变化规律,但模拟存在对LAI生长季的高估,以及对GPP全年低估,对温带落叶阔叶灌木的LAI、高寒C3草甸的LAI、 GPP和C3草甸的GPP模拟效果较好。CLM5能够较好地刻画西南地区LAI和GPP空间分布格局,表现为由东南向西北递减,但整体上CLM5对西南地区LAI模拟偏高,特别是对贵州喀斯特地貌地区LAI的模拟偏高。与模型对LAI模拟高估相反,CLM5对西南地区GPP的模拟整体偏低,特别是云南地区。此外,CLM5对西南地区LAI和GPP的变化趋势模拟效果较差,特别是在云南大部分地区,遥感数据主要呈现上升趋势,而CLM5模拟呈现下降趋势。整体上,CLM5能模拟出西南地区LAI和GPP的季节变化规律和空间分布,但对云南和贵州部分地区的变化趋势模拟较差,仍需要针对四川盆地农田、云南森林、和贵州喀斯特地区植被发展更深入的参数化方案来提升模拟效果。
文摘选取2015年6月—2018年8月玛多站观测资料作为驱动CLM5.0(Community Land Model)模式的强迫场数据,应用CLM5.0模式中不同土壤分层方案,对这一时段玛多站土壤温湿变化特征进行模拟,并检验了模拟效果。结果表明:(1)对于土壤温度,CLM5.0模式的4种土壤分层方案均能很好地模拟出一年中玛多站不同深度土壤温度的季节变化趋势,浅层土壤温度模拟值与观测值相关性更高,深层土壤温度模拟值的变化幅度相对较小且曲线较光滑。4种分层方案中,20层方案对土壤温度的模拟效果最好,平均相关系数为0.942。(2)对于土壤湿度,4种土壤分层方案均能较好地模拟出各层土壤湿度的季节变化和日变化趋势,但较观测值都有不同程度的偏差。20层方案对土壤湿度的模拟效果更好,平均相关系数为0.730。
文摘本文利用普林斯顿大学全球大气强迫场资料，驱动公用陆面过程模式（Community Land Model version 4．0，CLM4．O）模拟了中国区域1961-2010年土壤湿度的时空变化。将模拟结果与观测结果、美国国家环境预报中心再分析数据（Naional Centers for Environmental Prediction Reanalysis，NCEP）和高级微波扫描辐射计（Advanced Microwave Scanning Radiometer-EOS，AMSR-E）反演的土壤湿度进行了对比分析，结果表明CLM4．0模拟结果可以反映出中国区域观测土壤湿度的空间分布和时空变化特征，但东北、江淮和河套三个地区模拟值相对于观测值在各层次均系统性偏大。模拟与NCEP再分析土壤湿度的空间分布基本一致，与AMSR-E的反演值在35°N以北的分布也基本一致；从1961-2010年土壤湿度模拟结果分析得出，各层土壤湿度空间分布从西北向东南增加。低值区主要分布在新疆、青海、甘肃和内蒙古西部地区。东北平原、江淮地区和长江流域为高值区。土壤湿度数值总体上从浅层向深层增加。不同深度土壤湿度变化趋势基本相同。除新疆西部和东北部分地区外，土壤湿度在35°N以北以减少趋势为主，30°N以南的长江流域、华南及西南地区以增加为主。在全球气候变暖的背景下，CLM4．0模拟的夏季土壤湿度在不同程度上响应了降水的变化。中国典型干旱区和半干旱区土壤湿度减小，湿润区增加。其中湿润区土壤湿度对降水的响应最为显著，其次是半干旱区和干旱区。
文摘利用中国气象局国家气象信息中心研发的中国气象局陆面数据同化系统(China Meteorological Administration Land Data Assimilation System,CLDAS)大气近地面强迫资料,驱动美国国家大气研究中心公用陆面模式(Community Land Model,CLM3.5),对中国新疆地区土壤温度时空分布进行逐小时Off-line模拟(模拟时段为2009—2012年);利用国家土壤温度自动站(新疆区域105站点)数据验证CLDAS驱动场强迫下的CLM3.5模式在中国新疆地区3个土壤层(5cm、20cm和80cm)的土壤温度模拟能力。研究发现:在月变化方面,第1层(5cm)土壤温度模拟与实测值差异最大,在每年7月最大差异达5k左右;第2层(20cm)在每年7月达最大差异(3k左右),而第3层(80cm)在每年7月均模拟的很好。造成这种现象的原因可能因为新疆地区7月前后浅层土壤温度变化剧烈,温度白天最高可达300K以上,昼夜温差大,导致模式不能很好抓住浅层土壤温度的变化趋势。研究还发现,在80cm土壤深度,模式在1月、12月的模拟结果均较前两层差。在日变化方面,研究发现:较浅的两层(5cm和20cm)土壤温度模拟值在夏季和秋季均较差。与月变化模拟结果类似的是,80cm土壤层日变化在1、12月模拟较差,然而在其他时段却模拟的很好。在小时变化方面,分析发现:第1层土壤(5cm)模拟结果在每年的1—4月及9—11月的全天(即24 h),模式也会有不同的偏差:其中,在03UTC—21UTC之间主要表现为模式结果比观测结果偏高,而在日内21UTC—00UTC主要表现为模拟结果偏小。在每年的5—8月,全天模拟值都偏小,其中在09UTC达当日最大值。而距离第2层(20cm)处的土壤温度模拟值在大部分月份都偏差较小(-1K至1k之间),并在日内12UTC偏差达到当日最大值。研究发现,在土壤20cm处,模式模拟的最大值较观测值提前,而第3层(80cm)的土壤温度基本不受日内变化影响,表现较为平稳。造成这种影响的原因可能是因为新疆地区5—8月、9—11月为昼夜温差大,深层土壤温度较浅层土壤温度温差变化小,这也造成了模式对于浅层土壤模拟较深层差的主要原因。总体研究表明:CLDAS驱动场强迫下的CLM3.5模式可较为精确的模拟中国新疆地区多年平均土壤温度时空分布,并较为准确的反映中国新疆地区土壤温度的小时、日、月及年际的变化规律。模式浅温度模拟不好的原因可能与模式参数化方案及地表参数有关,后期将继续修正该问题。
文摘陆面模式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。
文摘对NCAR CLM3.0(Community Land Model)的冻土过程参数化进行了改进。根据平衡态的热力学关系和考虑含冰量的土壤基质势的经验公式定义了冰点下的最大液态水含量,超过最大液态水含量的部分冻结为冰,并在水导率的计算中加入了冰的阻挡作用。利用青藏高原改则站2003年4月1日至2004年12月31日的观测资料进行了单点模拟试验,模拟结果表明,原模式对辐射通量模拟比较准确,但低估了冬季冻结期的液态水含量,高估了冰含量,土壤温度也因此出现偏差,改进冻土参数化后对液态水和冰的模拟明显改善,土壤温度模拟也更接近实测,部分改进了模式对土壤水热过程的模拟能力。
文摘植被总初级生产力（Gross Primary Productivity,GPP）决定进入陆地生态系统的初始物质和能量,是陆地碳循环与大气碳库的重要联系纽带.利用陆面过程模式CLM4-CN（Community Land Model version 4 with Carbon- Nitrogen interactions）模拟和分析中国区域1982～2004年GPP（CLM4_GPP）时空变化特征,并通过与基于观测数据升尺度所得到的MTE_GPP（Model Tree Ensemble,MTE）进行比较,评估CLM4在中国区域GPP的模拟能力,同时探讨了不同土地覆盖资料对GPP的影响.结果表明：（1）CLM4-CN能够较好地刻画中国区域GPP空间分布格局,表现为由东南向西北递减,但在量值上大部分区域尤其是30°N以南地区存在高估,CLM4-CN模拟的GPP多年平均值为13.7 PgC a^-1,而MTE_GPP仅为6.9 PgC a^-1;（2）CLM4-CN可以合理模拟GPP的季节变化（与MTE_GPP相关系数大于0.9）,在量值上对温带阔叶落叶林、寒带阔叶落叶林、寒带阔叶落叶灌木、C3极地草地、C3非极地草地和农作物模拟较好（均方根偏差RMSD 〈 100 gC m^-2 month^-1）;（3）不同植物功能型CLM4_GPP表现出的年际变率均大于MTE_GPP,仅热带针叶常绿林、寒带阔叶落叶林和C3极地草地的CLM4_GPP与MTE_GPP变化趋势一致;（4）降水是研究时段内控制整个中国区域GPP的主要气候因子,但不同地区存在较大差异;（5）两种不同土地覆盖资料GPP模拟结果的显著差异表明,精确的土地覆盖是准确模拟GPP的重要基础.
文摘地表温度是影响陆-气之间能量和物质交换的重要地球物理变量,对调节全球气候系统能量循环起着不可或缺的作用。为探讨美国国家大气研究中心(The National Center for Atmospheric Research,NCAR)公共陆面模式(Community Land Model,CLM)对地表温度的模拟能力,利用1948—2004年美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)大气强迫场和NCAR陆面模式CLM3.0、CLM3.5、CLM4.0和CLM4.5对内蒙古地区1981—2004年的地表温度进行off-line模拟,并与观测地面温度资料进行对比。结果表明:NCAR/CLM系列陆面模式模拟地表温度都能较好地再现内蒙古地表温度的时空变化特征,与台站观测有着较好的一致性,其中CLM4.5在内蒙古地区模拟能力最好,与观测的相关系数最高、平均偏差和均方根误差都最小,这主要得益于CLM4.5对粗糙度计算的改进;不同版本CLM模拟地表温度普遍较观测数值偏低,在冬季各版本CLM模拟结果与观测值之间的平均偏差达到最小,在夏季的偏差增大,尤其是在东部地区,夏季偏差3℃以上,说明对最高地表温度的模拟能力东部和中部地区明显低于西部地区;西部地区各个版本差别并不如东部和中部地区明显,这与CLM4.0和CLM4.5改进了雪模式和水文过程有关。综上,CLM4.0和CLM4.5在内蒙古地区有较好的适用性,且模拟值均低于实测地表温度,冬季偏差较小,夏季偏差增大,东部地区偏差大于中部和西部地区。
文摘作物生长与气候的互馈是当前气候变化研究的热点之一。陆面模型作为一项重要的研究工具,其模型框架、算法设计及参数化方案的不同会直接导致模拟结果的不确定性。为探究陆面模型DLM(dynamic land model)和CLM5(community land model)在作物生长及农田热通量模拟方面的差异及原因,评估2个模型在华北平原作物研究中的适用程度,论文开展了冬小麦—夏玉米轮作站点的模拟对比研究。结果显示,DLM的夏玉米叶面积指数和生态系统总初级生产力的模拟值更高,与观测值更为接近;CLM5模型则在冬小麦模拟中略优。DLM的潜热模拟值与观测值的相关性普遍更高,可能反映了DLM采用的彭曼公式、双叶策略比CLM5采用基于水势梯度质量守恒、大叶策略的潜热计算方法更具优势。对于产量,模型当前的估测能力并不理想。总的来说,在默认设定下,2个模型的模拟结果能基本反映研究区农田站点内夏玉米和冬小麦的生长规律,但与实测值存在一定偏差。模型在该区域的适用性可能需要通过添加农田管理措施、算法优化和参数本地化等方式进一步提高。
