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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

气象学报 1998年第4期56卷 385-400页

作者：丁一汇张晶赵宗慈国家气候中心

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ＲｅｇＣ... 详细信息

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。

关键词：陆面过程模式区域气候模式耦合模拟试验研究

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集成陆面过程模式（DLM）优化及其在中国陆表生态水文过程模拟中的应用

集成陆面过程模式（DLM）优化及其在中国陆表生态水文过程模拟中...

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作者：孙少波中国科学院大学

学位级别：博士

新一代耦合众多陆表生物地球物理和生物地球化学过程的集成陆面过程模式(LSMs)为在不同时间和空间尺度上理解陆表物质、能量交换及其对气候变化的响应特征提供了重要技术手段。然而，LSMs的应用效果取决于模式本身结构、参数和输入数据... 详细信息

新一代耦合众多陆表生物地球物理和生物地球化学过程的集成陆面过程模式(LSMs)为在不同时间和空间尺度上理解陆表物质、能量交换及其对气候变化的响应特征提供了重要技术手段。然而，LSMs的应用效果取决于模式本身结构、参数和输入数据所导致的不确定性的大小。本文研究中首先针对LSMs高寒地区土壤水热（湿度和温度）模拟不确定性普遍较大的问题，以动态陆面过程模式DLM为例优化了模式高寒地区土壤水热参数化方案;其次利用中国高分辨率气象场和土壤数据驱动两个LSMs(DLM和CLM4.0)模拟、并量化分析了近30年(1979-2012)中国陆表蒸散发(ET)和生态系统总初级生产力(GPP)时空动态特征;此外，以黑河上游流域为例优化了基于DLM发展发展的流域生态水文模型DLM-Ecohydro，并进行了应用试验研究。主要研究内容概括为以下五个方面:\n (1)LSMs高寒地区土壤湿度模拟评估及参数化方案优化\n 利用青藏高原地区气象和土壤湿度观测数据，对DLM和CLM4.0两个陆面过程模式高寒地区土壤湿度模拟进行验证评估，结果表明两个模式对于冻结期和冻融过程土壤湿度模拟存在较大不确定性，显著低估非冻结期土壤湿度。在此基础之上，通过改进DLM模式土壤有机质(SOM)和冻土液态水渗透参数化方案，显著提高了模式在高寒地区对土壤湿度模拟的能力。\n (2)LSMs高寒地区土壤冻融模拟评估及参数化方案优化\n 通过对DLM和CLM4.0模式青藏高原地区土壤温度模拟结果进行验证评估，发现DLM模式明显地高估非冻结期（4-7月及9月中旬至10月下旬）土壤土壤温度。DLM和CLM4.0均低估冬季低温期（12月至3月）土壤温度，平均低估达5-6℃。研究中通过改进模式中大气进入表层土壤/积雪热通量算法、引入更精细化考虑土壤有机质热导特性的土壤热导率参数化方案，提高了DLM模式青对藏高原高寒地区土壤温度模拟的能力。\n (3)DLM-Ecohydro流域生态水文过程模拟试验研究\n 以黑河上游为例，优化流域生态水文模型DLM-Ecohydro，并进行了流域生态水文过程模拟试验研究。结果表明，相对于不考虑土壤水分侧向运动的LSMs，耦合陆表过程模型和水文模型的三维流域生态水文模型能够更好的模拟流域陆表生态系统初级生产力(GPP)和蒸散发(ET)。\n (4)中国陆表蒸散发模拟及分析\n 系统性地对比评估了三个陆面过程模式（DLM，CLM4.0和VIC）模拟的、中分辨率成像光谱仪(MODIS，Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)产品及基于通量站点尺度观测升尺度方法(MTE)计算的中国陆表ET结果。对比结果表明，基于三个模式集合平均模拟的ET数据产品(LSMs-ET)不确定性最小。利用LSMs-ET数据量化分析了中国陆表ET时空动态变化特征发现:1979-2012年中国年均ET为351.24±10.7mm yr-1，以0.72mm yr-1的速率显著增长;42.42％中国陆表ET线性变化显著(p＜0.05)，其中36.01％地区ET显著增长，主要位于青藏高原、新疆西北以及四川和云南西部地区，6.41％地区ET显著减小，主要分布于贵州、广西和江西局部地区;ET变化趋势空间分布和不同气候区ET趋势比较结果显示，青藏高原地区ET快速增长是导致中国陆表ET总体上增加的主要原因。\n (5)中国陆地生态系统GPP模拟及分析\n 利用16个中国通量站点观测数据系统性地验证，并相互对比了过程模型、卫星遥感和通量站点升尺度三种方法估算中国陆地生态系统GPP。结果表明采用卫星遥感先验LAI输入和优化后光合参数的DLM模拟GPP不确定性最小。利用DLM模式估算中国年均GPP为5.64±0.15Pg C。中国陆地生态系统GPP时空动态特征分析显示:1979-1990年中国陆地生态系统GPP呈显著增长趋势（5.43×10-2Pg C yr-1，p＜0.05），1990-2012年间则表现出略微减小趋势，但不显著;空间分布上，中国陆表42.49％地区年GPP变化趋势显著，其中36.71％呈显著增长趋势，5.78％地区GPP表现为显著减小趋势。显著增长地区主要位于青藏高原、四川西部、云南北部、陕西南部和湖北西部、重庆大部分地区、东北森林以及新疆和南方局部地区。显著减小地区主要分布于内蒙古东北部、辽宁西部、浙江中部以及新疆中部等局部较小地区;统计分析显示中国主要植被类型年均GPP大小依次为森林(1.80)、农田(1.45)、草地(0.94)、灌丛(0.89)和未利用地（0.13Pg C yr-1）。

关键词：水文过程陆面过程模式土壤湿度土壤冻融

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考虑植被根系动态变化的陆面过程模式发展及应用

考虑植被根系动态变化的陆面过程模式发展及应用

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作者：王媛媛中国科学院大学

学位级别：博士

根系是植被的重要组成部分，它吸收土壤水分供给植被蒸腾，吸收土壤养分供给植被生长，并进行生命体的合成。它是联系土壤—植被—大气系统的重要纽带，也是准确量化植被与气候之间相互作用的重要因子。植被根系的动态变化，包括根系动... 详细信息

根系是植被的重要组成部分，它吸收土壤水分供给植被蒸腾，吸收土壤养分供给植被生长，并进行生命体的合成。它是联系土壤—植被—大气系统的重要纽带，也是准确量化植被与气候之间相互作用的重要因子。植被根系的动态变化，包括根系动态分布、水力再分配等过程，通过改变根系吸水量与土壤含水量，影响土壤蒸发、植被蒸腾、光合作用等过程，进而改变陆气水分、能量、物质的交换，最终影响气候。因此，在陆面过程模式中合理表示植被根系动态变化，对深入理解植被与气候间的相互作用具有重要意义。本博士论文的研究目标是构建考虑植被根系动态分布及水力再分配的陆面过程模式及地球系统模式，研究并揭示植被根系动态变化对陆地生态系统碳水循环的影响及其对气候的反馈作用机理，以增强对植被—气候相互作用的理解。围绕上述研究目标，本论文在陆面过程模式评估、发展与应用等方面开展研究。论文主要成果总结如下:\n (1)评估了陆面过程模式CLM4.5的模拟能力，探讨了不同地表覆盖资料及不同根系分布方案对模拟结果的影响。利用基于观测的升尺度植被总初级生产力(Gross Primary Productivity, GPP)数据MTE_GPP，评估了陆面过程模式CLM4.5对中国区域GPP时空变化特征及规律的模拟能力，并探讨了GPP模拟对不同土地覆盖资料及不同根系分布的敏感性。结果表明:考虑碳氮相互作用的陆面过程模型CLM4.5-CN能够较好地刻画中国区域GPP空间格局，表现为由东南向西北递减，并合理模拟各植被功能型GPP的季节变化(与MTE_GPP相关系数均大于0.9);相比温度和辐射，降水是研究时段内控制整个中国区域GPP的主要气候因子;土地覆盖资料的不同会造成GPP的显著变化，准确的土地覆盖数据可以减小模型GPP模拟的不确定性;另外，根系分布的差异对GPP也有显著影响，最大变化幅度可达40％。\n (2)构建了考虑植被根系动态分布及水力再分配的陆面过程模式，研究并揭示了根系动态变化对陆地碳水循环的影响。基于CLM4.5，构建了考虑根系随环境动态生长及水力再分配的陆面模式，并通过对亚马逊区域及全球模拟试验，揭示了根系动态分布及水力再分配对陆地碳水循环的影响。结果表明:在亚马逊区域BRSa3站点(3.02°S，54.97°W)，根系动态分布使得更多深层土壤水被根系吸收供给植被蒸腾，减小土壤水分对植被的胁迫，从而改善了模型对干旱季GPP、潜热通量(Latent heat flux，LE)、表层土壤湿度的低估，均方根误差分别减小0.4gC m-2 day-1，5.0Wm-2，0.03m3 m-3;全球模拟试验表明根系动态分布可以减小模型部分地区GPP的低估，整体空间相关系数有所增加。在亚马逊区域BRSa3站点，湿润季根系水力再分配作用较小（只发生在夜间），土壤水在夜间由上层向下层传输，量值不足0.1mm day-1;在干旱季水力再分配作用明显，土壤水在夜间由下层向上层传输，最大值可达0.3mm day-1，减小了干旱季土壤水分胁迫，改善了模型对GPP和LE的低估，分别增加10％和15％;全球试验表明考虑根系水力再分配作用的模型，既减小了北半球中高纬地区GPP的高估，也改善了热带亚热带地区GPP的低估。\n (3)构建了综合考虑根系动态分布及水力再分配的地球系统模式，并通过耦合试验探讨根系动态变化的气候反馈作用。将根系动态分布及水力再分配方案同时耦合到陆面过程模式CLM4.5中，并与地球系统模式CESM耦合，通过陆气耦合试验探讨根系动态变化对气候的影响。数值模拟试验表明:在地球系统模式中考虑根系动态分布和水力再分配作用后，低纬地区植被蒸散发增加约200mmyr-1，使得地表潜热通量增加，导致南亚、南美亚马逊地区、非洲南部等地气温降低，变化幅度可达-2℃;在亚马逊东北部、非洲西海岸及印度尼西亚地区，受局地陆面反馈及大尺度水汽平流输送的共同影响，降水有不同程度的增加，最大幅度可达200mmyr-1。总体而言，根系动态变化对这些区域有一定程度的降温增湿效应。

关键词：陆面过程模式根系动态分布碳水循环植被蒸散发气候反馈

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包含人为扰动和氮磷输送的陆面过程模式研究

包含人为扰动和氮磷输送的陆面过程模式研究

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作者：刘双中国科学院大学

学位级别：博士

土壤与河流氮磷输送过程，是全球生物地球化学循环必不可少的重要环节。以氮磷排放及取用水调节为主要特征的人类活动改变陆地生态水文过程，进而影响土壤与河流中氮磷迁移及气候系统。量化这些过程及人为扰动影响对深入认识与理解全球... 详细信息

土壤与河流氮磷输送过程，是全球生物地球化学循环必不可少的重要环节。以氮磷排放及取用水调节为主要特征的人类活动改变陆地生态水文过程，进而影响土壤与河流中氮磷迁移及气候系统。量化这些过程及人为扰动影响对深入认识与理解全球氮磷循环及陆气相互作用具有重要意义。然而，目前用于气候模拟的陆面模式缺乏对氮磷输送与人为扰动的定量描述。因此，本博士论文研究目标是发展包含人为扰动和氮磷输送的陆面过程模式，并与气候模式耦合，研究并揭示氮磷排放与水调节对陆面生态水文过程与氮磷输送的影响及其气候效应。围绕上述研究目标，本论文在模式发展及应用方面开展工作，得到主要结果与结论如下:　　(1)在陆面模式CLM4.5的汇流模型中加入了河流温度计算方案，揭示了河流温度时空分布及其对人为热排放的响应。将以河流流量、产流温度、大气强迫及人为热排放等为输入的河流温度参数化方案与汇流模块耦合集成，由此发展了包含河流温度变化的陆面汇流模型。利用所发展模型，针对1981-2010年进行全球模拟验证（0.5°空间分辨率），结果表明:模型能较好地模拟河流温度的季节变化;热带地区温度较高而季节变化较小，温带地区温度适中且四季变化分明，高纬度地区则偏低而冷暖转换迅速;气温、土壤温度及太阳辐射与河流温度的空间相关性较好;夏季，河流温度对气温变化最敏感;人为热排放对热污染地区的河流温度影响非常显著，其中以发展中国家居多的地区受影响程度呈逐年增长的趋势。　　(2)发展了包含人为氮磷排放与河流氮磷输送的陆面模式，探讨了人为排放对河流氮磷输送的影响。基于包含温度变化的陆面汇流模型，考虑土壤氮磷流失、河流氮磷损耗及人为氮磷排放的作用，建立大尺度河流氮磷输送方案，将其与陆面模式耦合，由此发展了考虑人为氮磷排放与河流氮磷输送的陆面模式。利用所发展的模型，取陆面模型分辨率为1°、河网分辨率为0.5°、时段为1991-2010年，进行数值模拟试验，结果表明:考虑水温变化能够有效地降低河流氮磷模拟量在年内的变化幅度并且使得河流无机氮在热带地区减少、高纬度地区增加;施肥能有效提高植被总初级生产力与净初级生产力，同时显著地增加与河流氮磷输送密切相关的土壤氮流失量;施肥与点源排放能显著地增加全球多数河流氮磷通量，且过去20年来其对陆海氮磷输出量的影响呈增加趋势。　　(3)研制了考虑人为水调节对氮磷输送影响的陆面模式，量化了不同水调节过程对陆面过程及氮磷输送的影响。基于考虑人为氮磷排放与河流氮磷输送的陆面模式，进一步耦合全球水库调蓄、地表水取用、地下水开采利用等方案，由此研制了考虑以水调节与氮磷排放为主的人为扰动及河流氮磷输送的陆面模式。利用所发展的模型，针对1991-2000年进行数值模拟试验，结果表明:地表水取用减少河道流量，并通过灌溉等途径增加潜热通量与土壤湿度及产流、降低感热通量与地表温度及土壤温度，进而影响土壤氮分解与磷风化，改变氮磷流失量;水库与地表水取用对河流水量及无机氮磷起了拦截作用，减少河流氮磷;地下水取用效应主要体现在美国中部、印度巴基斯坦及中国华北地区，其中印度地下产流减少量大于地表产流的增加量，导致产流整体上减少;地下水开采区氮流失在印度表现为减少、在伊朗巴基斯坦为增加、在美国中部和中国华北增减情况共存，由此河流氮磷量发生相应改变，但其改变程度小于地表水调节。　　(4)实现了包含人为扰动和氮磷输送的陆面模式与气候系统模式的初步耦合，探讨了多种人为扰动综合作用对陆面、气候以及河流氮磷输送的影响。在地球系统模式CESM1.2.0框架中集成了所发展的包含人为扰动和氮磷输送的陆面模式，并将其与大气模式CAM4耦合，取大气模式分辨率为1°、陆面模型分辨率为1°、河网分辨率为0.5°，分别开展30年陆面离线与初步陆气耦合模拟试验，结果表明:离线模式能刻画人为扰动综合作用对陆面及河流氮磷输送的影响，且模拟的河口无机氮通量与观测量级基本一致;初步耦合试验显示人为扰动使得850hPa层气温有所降低、欧亚过渡带及印度降水显著减少、其余地区降水有所增加，同时人为扰动及其引起的气候效应也影响河流氮磷输送。

关键词：氮磷输送人为扰动陆面过程模式水文循环

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考虑地下水侧向流动与土壤水—地下水相互作用的陆面过程模式及其应用

考虑地下水侧向流动与土壤水—地下水相互作用的陆面过程模式及其...

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作者：于燕中国科学院大学

学位级别：博士

作为水循环过程的重要组成部分，地下水运动受地形、土壤、植被、气候条件以及人类活动的综合影响。地下水在水平方向上的辐合辐散以及在垂直方向上与非饱和土壤水的相互作用改变土壤湿度的时空分布，影响陆面与大气之间的水分能量交换... 详细信息

作为水循环过程的重要组成部分，地下水运动受地形、土壤、植被、气候条件以及人类活动的综合影响。地下水在水平方向上的辐合辐散以及在垂直方向上与非饱和土壤水的相互作用改变土壤湿度的时空分布，影响陆面与大气之间的水分能量交换，进而影响气候。在陆面过程模式中合理表示地下水的侧向流动过程以及垂向与土壤水的相互作用，对于完善气候系统中陆地水循环过程的描述、深入理解人类活动引起的区域水文循环变化规律具有重要意义。本博士论文的研究目标是发展考虑地下水侧向流动与水资源开采利用的陆面过程模式，为研究陆面水文循环过程以及人类活动影响下的水资源变化规律提供模式平台，研究并揭示地下水侧向流动及土壤水-地下水相互作用对陆面过程的影响规律，增加对陆气相互作用的理解。围绕上述研究目标，本论文在地下水模型发展、与陆面过程模式耦合、模型评估与应用等方面开展研究。论文主要成果总结如下:\n (1)建立了考虑地下水侧向流动的陆面过程模式。基于隐式差分格式建立了二维地下水侧向流数值模型，并针对黑河流域将其与陆面过程模式CLM3.5耦合，建立了考虑地下水侧向流动的陆面过程模式。对地下水侧向流模型数值算法及地下水排泄速度进行的敏感性分析表明了模型计算的稳定性与合理性。地下水侧向流模型模拟的黑河流域平衡态地下水埋深较CLM3.5气候态埋深空间变异性强，在中游的高台与金塔地区较CLM3.5更接近观测值。耦合模型模拟结果显示，中游自南向北（临泽、高台、金塔）递减的地下水埋深空间分布特征与观测吻合。中游山前地区地下水埋深变浅使得土壤湿度增加，三个农业气象站点(39.77°N，99.48°E;38.93°N，100.43°E;38.45°N，100.82°E)土壤湿度平均增加0.04mm3/mm3，一定程度上改善了原模式对中游地区土壤湿度的低估。对于受水分限制的西北干旱区，蒸散发的变化主要由土壤蒸发决定，而对于以农作物为主要植被类型的部分中游平原区，蒸散发的变化主要由植被蒸腾控制。总径流深变化主要集中在地形复杂的上游地区，且主要由次地表径流变化所贡献。水分循环的改变影响到能量循环，从而影响到感热与潜热的分配。\n (2)发展了综合考虑地下水侧向流动与开采利用的陆面过程模式，探讨地下水侧向流动与开采利用对陆面过程的影响。在建立的考虑地下水侧向流动的陆面过程模式基础上，迸一步耦合了人类地下水开采利用方案，发展了综合考虑地下水侧向流动与开采利用的陆面过程模式。利用上述建立的综合模型针对黑河流域进行长期模拟试验，探讨综合考虑地下水侧向流动与开采利用对陆面过程的影响，以及地下水开采利用条件下侧向流对陆面水文能量要素的影响。结果表明，考虑了地下水开采利用过程后，能够较好的模拟出人类活动影响较大的张掖、酒泉盆地的地下水位降落漏斗。中游平原区高强度地下开采利用导致地下水位下降，而地下水侧向流的辐合作用补给能力明显有限，不超过20％;平原周边地区由于地下水开采和侧向流辐散作用的共同影响导致地下水位严重下降;而上游山区与下游河岸附近侧向补给作用较强且地下水开采程度较弱，使得水位上升，其中侧向流贡献率超过85％。地下水的开采利用使得中游平原区陆地表面降温增湿，而地下水侧向流过程进一步增强了降温增湿幅度，对土壤增湿的贡献率为53％。地下水开采利用过程减弱了大部分陆面水分要素的年际变率，而侧向流过程进一步减弱了包括土壤湿度在内的各陆面水分要素的年际变率，表明地下水侧向流使得陆面水文要素的年际波动趋于平缓。\n (3)改进的考虑土壤水-地下水相互作用的土壤水数值计算方案在陆面过程模式CLM3.5与区域气候模式RegCM4/CLM3.5中的应用与评估。为了消除基于质量守恒的土壤水方程数值解法的缺陷，改进的土壤水数值计算方案在Richards方程中去掉利用地下水埋深计算的平衡态土壤水势，从而使得土壤水与地下水直接耦合。将此改进的方案应用到陆面过程模式CLM3.5与区域气候模式RegCM4/CLM3.5中，探讨其对陆面过程（离线试验）与区域气候（耦合试验）模拟的影响。结果表明，修改后的RegCM4模拟夏季降水在东北、华北、华南区域系统偏差分别减小了29.7％、28.9％、55.9％。而对夏季气温的改进相对较小，系统偏差减幅均小于10％。耦合试验模拟的东北与华北区域土壤湿度变率与观测变率更加接近，相关系数明显提高。由于考虑了大气反馈作用，耦合试验模拟的多年平均夏季土壤湿度空间分布差异与离线试验差异存在明显的地域性差别。耦合试验中土壤湿度明显差异为偏干的青藏高原与偏湿的华北地区，而离线试验中明显差异是偏湿的西北地区与偏干的青藏高原北部地区。离线试验中偏湿的西北地区降水由于水汽辐散而减少，而降水的减少导致土壤湿度减小，蒸散发减小，从而进一步减少降水。

关键词：地下水侧向流动资源利用土壤水数值计算陆面过程模式

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10层陆面过程模式及其Offline独立试验

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南京气象学院学报 2005年第6期28卷 730-738页

作者：周文艳罗勇郭品文南京信息工程大学大气科学系江苏南京210044 中国气象局国家气候中心气候研究开放实验室北京100081

利用西伯利亚地区的一个试验点资料和1998年中国淮河流域试验(HUBEX)的加密观测资料,对一个新发展的陆面过程模式进行了模拟检验。西伯利亚地区的单点试验表明,不同时间间隔的边界强迫对地表吸收的净短波辐射和释放的潜热影响较大。淮... 详细信息

利用西伯利亚地区的一个试验点资料和1998年中国淮河流域试验(HUBEX)的加密观测资料,对一个新发展的陆面过程模式进行了模拟检验。西伯利亚地区的单点试验表明,不同时间间隔的边界强迫对地表吸收的净短波辐射和释放的潜热影响较大。淮河流域的模拟结果表明,模式能够较好地模拟出我国夏季半湿润地区陆面特征量的变化趋势。由于模式模拟的地温偏低、净短波辐射偏小,所以模拟的感热和潜热值偏小。对该模式在淮河流域的植被、土壤等参数的合理选取可能会提高模式的模拟效果。

关键词：陆面过程模式西伯利亚地区淮河流域 Offline独立试验

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一种陆面过程模式对径流的模拟研究

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气候与环境研究 2002年第4期7卷 423-432页

作者：苏凤阁郝振纯中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟实验室北京100029 河海大学水资源开发利用国家专业实验室南京210098

径流在陆面模式水量平衡计算中占有重要地位,它不但与土壤水的动态变化有关,而且会影响感热,潜热等其他通量的计算结果。作者针对陆面过程模式AVIM(At-mosphere Vegetation Interaction Model)对产流描述的不足,改进模式中对径流的参数... 详细信息

径流在陆面模式水量平衡计算中占有重要地位,它不但与土壤水的动态变化有关,而且会影响感热,潜热等其他通量的计算结果。作者针对陆面过程模式AVIM(At-mosphere Vegetation Interaction Model)对产流描述的不足,改进模式中对径流的参数化方法。并将改进后的模式用于内蒙古的锡林河流域,以检验模式对径流的模拟能力。1991～1994年的径流模拟结果表明,改进后的模式对径流的模拟有较好的改善。

关键词：陆面过程模式参数化径流土壤潜热感热降水气温

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考虑地下水侧向流动与人类取水用水的陆面过程模式及其与气候模式的耦合研究

考虑地下水侧向流动与人类取水用水的陆面过程模式及其与气候模式...

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作者：曾毓金中国科学院大学

学位级别：博士

地下水侧向流动和人类取水用水改变土壤含水量，影响陆面和大气之间的水分能量交换，从而影响气候。然而，现有的用于气候模拟的陆面过程和气候系统模式缺乏对地下水侧向流动和人类取水用水过程的描述。本博士论文的研究目标是构建考虑... 详细信息

地下水侧向流动和人类取水用水改变土壤含水量，影响陆面和大气之间的水分能量交换，从而影响气候。然而，现有的用于气候模拟的陆面过程和气候系统模式缺乏对地下水侧向流动和人类取水用水过程的描述。本博士论文的研究目标是构建考虑地下水侧向流动和人类取水用水作用的陆面过程和气候系统模式，研究并揭示地下水侧向流和人类取水用水活动对陆面过程以及全球气候的影响。围绕上述研究目标，本论文在模型发展，模型验证以及模型应用等方面开展研究，主要结果与结论如下:　　(1)研制了考虑河流输水影响的河岸生态水文模式。将土壤水流分解为以垂向流为主的非饱和土壤水运动和侧向流为主的地下水运动，由此将河岸剖面地下水埋深与土壤含水量估计归结为求解二维运动边界问题得到拟二维地下水流模型，并将其与陆面过程模式CLM4.5耦合，构建考虑河流输水影响的河岸生态水文模式。将其应用于干旱区黑河中下游5个河流断面2012-2013年进行数值模拟与验证，模式运行分辨率为60m，结果显示，河流输水作用显著改变河岸水循环过程。干旱区河水对地下水的侧向补给抬升河岸地下水位(最高20m)，增加土壤含水量～0.1m-3m3和蒸散发～3mm day-1，改善河岸生态环境。河道输水提高河流两岸植被总初级生产力0.03mgC m-2s-1和净初级生产力0.01mgC m-2s-1。河道侧向补给的影响范围大约在距离河道1-km内的河岸，距离河道越近，侧向补给效应越强。研究结果加深了对干旱区河岸碳水循环过程的认识，为合理生态输水提供了科学支持。　　(2)构建了考虑地下水侧向流动和人类取水用水影响的流域生态水文模式。将饱和土壤水分运动分解为以垂向流为主一维非饱和土壤水运动和以侧向流为主的水平二维地下水运动，从而构建拟三维地下水流模型，并将其与陆面过程模式CLM4.5相耦合，针对黑河流域研制考虑地下水侧向流动和人类取水用水影响的流域生态水文模式。将所研制模式应用于干旱区黑河流域2003-2013年进行数值模拟与验证，模式运行分辨率为1-km，结果显示模型模拟的合理性，且地下水侧向流使黑河流域上游山脊地区地下水位埋深变深，上游山谷地区和中下游平原地区地下水位埋深变浅。在模拟时段内，人类地下水抽取使中游开采区地下水位下降～2m，陆地水储量减少，人类河道引水使中下游河道流量降低。农业灌溉使灌区土壤湿度升高～0.1m3m-3，蒸散发升高～60W m-2。地下水侧向流可以补给地下水超采产生的地下水漏斗，减缓水位下降趋势。　　(3)研制了考虑地下水侧向流动和人类取水用水影响的全球陆面过程模式。基于发展的流域生态水文模式，将陆面模式分辨率加粗为1°，地下水模型分辨率保持为1-km，设计尺度转换方案、并行方案、海陆边界交换方案，将模式从流域托管至全球，并对1965-2010年进行数值模拟与验证。结果显示，模式能够较好地模拟地下水位动态变化。在模拟时段内，地下水超采使美国中部、中国华北和印度北部地区水位降低0-7m，陆地水储量减少。灌溉使灌区土壤含水量和潜热通量升高，地表温度和感热通量降低，地表径流增加。地下水侧向流对地下水漏斗的补给能力与含水层厚度有密切联系:当含水层厚度小于7m时，地下水侧向流对地下水漏斗的补给能力随着含水层厚度而增加;当含水层厚度大于7m时，地下水侧向流对地下水漏斗的补给能力固定在200-400mm yr-1之间。研究结果表明在全球关键区域，如美国、中国和印度，水资源可持续利用面临严峻挑战。　　(4)发展了考虑地下水侧向流动和人类取水用水影响的气候系统模式。将发展的陆面模式作为气候系统模式CESM1.2的陆面分量，发展了考虑地下水侧向流和人类取用水的全球气候系统模式，将其应用于1976-2005年进行陆-气耦合模拟。陆面和大气模式运行分辨率为1°，地下水模型为1-km。结果显示，地下水侧向流动使南美洲北部地区和中东北部地区850hPa等压面降温0-0.4℃，南美洲北部哥伦比亚、委内瑞拉、乌拉圭等地区夏季降水增加～1mm day-1，巴西北部亚马逊流域地区和美国西部地区夏季降水减少～1mm day-1.人类地下水取用水使印度北部地区850hPa等压面降温0-0.4℃.在地下水开采严重区，美国中部和中国华北地区夏季降水增加0.1-0.3mm day-1，这是灌溉增强蒸散发再通过陆-气相互作用增强对流性降水导致的;印度北部地区降水减少0.1-0.5mm day-1，这是灌溉减少海陆热力差异从而减弱印度季风导致的。

关键词：气候学地下水侧向流动人类活动陆面过程模式生态水文模式

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陆面过程模式中冻土模式的研究

陆面过程模式中冻土模式的研究

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第六次全国动力气象学术会议

作者：李倩孙菽芬中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室

陆面过程对天气和气候变化有着重要的影响。而占陆地表面很大面积的冻土是重要的下垫面之一,其与大气间水热,辐射及微量气体的交换会对全球环境及气候变化产生极其重要的影响。但目前陆面过程模式对冻土区的模拟能力有待提高。本文主要... 详细信息

陆面过程对天气和气候变化有着重要的影响。而占陆地表面很大面积的冻土是重要的下垫面之一,其与大气间水热,辐射及微量气体的交换会对全球环境及气候变化产生极其重要的影响。但目前陆面过程模式对冻土区的模拟能力有待提高。本文主要是对已有的冻土模型中不合理的地方进行改进和完善,: (1)在已有的水热平衡方程的基础上,推导了上边界是雪盖情况下的水热平

关键词：陆面过程模式

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陆面过程模式中冻融界面动态变化的研究

陆面过程模式中冻融界面动态变化的研究

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第35届中国气象学会年会

作者：李锐超谢正辉高骏强谢瑾博刘斌王龙欢王妍中国科学院大气物理研究所

冻土是冰冻圈的重要组成部分,也是陆面生态系统中极其重要、不可忽视的下垫面。土壤冻结/融化界面位置的变化影响陆地生态碳循环过程以及局部甚至全球气候变化。获取准确的冻结/融化深度信息对地表能量平衡、高寒生态、水文径流和碳循... 详细信息

冻土是冰冻圈的重要组成部分,也是陆面生态系统中极其重要、不可忽视的下垫面。土壤冻结/融化界面位置的变化影响陆地生态碳循环过程以及局部甚至全球气候变化。获取准确的冻结/融化深度信息对地表能量平衡、高寒生态、水文径流和碳循环等有重要作用。本研究我们将考虑冻融界面动态变化的冻土参数化方案耦合到陆面过程模式中,并对其模拟能力进行了初步验证。结果表明:考虑冻融界面变化的陆面过程模式可以稳定、准确地模拟出冻融界面的动态变化。

关键词：冻土冻融界面陆面过程模式

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