不同陸面模式對(duì)地表熱力過程模擬的比較

不同陸面模式對(duì)地表熱力過程模擬的比較

1陸面模擬系統(tǒng)模型陸面約占地球表面的29%。陸面過程是地球系統(tǒng)過程中不可或缺的一部分。陸面和大氣之間存在復(fù)雜的相互作用,陸面不同的植被覆蓋、地表粗糙度、反射率、土壤特征等影響著地-氣間的能量、動(dòng)量和物質(zhì)的交換,從而影響大氣中的溫度、水汽、云量等,進(jìn)而對(duì)區(qū)域或全球的天氣和氣候產(chǎn)生影響。陸面過程描述的不完備性會(huì)影響氣候模式的模擬性能,準(zhǔn)確地描述陸面過程不僅可以改善天氣和氣候預(yù)測(cè),還對(duì)減災(zāi)(水災(zāi)和旱災(zāi))、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水資源管理等都具有重要意義。能否準(zhǔn)確描述陸面過程取決于對(duì)陸面物理過程的參數(shù)化方案、精確的模型參數(shù)及高質(zhì)量的驅(qū)動(dòng)場和初始場等。模式對(duì)能量傳輸?shù)恼_描述是對(duì)陸面過程準(zhǔn)確模擬的關(guān)鍵,凈輻射是指地表輻射收支的剩余量,也是潛熱通量、感熱通量、土壤熱通量以及湍流摩擦的總和。生態(tài)脆弱的干旱區(qū)和半干旱區(qū)的陸面過程特征一直是研究的熱點(diǎn),新疆屬于典型干旱區(qū),位于中國西北部,處于中國大氣環(huán)流的上游。近50年來,西北干旱區(qū)氣候變暖顯著,施雅風(fēng)等研究發(fā)現(xiàn),自1987年起新疆以天山西部為主的地區(qū)出現(xiàn)了氣候轉(zhuǎn)向暖濕的強(qiáng)勁信號(hào),降水量、冰川消融量和徑流量連續(xù)多年增加,并提出我國西北氣候可能從20世紀(jì)的暖干向暖濕轉(zhuǎn)型。左洪超等也指出,新疆地區(qū)降水量的增加趨勢(shì)在范圍和強(qiáng)度上在全國都是最大的,然而近20年降水增加的原因尚不清楚。通常我們從兩個(gè)方面研究區(qū)域氣候變化的原因:(1)區(qū)域變化的大尺度氣候背景;(2)區(qū)域尺度的地-氣相互作用。新疆作為全球典型的干旱區(qū)之一,它的降水變化除受大尺度西風(fēng)氣流影響外,局地的陸-氣相互作用也可能是影響降水變化的一個(gè)重要因素。關(guān)于大尺度環(huán)流和該地區(qū)降水的關(guān)系,何金海等、李棟梁等、戴新剛等已經(jīng)做了比較深入的研究,但該地區(qū)地-氣相互作用因缺乏資料而研究甚少?；谝陨显?本文利用新疆地區(qū)大氣觀測(cè)資料建立驅(qū)動(dòng)場,采用多種陸面模式對(duì)新疆地區(qū)陸面過程變化的特征進(jìn)行研究。我們利用新疆地區(qū)的實(shí)際氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)建立陸面模式的驅(qū)動(dòng)場,用以驅(qū)動(dòng)下節(jié)將介紹的陸面模式BATS、LSM、CoLM,然后對(duì)三個(gè)模式的模擬結(jié)果進(jìn)行集成分析,從而在一定程度上彌補(bǔ)不同模式參數(shù)化方案的差異對(duì)模擬的影響。基于這一思想,本文對(duì)1960-2005年新疆區(qū)域地表過程進(jìn)行了初步的模擬研究。2體輸運(yùn)過程及其技術(shù)特征陸面模式的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段,第一階段的模式特征是水箱模式,利用空氣動(dòng)力學(xué)總體輸運(yùn)原理和簡單的地表參數(shù)化方案來描述地表蒸發(fā)、土壤水分和地表徑流的陸面參數(shù)化過程。第二階段在陸面過程模式考慮了生物圈的作用。第三階段不僅考慮了土壤、植被和大氣之間的物質(zhì)能量交換過程,還對(duì)植被的生物化學(xué)過程進(jìn)行了描述。本文采用以下3個(gè)模式。2.1基于互作用的土壤溫度算法BATS模式在植被冠層的處理上采用了“大葉”模型,屬于第二代陸面過程模式,在陸-氣相互作用過程中考慮了生物圈的重要性,其中土壤溫度算法采用Dickinson等提出的考慮雪和土壤溫度非均勻性的廣義強(qiáng)迫恢復(fù)法,土壤水分則采用的是Dickinson等發(fā)展的算法。陸面過程分層為1層雪蓋、1層植被、3層土壤(分別為0.1,1,10m土壤層)。2.2土壤溫度和濕度LSM是由Bonan于1995年發(fā)展的考慮了碳循環(huán)的陸面過程模式,屬于第三代陸面過程生化模式,它具有1層植被、6層土壤(分別為0.05,0.20,0.50,1.10,2.30和4.70m),土壤溫度的計(jì)算方法采用了土壤熱傳導(dǎo)方程,土壤濕度采用Darcy定理進(jìn)行計(jì)算。2.3第三代陸面過程模式由戴永久等發(fā)展的CoLM模式,綜合考慮了BATS,LSM,IAP94等模式的參數(shù)化過程,并對(duì)水文等一些物理過程作了改進(jìn),也屬于第三代陸面過程模式。模式具有1層植被、10層土壤(0.0071006,0.0279250,0.062258,0.118865,0.212193,0.3660658,0.6197585,1.038027,1.727635和2.864607m)和最多5層雪蓋,土壤分層更加細(xì)致。其土壤溫度計(jì)算方法采用了土壤熱傳導(dǎo)方程,土壤濕度采用的計(jì)算方法是Darcy定理。3研究區(qū)和研究方法新疆地區(qū)地處中國西北部,地形特征可以概括為“三山夾兩盆”,從南至北的地形分布為昆侖山脈、塔里木盆地、天山山脈、準(zhǔn)噶爾盆地、阿勒泰山脈,天山東南部為吐魯番盆地,全區(qū)地形起伏很大,氣候特征比較復(fù)雜。新疆位于歐亞大陸中心,是典型的干旱地區(qū),降水少并有全國最大的塔克拉瑪干沙漠。本文利用以上三個(gè)陸面模式對(duì)新疆地區(qū)共99個(gè)測(cè)站分別作了單點(diǎn)氣柱模擬,站點(diǎn)分布如圖1所示。從圖1中可以看出,準(zhǔn)噶爾盆地和塔里木盆地的腹地站點(diǎn)分布稀疏,在兩個(gè)盆地的邊緣以及天山山脈分布較稠密,新疆的東南部站點(diǎn)稀少。為了研究空間場的特征,本文應(yīng)用克里格插值方法將站點(diǎn)信息插值到格點(diǎn)上,克里格方法對(duì)于沒有觀測(cè)值處的估值相對(duì)于其他插值方法來說有一定的優(yōu)越性,它的估值精度比普通平均法高,并且克里格方法可以避免系統(tǒng)誤差的出現(xiàn),給出估計(jì)誤差和精度。本文采用的是新疆氣象局提供的99個(gè)測(cè)站的1960-2005年共46年的氣象觀測(cè)資料,包括氣溫、氣壓、降水、風(fēng)速(u,v)、比濕,太陽輻射資料來自于Qian等全球驅(qū)動(dòng)場。大氣長波逆輻射資料應(yīng)用Swinbank、Jacobs的方法計(jì)算獲得。其中Eclear為晴空時(shí)的大氣長波逆輻射,T0為大氣溫度;Ecloud為有云時(shí)的大氣長波逆輻射,C為云量。我們對(duì)以上8個(gè)大氣變量用5次多項(xiàng)式插值法建立每日8次陸面模式的驅(qū)動(dòng)場,以1.5°×1.5°的土壤顏色和1°×1°的土壤質(zhì)地資料作為邊界條件,對(duì)新疆地區(qū)的陸面過程進(jìn)行了模擬對(duì)比研究,以檢驗(yàn)各模式在干旱區(qū)的模擬性能,了解新疆地區(qū)陸-氣相互作用的特征。4與其他模式對(duì)比分析從圖2a可以看出,三個(gè)模式模擬的吸收太陽輻射總體年際變化趨勢(shì)非常一致,BATS和LSM的模擬值大小相近,CoLM模擬值偏高,產(chǎn)生差異的原因主要是因?yàn)樵诓煌年懨婺Ｊ街?它們的一些參數(shù)取值存在差別。CoLM吸收的短波輻射模擬值比另外兩個(gè)模式大。BATS和CoLM模擬值的相關(guān)系數(shù)為0.953,且通過了0.01顯著性水平檢驗(yàn);BATS和LSM的相關(guān)系數(shù)為0.848,CoLM和LSM的相關(guān)系數(shù)為0.875,均通過了0.05顯著性水平檢驗(yàn)。從圖2中可以清楚地看到,新疆地區(qū)46年來吸收的太陽輻射呈現(xiàn)波動(dòng)變化,但總體趨勢(shì)平穩(wěn)。感熱通量輸送的產(chǎn)生是由于土壤表面和其上的大氣溫度的差異造成的,圖2b是表示三個(gè)陸面模式模擬的感熱通量。從圖中可以看出,三個(gè)模式模擬的波動(dòng)幅度稍有差別,年際變化趨勢(shì)非常一致,但是量值上差別較大,其中CoLM模擬值最大,最高為83.175W·m-2,LSM模擬值次之,模擬的最高值為73.770W·m-2,BATS模擬值最低,其最高值僅為60.782W·m-2。產(chǎn)生這種差異的原因是三個(gè)模式在計(jì)算通量時(shí),所采用的空氣動(dòng)力學(xué)阻抗是不同的。從模擬結(jié)果可以看出,在新疆地區(qū)感熱通量比較大,這也是干旱地區(qū)的特征。潛熱通量在植被稀疏的地區(qū)主要由地面的蒸發(fā)所決定,它能夠間接反映當(dāng)?shù)氐乃卣?。在圖2c中,三個(gè)模式在新疆地區(qū)模擬的潛熱通量無論是量級(jí)還是年際變化趨勢(shì)都非常一致,模擬的最低值為7.670W·m-2,最高值為22.074W·m-2左右。新疆地區(qū)由于土壤濕度小、降水少、植被稀少等原因,潛熱通量也很小。從表1可以看出,三個(gè)模式模擬的潛熱通量的相關(guān)系數(shù)比較高,而且都通過了0.05顯著性水平檢驗(yàn)。結(jié)合新疆地區(qū)的平均年降水量(圖2f)可以看出,在雨量多的年份,潛熱通量大,雨量與潛熱通量的變化趨勢(shì)一致。近20年來,隨新疆地區(qū)降水呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),潛熱通量也有上升趨勢(shì)。Bowen比是感熱通量和潛熱通量的比值,它不但可以反映能量到達(dá)地面后的分配與轉(zhuǎn)化,還可以從某種程度上反映模擬地區(qū)的干濕情況。當(dāng)Bowen比變大時(shí),說明所研究地區(qū)有變干的趨勢(shì);當(dāng)Bowen比變小時(shí),說明該區(qū)域有變濕的趨勢(shì)。從圖2dBowen比的關(guān)系來看,LSM和CoLM的模擬結(jié)果幾乎重合,均值是6.8,最高值為9.63,最小值是3.16;BATS模擬的Bowen比平均值是4.9,最高值是6.092,最低為2.53。從新疆地區(qū)Bowen比的年際振蕩趨勢(shì)來看,Bowen比隨時(shí)間推移趨向于減小,這是由于新疆地區(qū)降水增加,使得潛熱通量變大所致。從圖中還可以看出,BATS模擬的Bowen比遠(yuǎn)小于LSM和CoLM的模擬結(jié)果。這是由于BATS模擬的感熱通量相對(duì)于另外兩個(gè)模式偏小,模擬的潛熱通量偏大,根本原因是同能量分配相關(guān)的參數(shù)化方案的影響。由于陸面觀測(cè)資料非常少,我們只采用土壤溫度資料來驗(yàn)證三個(gè)模式在新疆地區(qū)的模擬性能。土壤溫度的觀測(cè)資料分別為地表、5cm、10cm等深度;BATS模擬的上層土壤溫度為從地表到10cm深處整層土壤溫度的平均值,我們可以近似將其看作5cm處土壤溫度;LSM土壤分為6層,分別為陸面、5cm、10cm等深度;CoLM土壤分為10層,分別為0.7,6,12cm等,我們用線性插值法近似得出5cm處土壤溫度。綜合以上,我們采用新疆地區(qū)5cm深處土壤溫度的觀測(cè)資料與三個(gè)陸面模式的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。本文采用了新疆地區(qū)5cm深處土壤溫度的觀測(cè)資料,從觀測(cè)值和模擬值的(平均值)最大值、最小值、最大溫度差、與觀測(cè)資料的相關(guān)系數(shù)和線性回歸系數(shù)以及年際振蕩趨勢(shì)和區(qū)域分布狀況來分析。如圖2e所示,三個(gè)陸面模式基本上都模擬出了新疆地區(qū)土壤溫度增加的年際變化特征,并且也較好地模擬出了20世紀(jì)80年代中后期以后土壤溫度的明顯增加。然而,從最大溫度差可以看出,3個(gè)模式模擬的土壤溫度的年際振蕩振幅都比觀測(cè)資料大。從表2中可以看出,三個(gè)模式模擬的土壤溫度不同,其中BATS的模擬結(jié)果最接近觀測(cè)值,最大溫度差為2.41℃左右,LSM模擬的土壤溫度差為2.16℃,CoLM模擬的土壤溫度偏差最大,與觀測(cè)值相差2.865℃。從模擬的土壤溫度和觀測(cè)的土壤溫度的相關(guān)系數(shù)可以看出,CoLM模擬的相關(guān)性最高。因此從這些變量的年際變化特征來看,三個(gè)模式模擬的結(jié)果有一些差別,但是總體都模擬出了年際振蕩的趨勢(shì),只是在年際振蕩振幅上有所不同。從模擬的土壤溫度與觀測(cè)資料的對(duì)比來看,BATS模擬的新疆地區(qū)的土壤溫度數(shù)值最接近觀測(cè)值,而CoLM模擬的土壤溫度的變化趨勢(shì)最接近觀測(cè)值。新疆地形比較復(fù)雜,整個(gè)地形起伏很大,對(duì)氣候狀態(tài)分布的影響比較大。從三個(gè)模式模擬的感熱通量分布(圖3)可以看出,三個(gè)模式的模擬量大致分布比較相似,但是數(shù)值相差較大。在天山以北地區(qū),BATS和LSM的模擬值比CoLM低,在天山以南地區(qū),BATS和LSM模擬的感熱通量大小比較接近,而CoLM模擬的比較大,最大可以達(dá)到110W·m-2。由圖4可以看出,三個(gè)模式模擬的潛熱通量無論從分布形式還是數(shù)值大小都很一致,極大值都在天山山脈,極小值都在新疆東南部。天山以南地區(qū),BATS和CoLM模擬的分布形態(tài)比較接近,天山以北地區(qū),LSM和CoLM模擬的數(shù)值和分布形態(tài)更接近。新疆的土壤溫度高值區(qū)在新疆的東南部和西南部。從圖5可看出,三個(gè)模式都模擬出了這一特征,但是CoLM在塔克拉瑪干沙漠地區(qū)的模擬值偏高,BATS在天山以北地區(qū)的模擬值偏低。新疆土壤溫度的低值區(qū)在天山以及新疆北部邊界地區(qū)附近,三個(gè)模式都模擬出了天山的低值中心,對(duì)于北部地區(qū)的模擬都不是很準(zhǔn)確。整體來看,LSM模式模擬出的土壤溫度的區(qū)域分布特征最接近觀測(cè)值。5模擬結(jié)果對(duì)比分析通過三個(gè)不同陸面模式在同一驅(qū)動(dòng)場和同等邊界條件下模擬結(jié)果的對(duì)比,分析了三個(gè)陸面模式在新疆整個(gè)區(qū)域上的模擬性能,得到以下結(jié)論:(1)1960-2005年間三個(gè)陸面模式對(duì)所吸收的太陽輻射、地面感熱通量的年際變化特征比較一致,其中CoLM模擬值比另外兩個(gè)模式偏大,尤其是天山以南地區(qū);BATS模擬的感熱通量在新疆偏低,特別是天山以北地區(qū);三個(gè)模式模擬的潛熱通量,BATS模擬值偏高,CoLM和LSM模擬值偏低。這可能與模式冠層計(jì)算模型不同有關(guān)系,CoLM采用了單層雙大葉模型,而另外兩個(gè)模式采用了大葉模型,對(duì)冠層描述的不同帶來了反射率、吸收率的不同,從而導(dǎo)致模式的能量通量分配差異。(2)三個(gè)模式模擬的5cm深處土壤溫度與實(shí)際觀測(cè)進(jìn)行了對(duì)比分析,BATS模擬值大約偏低1℃,LSM和CoLM大概偏高2～3℃,BATS模擬的土壤溫度數(shù)值最接近觀測(cè)值,CoLM模擬的年際變化趨勢(shì)與觀測(cè)值相關(guān)性最好;從空間分布特征來看,BATS在天山以北地區(qū)偏低,CoLM在天山以南地區(qū)偏高,LSM模擬結(jié)果與觀測(cè)一致。也就是說,CoLM模擬的年際變化特征最符合實(shí)際觀測(cè),LSM對(duì)空間分布特征模擬效果較好,B