对陆面过程模型CoLM中关键参数的修正_刘永强

612
干
旱
区
研
究
31 卷
漠腹地的地表动力学粗糙度、 地表反照率和土壤导 热率进行了初步分析。 Liu 等
〔7 〕
200 km 以上的大气环境综合观测试验站， 是流动沙 漠大气近地层湍流探测实验基地 。 塔中气象站 1996 —2008 年的气象数据表明： 塔 月平均气温 7 月最 中地区的年平均气温 12． 1 ℃ ， 1 月最低， 为 28． 4 ℃ ， 为 － 9． 8 ℃ 。 年平均风速 高， －1 均在 2． 5 m·s 以下， 月平均风速的年变化仅有单 峰值一般出现 6 —7 月， 风速可达 3． 0 m · s 左 峰， 北东北、 右。塔中地区春夏季都盛行偏东风。其中， 东北、 东东北和东 4 个风向占到年风向的 59． 5% ， 〔8 〕 年沙尘天气日数平均为 97． 4 d 。 本文数据来源于塔中站西北 2． 2 km 处的塔中 A 站（ 38°58'N， 83°38'E ， 海拔 1 093 m） ， 该试验场地 平坦开阔， 在试验场的东南方向 1 km 处有一条沙 垄， 沙垄与试验场的平均高差达 30 m， 由于该沙垄 对观测 走向与塔中地区的主导风向一致且距离远 ， 试验并无影响。 塔中 A 站主要观测项目有风、 温、 湿梯度， 辐射分量， 土壤温度、 湿度和土壤热通量， 风、 温、 湿脉动超声 （ 表 1 ） 。 观测数据周期从 2008 年 10 月 1 日至 2009 年 9 月 30 日， 部分数据因仪器 故障导致缺失， 数据模拟采用 30 min 的平均数据。
ＲH 为相对湿度（ relative humidity） ； VWC 为体积含水量（ volumetric water content） ； U x ， Uy ， U z 分别为风速在空间坐标系 x，y，z 方向的分量。
2
CoLM
量和地表 温 度 模 拟 中 的 缺 陷， 在一定程度上改善 GＲAPES 的模拟性能。 CoLM 是国际上的主流陆面 CoLM 包含了对陆面几大主要过程 过程模型之一， 的精细描述， 它已与数个国际主流全球和区域气候 模式耦合， 结果表明， 它们的耦合能在较大程度上提
CO2 / H2 O 脉动 短波、 长波辐射
3 m 1． 5 m
Licor 7500 Kipp ＆ Zonen CNＲ － 1
H2 O 为 0 ～ 42 g·m － 3 采样频率： 20 Hz， 量程： CO2 为 0 ～ 5 000 mg·m － 3 ， CM3 ： 响应时间 18 s， 线性错误 ＜ 25 W · m － 2 ， 光谱范围： 305 ～ 2 800 nm， 日曝辐量精度： ± 10% ； CG3 ： 响应时间 18 s， 线性错误 ＜ 25 W · m －2， 光谱范围： 50 ～ 500 nm， 日 曝 辐 量 精 度： ± 10% ； 工 作 温 度： － 40 ～ 70 ℃
Meteorological observation system at Tazhong site A
传感器类型 Metone 010C
Metone 020C Vaisala HMP45D Campbell 109L Campbell CS616 Hukseflux HFP01 Campbell CSAT3
〔2 － 3 〕
的地表粗糙度、 地表反照率、 地表比辐射率和土壤导 热率的参数值， 或参数化方案在沙漠下垫面的模拟 效果与观测数据之间的差异， 重新校正参数值， 修正 改进并提高 CoLM 在沙漠地区的模拟 参数化方案， 能力。在此之前， 刘永强等
〔6 〕
， 对
我国西北干旱区地表陆面过程参数的确定取得进
第 31 卷 第 4 期 2014 年 7 月
干 旱 区 研 究 AＲID ZONE ＲESEAＲCH
Vol． 31 No． 4 July 2014
doi： 10． 13866 / j． azr． 2014． 04． 05
对陆面过程模型 CoLM 中关键参数的修正
刘永强
1， 2， 3 5 ， 艾力·买买提明4 ， ， 何
〔10 〕
采用超声风温脉动数 具有普适性。为了提高精度， 据计算法， 利用中性、 稳定和不稳定条件下的全部数 据， 选择有稳定度修正项 Ψ m 的风速廓线方程 （ 3 ） ， 得到计算 z0m 的方程（ 4 ） 。 U= u* k
和 IAP94
〔11 〕
的基础上建
立起来的陆面模式。 CoLM 汲取了这 3 个模型的优 点， 考虑了陆面的生态、 水文等过程， 对土壤—植被— 积雪—大气之间能量与水分的传输进行了较好的描 述。模式有一个基于 LSM 的可以实现光合作用的 植被层和一个底部达到 3． 43 m 深的 10 层不均匀的 垂直土壤层。模式中的土壤水热性质参数化方案取 Clapp 等 及 Cosby 等 的参数化 自 Farouki 、 方案。CoLM 的单点离线运行有 3 个过程： ① 根据 单点的经纬度， 将地表分成更小的网格， 并从地表类 型数据库中获得地表和土壤的数据 ； ② 可以输入初 湿度数据， 修改一些特征参数初始值， 如 始土壤温、 动力学粗糙度等； ③ 模拟运行输出结果。
我国是受风沙侵蚀灾害比较严重的国家 。我国 北方有 2． 67 × 10 km 的荒漠化土地， 由东向西分 4 大沙地及黄土高原和大面积的荒 布着 8 大沙漠、 这些区域是我国生态与环境极其脆弱的地 山荒地， 区， 它对气候变化和人为因素影响的反应十分敏感 ， 也是我国影响范围最广的沙尘暴多发区 。对大范围 荒漠化土地进行准确的天气预报 ， 除了需要密度高、 质量好的观测数据外， 对大气模式的模拟和预报能 力提出了更高的要求。 Dickinson
塔克拉玛干沙漠是世界第 2 大流动沙漠， 面积
3． 38 × 10 5 km2 ， 约占中国沙质沙漠面积的 1 /2 ， 从其 自然特征来说， 在我国沙漠中具有独特性和典型性 。 首先是气候极端干旱， 年降水量在 60 mm 以下， 沙 漠东部甚至在 10 mm 以下， 干燥度 24 ～ 60 。其次是 占整个沙漠面积的 85% ； 第 流动沙丘大面积分布， 有 1 /2 的面积都是高大沙丘复 三是沙丘形态复杂， 合体。塔克拉玛干沙漠大气环境综合观测试验站 （ 塔中站 ） ， 是目前世界上唯一深入流动沙漠腹 地
已经对塔克拉玛干沙
①
收稿日期： 2013 － 03 － 25 ； 修订日期： 2013 － 05 － 23 41175140 ） ； 科技部公益性 （ 气象 ） 科研专项 （ GYHY201306066 ） ； 中国沙漠气象科学研究基 基金项目： 国家自然科学基金项目（ 41265002 ， 金项目（ Sqj2009012 ） mail： Lyqxju@ 163． com 作者简介： 刘永强（ 1969 － ） ， 男， 博士， 副教授， 主要从事陆面过程参数化与模拟研究． Email： qinghe@ idm． cn 通讯作者： 何清． E611 － 618 页 http： / / azr． xjegi． com
表1 Tab． 1
项目 风速 风向 空气温、 湿度 土壤温度 土壤湿度 土壤热通量 风脉动 高度或深度 0． 5 ， 1， 2， 4， 10 m 2， 10 m 0． 5 ， 1， 2， 4， 10 m 0． 05 ， 0． 1 ， 0． 15 ， 0． 2 ， 0． 4 cm 0． 025 ， 0． 1 ， 0． 2 ， 0． 4 cm 0． 025 ， 0． 5 ， 0． 8 cm 3 m
wk.baidu.com
①
清
4， 5
（ 1． 新疆大学资源与环境科学学院 ， 新疆 乌鲁木齐 830046 ； 2． 绿洲生态教育部重点实验室 ， 新疆 乌鲁木齐 830046 ； 3． 新疆大学智慧城市与环境建模重点实验室 ， 新疆 乌鲁木齐 830046 ； 4． 中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所 ， 新疆 乌鲁木齐 830002 ； 5． 塔克拉玛干沙漠大气环境观测试验站 ， 新疆 塔中 841000 ） 摘 要： 通过对塔克拉玛干沙漠腹地观测数据的分析和模拟 ， 重新修正了陆面过程模型 CoLM 中的关键参数值和
－1
分析了地表比辐射
率和地表热力学粗糙度， 并模拟了炎热期 45 d 的数 据。鉴于此， 本文通过对陆面过程关键参数及参数 化方案的改进， 采用新方法重新分析了地表动力学 粗糙度长度， 精确了地表比辐射率， 将地表反照率由 同时进行了一年期的数 参数值改变为参数化方案， 据模拟和逐月的误差分析。
1
试验站点和数据
塔中 A 站气象观测系统
仪器设备主要参数 测量范围： 0 ～ 60 m·s － 1 ， 启动风速： 0． 22 m·s － 1 ， 精度： ± 1% （ 0． 3 －1 m· s ） ， 工作温度： － 50 ～ 65 ℃ 测量范围： 0 ～ 360° ， 启动风速： 0． 22 m·s － 1 ， 精度： ± 1% ， 工作温度： － 50 ～ 65 ℃ 测量范围： － 40 ～ 60 ℃ ， 精度： ± 0． 2 ℃ （ 20 ℃ ） ； 量程： 0 ～ 100% ＲH ± 0． 5 ℃ （ － 50 ℃ ） 测量范围： － 50 ～ 100 ℃ ， 精度： ± 0． 2 ℃ （ 0 ～ 70 ℃ ） ， 测量精度： 0． 05% VWC， 分辨率： 0． 1% VWC 灵敏度： 50 μV·W － 1 ·m － 2 ， 精度： ≤3% ， 温度范围： － 30 ～ 70 ℃ 采样频率： 20 Hz， 风速量程： 0 ～ 30 m · s － 1 ， 精度： U x 和 U y 均小于 ± 4． 0 cm·s － 1 ， U z ＜ ± 2． 0 cm · s － 1 ， U y 为 0． 01 m · 分辨率： U x ， s －1， U z 为0． 005 m·s － 1 ， 声速为 0． 01 m·s － 1
〔5 〕 公共陆面模型 CoLM （ common land model ） 中已有
认为， 改进和完善陆面过程模式是
提高大气模式模拟和预报能力的重要方面 。通过野 外观测试验， 研究陆面和大气之间的各种物理 、 化学 和生物过程， 确定能真实反映陆—气相互作用的参 数值或参数化方案是改进和完善陆面过程模式的重 要方法。因此， 耦合在中尺度数值预报模式的陆面 过程， 对陆—气交互过程的描述能力在数值预报精 度中发挥着至关重要的作用。 已有的陆面过程试验对干旱半干旱区的研究相 对不足， 而干旱区陆面过程的参数化是大气数值模 通过黑河和敦煌试验 式的薄弱环节。虽然，
〔1 〕 6 2
展， 但是， 在荒无人迹的塔克拉玛干沙漠地区， 由于 以前观测资料少， 对其陆面过程规律的认识还相对 有限， 陆面过程参数也未能很好地确定 ， 甚至部分参 数没有任何观测数据支持。 张强等
〔4 〕
认为， 在国际
上主要的大气模式中， 我国西北干旱区网格点上基 本是用类似区域的陆面过程参数化方案来代替 ， 这 也许正是大多数模式对该区域预报不准确的原因之 一。因此， 在沙漠下垫面开展陆面过程综合观测试 验， 通过现场数据校正陆面过程关键参数值 ， 改进其 由此来推动中尺度数值预报模式的预 参数化方案， 报精度具有非常重要的科学意义 。 本文以新疆塔克拉玛干沙漠腹地流动沙漠为研 究区域， 开展陆面过程观测和模拟试验， 通过研究沙 漠近地面湍流通量的变化特征、 地气间的能量交换， 分析沙漠陆面过程的关键参数和参数化方案 。研究
选择 CoLM 是因为我国自主开发的新一代气象 数值预报体系 （ GＲAPES ） 耦合了 CoLM 及最新研发 的陆面资料， 本文希望改善 CoLM 在沙漠区地表通
4期
刘永强等： 对陆面过程模型 CoLM 中关键参数的修正
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高模式的模拟性能， 并可拓展模式在水文、 植被生态 〔9 〕 和农业 等 方 面 的 应 用 范 围。 CoLM 是 在 BATS 、 LSM（ land surface model）
Obukhov 理论， 参数化方案。① 采用涡动相关数据和 Monin对地表动力学粗糙度重新计算 ； 为提高地表比辐射率 采用两种不同的方法进行计算和比较 ； 将地表反照率参数值校正为符合年际变化的参数化方案 ； 重新选择 的精度， 符合沙漠环境的地表热力学粗糙度参数化方案 ； 改变相同的 10 层土壤导热率为不同值 。② 经过参数值的校正与 参数化方案的修正， 改善了 CoLM 在沙漠地区对地表通量 、 地表和土壤温度模拟的缺陷 ； ③ 改善后的 CoLM 模拟值 与观测值的标准误差小于改善前 ， 但不同季节模拟改善效果存在差异 ， 总体上冬季的标准误差小于其他季节 。 关键词： CoLM 模型； 参数； 参数化方案； 陆面过程； 塔克拉玛干沙漠