考虑植被覆盖度和根围效应的青藏高原陆面模式改进研究

发布时间：2020-05-26 19:58

【摘要】：青藏高原的陆面过程对亚洲季风的爆发和发展有着重要的影响,因此改进青藏高原陆面模式的参数化方案具有十分重要的意义。论文首先利用中国高时空分辨率地表气象数据驱动CoLM陆面模式,开展青藏高原陆面过程模拟,并利用三个观测网的实测数据对模拟结果进行了评估,发现CoLM陆面模式对土壤温度和湿度的时间变化趋势模拟比较可靠,但是在草地覆盖区,模式模拟的土壤温度明显偏高。根据青藏高原的实际特点,本论文从三个方面对搭建的CoLM模式进行了改进:1)使用最新的土壤质地数据并考虑有机质的影响以改进土壤参数的设置。结果表明,土壤质地的改变主要影响青藏高原干旱区以及深层土壤的土壤湿度模拟结果;考虑土壤有机质则会改善草地表层土壤的土壤湿度模拟结果。但是,对土壤参数的改进对土壤温度的模拟结果影响不大。2)开发了一个基于遥感植被聚集度指数(CI)和叶面积指数(LAI)的动态植被覆盖度参数化方案(SMFVC)。相对于默认方案,SMFVC改进了模式土壤温度的模拟,5 cm土壤温度模拟的RMSE最大降幅可达到10.6℃;SMFVC对青藏高原夏季地表反照率的模拟精度也有所提高。此外,相对于基于遥感数据的参数化方案(RSFVC),SMFVC对模型的模拟结果的改进更明显,消除了RSFVC对夏季土壤温度的高估。3)开发了一个考虑植被根围效应的“大根”模型,以改进土壤湿度的模拟精度。结果表明,“大根”模型对青藏高原植被覆盖区土壤湿度的模拟优于原始模型,减小了原始模型对土壤非冻结期表层土壤湿度的低估。当“大根”模型中根围半径取最优值时,那曲和玛曲观测网的5 cm土壤湿度模拟的RMSE分别降低了0.03 m~3 m~(-3)、0.04 m~3 m~(-3)。同时,研究还发现根围最优半径与土壤有机质之间存在显著的线性关系。本研究通过在CoLM陆面模式中引入新的植被覆盖度参数化方案(SMFVC),以及“大根”模型,分别改进了模式对地表能量收支和水分收支的模拟精度,显著地提高了土壤温度和湿度的模拟效果。这两个参数化方案可以方便地移植到其他的陆面模式和地球系统模式中,有望进一步改进模式在高寒区的草地下垫面的综合表现。
【图文】：

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第 1 章绪论状况的空间差异也造就了青藏高原的地表覆盖明显的空间变化。从 1997 年开始，科学家在青藏高原开展了一系列的科学观测实验，包括GEWEX（Global Energy and Water cycle Experiment，全球能量与水循环实验）亚洲季风实验-青藏高原计划（GAME-Tibet）[22]，青藏高原大气科学实验（TIPEX）[23]，青藏高原地区 CEOP 亚洲-澳洲季风计划（CAMP-Tibet）[24]以及青藏高原观测与研究平台（TORP）[25]。这些观测的共同目标是帮助科学家更好地理解青藏高原的水循环和能量循环，，同时研究青藏高原在亚洲季风系统中的具体作用。毫无疑问，这些观测大大推进了青藏高原陆面过程的研究进展[26-30]。但是，因为模型和观测之间的衔接问题，这些观测所得到的宝贵数据还没有被充分应用到陆面模式研究中[21]，这也是现阶段青藏高原陆面过程的研究中需要克服的问题之一。

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11图 1.2 论文的研究思路与主要内容本论文的主要章节安排如下：第二章主要介绍本研究中所使用的陆面模式、评估高分辨率陆面模式的过程中使用的数据，以及初步评估结果。本研究中使用的驱动数据是中国科学院青藏高原研究所提供的中国区域的 CMFD 数据。研究中使用 CMFD 数据对模型进行 30年的预热以及 4 年的模拟，利用实测数据评估模型，指出高分辨率模型的不足以及可能原因。第三章通过使用中山大学全球变化研究小组发布的土壤质地数据对模式中原有的土壤质地数据进行替换，同时在计算土壤水热参数时考虑土壤有机质的影响，初步改进所高分辨率陆面模式的模拟效果。第四章的主要内容是改进所高分辨率模式中陆面植被覆盖度的参数化方案。用两种新的参数化方案代替了模式中原有的仅基于地表覆盖类型的参数化方案。
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：Q948.113;TP79

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