关键陆面参数的估算和优化及其在区域模拟中的应用

发布时间：2017-04-29 06:12

  本文关键词：关键陆面参数的估算和优化及其在区域模拟中的应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：地气之间的能量、水分和物质交换是实现地表-大气相互作用的主要途径。用以描述上述过程的陆面过程模式中包含一系列涉及到地表生物、物理过程和土壤水热交换过程的众多参数。由于观测试验条件和科学认识水平的局限,现行陆面过程模式中的某些参数尚不能很好地描述下垫面地表特征,这极大地限制了模式的模拟性能提高。因此,从众多的陆面参数中甄别出对地表感热和潜热通量影响最大的关键陆面参数,进而对其进行估算和优化,可望有效地提高陆面模式的整体性能。本文基于我国北方干旱/半干旱区多个站点的野外观测资料,首先利用拓展傅里叶振幅敏感性检验方法(EFAST)分别从通用陆面模式(CoLM)43个参数和简化的简单生物圈模型(SSiB2)32个参数中甄别出对感热和潜热通量影响最大的关键参数。结果显示,无论是参数单独作用(一阶敏感性)还是考虑了参数间复杂非线性相互作用(总体敏感性)的敏感性分析结果,两个模式中敏感度前10的参数即可解释目标变量方差变化的90%以上。在这些参数中,敏感度的基本排序为地表粗糙度(Zomm),叶面积指数(LAI),与土壤水文过程有关的“b”参数,饱和水导率,根分布函数、植被覆盖分数和空气动力学阻抗。它们对地表-大气间能量收支、蒸发/蒸腾和湍流交换等过程具有重要影响,为甄别出的关键陆面参数。针对上述关键陆面参数,我们着眼于敏感度最高的地表粗糙度(Zorn)和叶面积指数(LAI),分别采用参数估算和参数优化两种方法改进。其中,参数估算结合陆面野外观测实验和大气边界层湍流交换理论,分别利用独立方法、最优参数方法和拟合法,估算了榆中站2006年～2008年和通榆退化草地和农田站2003年～2008年Z0m的值。发现三种方法的估算结果在数值上十分接近,估算的Zom表现出明显的季节和年际变化特征,反应了地表植被生长状况的季节和年际变率。对比调研发现,在现有的陆面过程模式中并不能充分地反应出这一特征。用估算的地表参数(Zom)替换模式的默认值后,成功改进了单点上对感热和潜热通量的模拟。进一步对我国半干旱区15个野外观测站7、8、9月Zom估算结果表明：同一下垫面类型Z0m在量级上基本一致,并呈现出草地—农田—森林(Zom)依次呈量级递增的趋势,这可为将单点上估算的陆面参数应用到区域尺度提供有用的信息。另一方面,对于通过观测直接或间接获取都非常困难的参数,例如：土壤“b”参数、饱和水导率和根分布函数等,我们借助于数学手段在考虑了参数物理约束的高维空间内搜索出使模拟效果与观测结果最为吻合的参数优化方法来进行优化。遗传算法是常用的参数优化算法,本文在其基础上改进了进化策略来提高优化效率、节约计算成本。为了弥补优化算法仅考虑了参数在数学上最优而缺乏物理解释的缺点,把可以通过观测手段获取的陆面参数Zom和LAI一起优化,可以利用这些参数的物理特征来筛选优化结果。结果表明,改进的遗传算法可以搜索出与模式默认参数模拟效果相当的参数组合,经过辅助判据地表温度、同种下垫面类型站点的交叉验证、参数物理验证后,筛选出的参数组合适用于本试验中半干旱区同种下垫面类型的所有站点,在多数站点的模拟效果甚至优于模式默认参数,实现了系统改进模式性能的目标。在区域尺度上,卫星遥感可以提供时空连续的高分辨率地表特征参数产品。本文利用MODIS地表分类产品和中国科学院地理与资源研究所反演的LAI产品替换区域模式WRF_NMM/SSiB2中另一关键的地表参数,叶面积指数(LAI),发现使用卫星产品以后可以明显改善模式对东亚地区夏季降水的模拟能力。特别是对于季风雨带季节性演变的模拟：模式使用默认参数模拟的雨带偏北,导致华北北部降水偏多,黄淮降水偏少；而使用卫星遥感的叶面积指数(LAI)后,由于改进了地表能量收支过程和地表温度的模拟,从而加大了中国东部南北向温度梯度。根据热成风原理,高空西风增强,进而抑制了副高过度北推,从而阻碍了雨带的虚假北移,改善了上述降水的模拟偏差。本文还讨论了陆面参数在动态植被模型SSiB4/TRIFFID开发和验证过程中的关键作用,并利用卫星遥感产品评估了SSiB4/TRIFFID对全球植被和叶面积指数的分布和演变特征的模拟性能。SSiB4/TRIFFID全面地考虑了地表植被生长、竞争和演替过程,模拟性能优良。但其主要的验证工作限于北美地区,且对美国东部夏季LAI存在严重低估。本文首先将SSiB4/TRIFFID的应用推广到全球,调整了C3植物的光合作用最佳温度,从而改善了默认参数对东亚大草原、印度半岛等地区植被模拟的偏差。其次,增加了落叶阔叶林这一植被类型,并根据植物的生物、物理特性给出了描述这一类型的相关地表参数,成功地修正了原模式对美国东部LAI的低估。
【关键词】：陆面参数 参数敏感性试验 参数估算 参数优化 区域模式 动态植被模型
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P435
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-16
• 第一章 绪论16-29
• 1.1 陆-气相互作用研究的重要性及现状16-18
• 1.2 陆面过程模式18-20
• 1.3 陆面参数20-27
• 1.3.1 陆面参数的重要性20-24
• 1.3.2 陆面参数的确定及存在的问题24-27
• 1.4 研究区域27
• 1.5 本文研究思路及章节设置27-29
• 第二章 资料、方法与模式介绍29-38
• 2.1 野外观测资料29-33
• 2.2 区域研究所需的再分析和遥感数据33-34
• 2.3 动态植被模型用到的驱动和验证数据34-35
• 2.4 陆面与区域模式介绍35-38
• 第三章 EFAST方法在陆面参数敏感性分析中的应用38-58
• 3.1 敏感性分析方法39-42
• 3.1.1 EFAST方法介绍39-41
• 3.1.2 多判据分级方法41-42
• 3.2 驱动数据与模式参数42-46
• 3.2.1 站点驱动数据介绍42-43
• 3.2.2 CoLM和SSiB2中的可调参数43-46
• 3.3 结果分析46-56
• 3.3.1 陆面模式中由于参数引起的不确定性46-49
• 3.3.2 一阶和总体敏感性分析49-56
• 3.4 本章小结56-58
• 第四章 基于长期陆面观测估算关键陆面参数58-74
• 4.1 数据和方法60-63
• 4.2 陆面过程模式介绍63
• 4.3 结果分析63-72
• 4.3.1 基于台站观测估算的地表粗糙度及其变化特征63-65
• 4.3.2 热传输附加阻尼(κB~(-1))的变化特征分析65-72
• 4.4 本章小结72-74
• 第五章 陆面参数估算在区域上的拓展74-84
• 5.1 数据与方法74-75
• 5.1.1 总体湍流特征检验74-75
• 5.1.2 地表粗糙度和热传输附加阻抗计算方法75
• 5.2 结果分析75-83
• 5.2.1 三种典型下垫面的地表粗糙度75-76
• 5.2.2 热传输附加阻抗及其参数化方案比较76-81
• 5.2.3 模式验证81-83
• 5.3 本章小结83-84
• 第六章 遗传算法在陆面过程模式参数优化中的应用84-98
• 6.1 数据和方法85-90
• 6.1.1 遗传算法介绍85-88
• 6.1.2 待优化的陆面过程模式和参数88-89
• 6.1.3 试验设计89-90
• 6.2 结果分析90-97
• 6.3 本章小结97-98
• 第七章 利用卫星遥感关键陆面特征改进区域模式对东亚地区降水的模拟98-110
• 7.1 数据和模式介绍99-101
• 7.1.1 GLOBMAP LAI99
• 7.1.2 地表类型99-100
• 7.1.3 绿叶分数100
• 7.1.4 WRF_NMM/SSiB2介绍100-101
• 7.2 试验设计101-102
• 7.3 结果分析102-108
• 7.4 本章小结108-110
• 第八章 动态植被模型中陆面参数优化110-131
• 8.1 模型介绍、驱动和验证数据111
• 8.2 结论和讨论111-129
• 8.2.1 初始条件111-112
• 8.2.2 真实大气强迫驱动112-129
• 8.3 本章小结129-131
• 第九章 总结与展望131-134
• 9.1 总结131-132
• 9.2 展望和存在的问题132-134
• 参考文献134-154
• 攻读博士期间文章发表情况154-155
• 致谢155-156

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