陆面过程模型CLM 5.0在高寒山区的适用性研究

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陆面过程是指发生在陆地表层的所有物理、化学、生物过程,及其与大气、海洋的相互作用过程。准确描述陆面过程并计算陆面状态以及陆-气、陆-海界面的物质和能量交换通量,对充分理解全球变化所带来的水安全、粮食安全、生态环境恶化等问题的形成机制,制定相应的对策,具有重要的科学和社会意义。陆面过程模型是指定量描述陆面过程的数学物理模型,是数值天气/气候/地球系统模型的核心组成部分,也是研究大尺度陆面过程的主要手段。然而,陆面过程模拟不可避免地会有误差,评估陆面模型的模拟性能,分析陆面模拟系统中的各类不确定性因素对模型结果的影响,明确模型的改进方向,是当前陆面过程模型研究的重要内容。CLM(Community Land Model)是迄今为止最先进的陆面过程模型之一。CLM 5.0则是其最新版本,于2018年发布,亟需对其进行评估。高寒山区复杂的下垫面及其强烈的陆面过程相互作用,加大了该地区模型模拟的难度和不确定性。因此,本研究以位于祁连山区的黑河上游为研究区,采用陆面过程的重要变量蒸散发、土壤温度和土壤水分评估CLM 5.0在高寒山区的模拟性能,并分析模型参数对模型性能的影响,为高寒山区陆面过程模型应用及改进提供理论依据。研究的主要结果如下:(1)CLM 5.0蒸散发模拟值与实测值的R值范围为0.601~0.839,RSR值范围为0.964~1.145,BIAS值范围为-1.220~-0.597 mm/d。这表明CLM 5.0能很好地模拟出蒸散发随时间的变化趋势,模拟效果可靠。然而,CLM 5.0低估了所有站点的蒸散发,主要是由生长季的低估所致。具体来说,CLM 5.0在高寒草甸站点上的模拟性能略优于高寒草地,在白天的模拟性能明显优于夜晚,在非生长季的模拟性能优于生长季。与CLM 4.5相比,CLM 5.0模拟的蒸散发值与实测值的相关系数较大,但偏差也较大,这说明CLM 5.0模拟蒸散发的性能没有显著改善。(2)CLM 5.0土壤温度模拟值与实测值的R值范围为0.897~0.984,RSR值范围为0.332~0.879,BIAS值范围为-4.934~-0.773℃。这表明CLM 5.0能很好地模拟土壤温度随时间的变化趋势,模拟效果可靠。然而,CLM 5.0低估了所有站点的土壤温度,主要是由冻结期的低估所致。具体来说,CLM5.0在土壤浅层模拟土壤温度的性能优于深层,在高寒草甸站点的模拟性能略优于高寒草地,在生长季的模拟性能优于非生长季,在非冻结期的模拟性能优于冻结期。(3)CLM 5.0土壤水分模拟值与实测值的R值范围为0.790~0.929,RSR值范围为0.376~3.301,BIAS值范围为-0.084~0.061 m~3/m~3。这表明CLM 5.0能很好地模拟出土壤水分随时间的变化趋势,模拟效果可靠。具体来说,CLM 5.0对土壤水分的模拟性能随土壤层的加深而逐渐变差,在冻结期的性能优于非冻结期,在非生长季的模拟性能优于生长季。CLM 5.0在高寒草地站点生长季的模拟结果存在系统性高估,导致模型在高寒草甸的模拟性能略优于高寒草地。此外,CLM模拟土壤水分在半湿润地区的性能最好,半干旱区次之,干旱区最差,这主要是由干旱地区的土壤水分变化率较强所致。(4)对于蒸散发,在CLM 5.0模型中,参数fwetmax(湿润的叶和茎的最大比例)和rtotal(叶片的气孔阻力)的适用性,是导致CLM 5.0显著低估生长季蒸散发的主要因子。对于土壤温度,土壤热容量ic的取值与本研究区的土壤实际热容量存在的偏差,是导致CLM 5.0显著低估冻结期土壤温度的主要原因。对于土壤水分,CLM 5.0在高寒草地上土壤水分模拟值的系统性高估则是由于蒸散发的低估与冠层截留的高估导致的。在冠层截留参数化方案中,有必要合理估算经验参数α(叶集水面积比例),并进一步验证CLM 5.0中引入的基于干表层的土壤蒸发阻力参数化方案。此外,在完全冻结阶段,土壤水力传导率极低,土壤水分的变化很小,所以模拟性能较好。上述研究结果对于更好地理解高寒山区CLM 5.0模型的不确定性和拓展CLM 5.0的应用具有重要意义,并为模型改进指明了方向。
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