井長(zhǎng)青，安沙舟

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆草地資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830052)

CoLM陸面模式對(duì)中亞干旱荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)陸面過程的數(shù)值模擬

井長(zhǎng)青，安沙舟*

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆草地資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830052)

鑒于陸面模式在干旱半干旱區(qū)模擬性能較差，本研究運(yùn)用Common Land Model(CoLM)陸面模式對(duì)中亞干旱荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了站點(diǎn)驗(yàn)證，檢驗(yàn)其在該區(qū)域的模擬性能，并分析了其陸面特征。結(jié)果表明，不同水分狀況的草地生態(tài)系統(tǒng)在能量分配上表現(xiàn)出明顯的差異性，干旱特征明顯的阜康站和咸海站能量分配表現(xiàn)為以感熱通量為主；水分狀況較好的巴爾喀什湖站能量分配以潛熱通量為主。CoLM陸面模式對(duì)典型干旱荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)的陸面過程有較好的模擬性能，能正確描述能量通量的日變化特征。模型對(duì)研究站點(diǎn)夜晚感熱通量、土壤熱通量的模擬效果不太理想，夜間感熱通量模擬值略高于觀測(cè)值，土壤熱通量模擬明顯低于觀測(cè)值，在3個(gè)研究站點(diǎn)土壤熱通量偏差均大于50 W/m2，不能很好地描述晝夜溫差較大的干旱區(qū)夜間較強(qiáng)的土壤熱通量交換過程。

干旱區(qū);荒漠草地;陸面過程;CoLM;湍流通量

中亞干旱半干旱區(qū)地處歐亞大陸內(nèi)部，氣候干旱，其上分布著廣袤的荒漠草地。在全球變化背景下，近半個(gè)世紀(jì)以來，氣溫升高，降水區(qū)域差異顯著，其陸-氣界面能量、物質(zhì)交換過程隨著氣候的變化必然呈現(xiàn)出特異的響應(yīng)格局[1]。受人類活動(dòng)影響，中亞干旱區(qū)部分區(qū)域生態(tài)環(huán)境發(fā)生退化，生態(tài)環(huán)境脆弱[2]。在全球變化大背景下，針對(duì)中亞地區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境問題需開展陸面過程特征對(duì)氣候變化的響應(yīng)研究。

陸面模式能準(zhǔn)確刻畫陸-氣間物質(zhì)、能量交換過程，已被廣泛地應(yīng)用在全球變化研究中[3-6]。為了拓展陸面模式的應(yīng)用范圍及精度，檢驗(yàn)其在不同下墊面及氣候條件下的模擬性能，國外許多研究者在不同區(qū)域及站點(diǎn)進(jìn)行了模擬研究[7-14]。1992年世界氣象組織大氣科學(xué)委員會(huì)下的數(shù)值試驗(yàn)工作組與大陸尺度國際計(jì)劃聯(lián)合開展了陸面參數(shù)化的相互比較計(jì)劃(Project for Intercomparsion of Land-Surface Parameterization Scheme，PIPLS)，并開展了一系列關(guān)鍵參數(shù)的敏感性試驗(yàn)，對(duì)20多個(gè)不同的陸面過程模式在相同的大氣強(qiáng)迫下，對(duì)陸面水熱通量的模擬進(jìn)行了檢驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)果表明，不同的陸面模式對(duì)水、熱通量的模擬結(jié)果存在很大的差異，這也表明了陸面模式對(duì)地表湍流交換過程描述仍然存在很大的不確定性[15]。我國許多研究者也針對(duì)不同站點(diǎn)及區(qū)域?qū)﹃懨婺Ｊ竭M(jìn)行了驗(yàn)證。例如周文艷等[16]利用中國淮河流域試驗(yàn)站資料，對(duì)生物圈大氣傳輸方案Biosphere Atmosphere Transfer Scheme(BATS)進(jìn)行了模擬檢驗(yàn)，結(jié)果表明BATS能很好地模擬我國夏季半濕潤(rùn)地區(qū)陸面特征量的變化趨勢(shì)。Common Land Model(CoLM)是目前國際上較為先進(jìn)的第三代陸面過程模式，已經(jīng)被廣泛用于氣候模式開展氣候及相關(guān)地球資源環(huán)境研究[4]。宋耀明等[17]利用森林觀測(cè)站點(diǎn)資料，對(duì)CoLM陸面模式開展模擬驗(yàn)證，結(jié)果表明模式能較好地模擬出森林站點(diǎn)地表能量特征及潛熱通量的變化。羅斯瓊等[18]也利用CoLM陸面模式在青藏高原那曲地區(qū)進(jìn)行了站點(diǎn)模擬試驗(yàn)，利用一個(gè)新的土壤熱傳導(dǎo)率參數(shù)化方案檢驗(yàn)土壤溫度的模擬，結(jié)果表明該陸面模式能較好模擬高寒地區(qū)的能量分配特征。這些相關(guān)研究都極大地促進(jìn)了陸面模式的發(fā)展，使得陸面模式的模擬性能有了非常大的提高。雖然近年來陸面模式已在全球多種生態(tài)系統(tǒng)中進(jìn)行了模擬驗(yàn)證，但其對(duì)干旱半干旱地區(qū)的模擬性能仍不樂觀[19]。究其原因，一方面是干旱區(qū)渦度相關(guān)站點(diǎn)缺乏，造成該區(qū)域陸面過程研究發(fā)展緩慢。另一方面，干旱區(qū)植被稀疏，地表湍流交換劇烈，陸面模式對(duì)與水分相關(guān)的植被、土壤參數(shù)敏感性較強(qiáng)，物理機(jī)制也更復(fù)雜。開展陸面模式在干旱區(qū)水分條件狀況較差下的模擬驗(yàn)證，對(duì)拓展陸面模式在干旱區(qū)的應(yīng)用研究具有重要意義。

因此，本研究利用渦度相關(guān)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)CoLM陸面模式在中亞干旱荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)的模擬性能進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)模型進(jìn)行正確的參數(shù)化處理后，在3個(gè)干旱草地站點(diǎn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析。本研究的主要目的是驗(yàn)證該陸面模式對(duì)中亞干旱荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)3個(gè)渦度相關(guān)站點(diǎn)地表能量通量的模擬效果，并分析不同干旱草地生態(tài)系統(tǒng)陸面過程特征差異。

1 材料與方法

1.1 CoLM陸面模式

本研究基于已在國內(nèi)外許多站點(diǎn)得到驗(yàn)證的CoLM陸面模式為研究平臺(tái)開展中亞干旱荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)陸面特征的研究。CoLM陸面模式中決定陸面能量交換特征的物理過程由地表植被、土壤參數(shù)描述。涉及的主要植被參數(shù)包括植被類型、葉面積指數(shù)、根系功能、生物量等，土壤參數(shù)主要是土壤屬性參數(shù)。模型運(yùn)行還需對(duì)應(yīng)時(shí)間段的大氣強(qiáng)迫變量，以及站點(diǎn)基本信息數(shù)據(jù)。對(duì)陸面模式中關(guān)鍵地表參數(shù)的正確設(shè)置是決定模型模擬精度的一個(gè)關(guān)鍵因素，因此，在開展模型站點(diǎn)驗(yàn)證時(shí)必須要對(duì)其進(jìn)行正確的參數(shù)化處理。本研究CoLM陸面模式的模擬在Linux操作系統(tǒng)下進(jìn)行，并利用Matlab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析及繪圖。

1.2 站點(diǎn)描述

阜康站(CN-FK，44°17′ N，87°56′ E)位于古爾班通古特沙漠南緣，典型溫帶大陸性荒漠氣候。建群種為荒漠灌木檉柳(Tamarixspp.)，伴生耐鹽堿的旱生草本，植被覆蓋度約為30%。咸海站(KZ-Ara，45°58′ N，61°05′ E)位于阿拉爾庫姆沙漠邊緣，主要植被類型為灌木(65%)及旱生草本植物(35%)，植被覆蓋度約為30%。巴爾喀什湖站(KZ-Bal，44°34′ N，76°39′ E)位于巴爾喀什湖與卡普恰蓋水庫之間，鄰近綠洲農(nóng)田與荒漠，主要植被類型為草地，植被覆蓋度為50%(表1)。阜康站和咸海站氣候干旱，降雨稀少，植被稀疏，是亞洲中部干旱區(qū)典型荒漠生態(tài)系統(tǒng)的代表站點(diǎn)。巴爾喀什湖站也地處中亞干旱區(qū)，氣候條件與前兩個(gè)站接近，但因鄰近河流和綠洲農(nóng)田，地表水分條件與前兩個(gè)站相比較好，陸面特征必定表現(xiàn)出與前兩個(gè)典型干旱荒漠站點(diǎn)的差異性，可作為對(duì)照研究。

本研究利用阜康站(2007-2009年)3個(gè)完整自然年度的數(shù)據(jù)，咸海站(2012年5-8月)、巴爾喀什湖站(2012年5-9月)生長(zhǎng)季的氣象數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)CoLM陸面模式，驗(yàn)證該陸面模式在中亞干旱荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)的模擬效果。大氣強(qiáng)迫場(chǎng)包括太陽短波輻射、大氣長(zhǎng)波輻射、降水速率、氣溫、風(fēng)速、氣壓和比濕7個(gè)變量。

表1 研究站點(diǎn)描述

注：CN-FK表示阜康站，KZ-Ara表示咸海站，KZ-Bal表示巴爾喀什湖站。下同。

Note: CN-FK represents the Fukang site, KZ-Ara represents the Aral sea site, and KZ-Bal represents the Balhash Lake site. The same below.

CoLM利用氣象數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)陸面模式，地表湍流交換過程的模擬對(duì)氣象特征敏感性較強(qiáng)。從圖1描述的3個(gè)站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)觀測(cè)值可以看出，阜康站太陽短波輻射和大氣長(zhǎng)波輻射均表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化，在生長(zhǎng)季輻射日均值峰值分別達(dá)到350和400 W/m2；降水多集中在春夏季，氣溫日均值介于0～25 ℃之間。生長(zhǎng)季咸海站大氣長(zhǎng)波輻射日均值約在400～500 W/m2之間波動(dòng)，太陽短波輻射日均值在100～400 W/m2之間波動(dòng)；降雨較集中，氣溫日均值在12～35 ℃之間。生長(zhǎng)季巴爾喀什湖站的大氣長(zhǎng)波輻射與太陽短波輻射日均值與咸海站在數(shù)值范圍上基本一致，但降水較分散，持續(xù)天數(shù)長(zhǎng)，氣溫日均值低于咸海站，在15～27 ℃之間波動(dòng)，氣溫日較差較小。從氣象數(shù)據(jù)可以看出，阜康站和咸海站氣象特征接近，典型干旱區(qū)特征明顯。巴爾喀什湖站因鄰近河流，受河流水汽蒸發(fā)及周圍農(nóng)田灌溉地下水的影響，氣象特征更接近于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)(圖1)。

1.3 模型參數(shù)化

模型驅(qū)動(dòng)及驗(yàn)證數(shù)據(jù)采自渦度相關(guān)(eddy covariance，EC)觀測(cè)系統(tǒng)。本研究根據(jù)研究站點(diǎn)主要植被、土壤觀測(cè)資料對(duì)3個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行模型參數(shù)化過程，并用Zheng等[20]提出的根系吸水模型(RWUF1)替代CoLM陸面模式默認(rèn)的根系吸水模型(RWUF0)，此模型的詳細(xì)比較驗(yàn)證過程見文獻(xiàn)[20]。這個(gè)根系吸水效率模型用基于經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的分段函數(shù)來表示(圖2)。

土壤可利用水分對(duì)根系吸水阻力的貢獻(xiàn)(α)及其累積因子(W)先由模型默認(rèn)方法計(jì)算得出，再對(duì)求得的W用以下方法重新定義：

(1)

式中：Wc為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，并且模型重新設(shè)置變量ω參與根系吸水效率計(jì)算。

(2)

式中：α為某一層土壤可利用水分對(duì)根系吸水阻力的貢獻(xiàn)；αmax為最濕潤(rùn)土壤層可利用水分對(duì)根系吸水阻力的貢獻(xiàn)，通過設(shè)置經(jīng)驗(yàn)閾值Wx使得只有最濕潤(rùn)的土層吸收土壤水分。最終，土壤的根系吸水效率ε表示為：

圖1 站點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)Fig.1 Meteorological data at the sites SW表示太陽短波輻射，LW表示大氣長(zhǎng)波輻射，Prcp表示降雨，Tm表示氣溫。下同。SW is the short wave radiation, LW is the long wave radiation, Prcp is the precipitation, and Tm is air temperature. The same below.

ε=frootαW=frootαmω∑frootαmω (3)

圖2 模型默認(rèn)的及Zheng等[20]提出的根系吸水模型的比較Fig.2 Comparison between the default and the modified root water uptake functions α指某一層土壤可利用水分對(duì)根系吸水阻力的貢獻(xiàn)，ψ是土壤水勢(shì)，θ是土壤含水量，ψwilt、θwilt指萎蔫點(diǎn)對(duì)應(yīng)的土壤水勢(shì)及土壤含水量，ψsat、θsat為田間持水量對(duì)應(yīng)的土壤水勢(shì)及土壤含水量，Wc為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，RWUF0為模型默認(rèn)的根系吸水模型，RWUF1為Zheng等[20]提出的根系吸水模型。下同。α is root-efficiency used in RWUF1, ψ is matric potential, θ is volumetric of soil water content, ψwilt and θwilt are wilting point potential and wilting point of soil moisture, ψsat and θsat are wilting point potential and saturated soil water content, Wc is a experience parameter, RWUF0 is root water uptake function of the model default, RWUF1 is an optimal root water uptake function from Zheng et al[20]. The same below.

式中：froot為土壤層根分?jǐn)?shù)，加入一經(jīng)驗(yàn)常量m使最終求得的根系吸水效率函數(shù)用一個(gè)非線性過程來表示。

這種根系吸水模型使得干燥的土層吸水效率較低，濕潤(rùn)的土壤層吸水效率較高，并且當(dāng)部分根系受到水分脅迫時(shí)，仍能維持較高的蒸騰速率。此方法更符合干旱半干旱生態(tài)系統(tǒng)植被用水策略，相對(duì)于本研究3個(gè)干旱荒漠草地站點(diǎn)來說，在陸面模式模擬過程中也更具有適用性。因此，本研究采用此根系吸水模型替代CoLM默認(rèn)的根系吸水模型，以期獲得更好的模擬效果。模型基本參數(shù)設(shè)置見表2。

1.4 站點(diǎn)能量平衡分析

對(duì)渦度相關(guān)系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)使用前，需要進(jìn)行能量閉合分析，通過能量閉合分析可評(píng)價(jià)渦度相關(guān)觀測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)性能以及獲取通量數(shù)據(jù)的質(zhì)量精度，已經(jīng)被人們廣泛接受。在進(jìn)行能量閉合分析評(píng)價(jià)時(shí)常采用能量平衡線性回歸方程，通過回歸方程評(píng)價(jià)站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的能量閉合程度：

Rnet-G=Qle+Qh

(4)

式中：Qle、Qh、Rnet、G分別表示潛熱通量、感熱通量，凈輻射通量和土壤熱通量。

表2 模型主要參數(shù)設(shè)置Table 2 The parameterizations of the CoLM

注：Wc，Wx和m 是RWUF1中用到的3個(gè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

Note:Wc，Wxand m are empirical constants in RWUF1.

圖3 站點(diǎn)能量閉合情況Fig.3 Energy balance closure at the sites 斜率代表能量閉合率。R2為決定系數(shù)；RMSE為均方根誤差。Rnet為凈輻射通量，G為土壤熱通量，Qle為潛熱通量、Qh為感熱通量。下同。The slope of the solid line (fitted line) represents energy closure ratio. R2: Coefficient of determination; RMSE: Root mean square error. Rnet is net radiation, G is ground heat flux, Qle is latent heat flux, and Qh is sensible heat flux. The same below.

圖3為3個(gè)渦度相關(guān)觀測(cè)站點(diǎn)的能量閉合狀況，用(Rnet-G)和(Qle+Qh)的關(guān)系來表征?？梢钥闯龈房嫡?、咸海站、巴爾喀什湖站的能量閉合率(即斜率)分別為0.86、0.76、0.95，能量閉合率均較好，符合數(shù)據(jù)使用要求。

2 結(jié)果與分析

本研究利用氣象數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)CoLM陸面模式，通過渦度相關(guān)觀測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模擬效果。大氣強(qiáng)迫場(chǎng)及模型驗(yàn)證的渦度相關(guān)通量數(shù)據(jù)均為0.5 h的數(shù)據(jù)。研究結(jié)果顯示，參數(shù)化后的CoLM陸面模式在干旱草地生態(tài)系統(tǒng)的模擬驗(yàn)證取得了較好的結(jié)果，在阜康站、咸海站、巴爾喀什湖站的模擬效果都較理想。優(yōu)化后的模型能很好地模擬能量通量四分量(Rnet，Qle，Qh，G)。

圖4為優(yōu)化參數(shù)后模型模擬值與觀測(cè)值的散點(diǎn)圖，通量數(shù)據(jù)采用原始的30 min時(shí)間間隔數(shù)據(jù)，表3為散點(diǎn)圖對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)值(R2，RMSE，bs，b0)。從圖4和表3可以看出，陸面模式對(duì)3個(gè)研究站點(diǎn)凈輻射通量的模擬精度最高，R2均高于0.97。但是對(duì)于典型干旱荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)，陸面模式在阜康站及咸海站的潛熱通量模擬精度較低，R2分別為0.69、0.62，對(duì)阜康站潛熱模擬偏低(斜率bs=0.71)，對(duì)咸海站潛熱模擬偏高(斜率bs=1.13)；而對(duì)于水分條件較好的巴爾喀什湖站的潛熱模擬精度較高，R2達(dá)到0.92。相反，模型對(duì)阜康站、咸海站感熱通量的模擬效果好于巴爾喀什湖站，3個(gè)研究站點(diǎn)的R2分別為0.86、0.84、0.69。CoLM對(duì)3個(gè)站點(diǎn)土壤熱通量的模擬均不理想，咸海站、巴爾喀什湖站土壤熱通量觀測(cè)值與模擬值雖然擬合較高，R2大于0.9，但是模擬值均偏小；阜康站模擬的土壤熱通量精度最低，R2僅為0.40(圖4，表3)。

能量四分量?jī)糨椛渫俊摕嵬?、感熱通量和土壤熱通量具有明顯的日變化特征，圖5為3個(gè)研究站點(diǎn)(CN-FK，KZ-Ara，KZ-Bal)4個(gè)能量分量(Rnet、Qle、Qh和G)觀測(cè)值與模擬值的日變化特征。從圖中可以看出4個(gè)能量分量均表現(xiàn)出“單峰型”的日變化特征。

圖4 凈輻射通量、潛熱通量、感熱通量、土壤熱通量模擬值與觀測(cè)值的比較Fig.4 Comparison between the observed and the model half-hourly net radiation, latent heat flux, sensible heat flux, and ground heat flux黑色實(shí)線表示模型模擬值與實(shí)測(cè)值的線性回歸，黑色虛線為1∶1線。The solid black line represents the linear regression between the simulation and the observed data, and the dashed line represents a 1∶1 relationship between the datasets.

變量VariablesCN?FKR2RMSEbsb0KZ?AraR2RMSEbsb0KZ?BalR2RMSEbsb0Rnet0．9768．280．97-57．260．9738．350．9610．810．9837．990．8913．72Qle0．6931．980．7115．640．6245．661．1320．990．9241．730．8828．73Qh0．8631．840．890．200．8443．070．9233．660．6931．820．6921．84G0．4076．160．88-50．800．9265．391．03-61．760．9843．071．03-42．64

bs：斜率；b0：截距。bs: Slope;b0: Intercept.

圖5 凈輻射通量、潛熱通量、感熱通量、土壤熱通量模擬值與觀測(cè)值日變化的比較Fig.5 Comparison between the observed and the model half-hourly net radiation, latent heat flux, sensible heat flux, and ground heat flux on a diurnal course “+”表示觀測(cè)值，黑色實(shí)線表示模型模擬值。The sign “+” indicates observed data, and the black line shows the simulated data.

對(duì)于阜康站，觀測(cè)值Rnet>Qh>Qle>G，4個(gè)能量通量均表現(xiàn)在正午時(shí)分(14點(diǎn))出現(xiàn)峰值，依次分別達(dá)到400、180、110、90 W/m2，能量分配表現(xiàn)為以感熱通量為主。模型模擬的凈輻射通量、感熱通量、潛熱通量均較好，僅表現(xiàn)為凈輻射值均略低于觀測(cè)值，但是對(duì)土壤碳通量的模擬精度較差，模擬值遠(yuǎn)小于觀測(cè)值。

對(duì)于咸海站，觀測(cè)值Rnet>Qh>G>Qle，4個(gè)能量通量峰值依次分別達(dá)到420、170、140、110 W/m2，感熱通量所占量值較大。從圖中可以看出模擬的凈輻射通量、感熱通量與觀測(cè)值吻合較好，感熱通量在夜間模擬值明顯略高。但是對(duì)白天的潛熱通量，尤其是中午時(shí)段模擬值明顯偏高，模型模擬的感熱通量在中午時(shí)分的峰值甚至接近150 W/m2，而觀測(cè)的峰值約為100 W/m2。對(duì)土壤熱通量的模擬值不論白天、夜間均小于觀測(cè)值。

對(duì)于巴爾喀什湖站，觀測(cè)值Rnet>Qle>G>Qh，4個(gè)能量通量峰值依次分別達(dá)到550、380、100、80 W/m2，表現(xiàn)出類似于水分狀況較好的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的能量分配特征，潛熱通量的量值較大。從圖中可以看出模型模擬的凈輻射通量、潛熱通量在白天及夜間均與觀測(cè)值吻合較好，但是對(duì)夜間感熱通量的模擬值高于觀測(cè)值，對(duì)土壤熱通量的模擬值在日變化曲線上與觀測(cè)值較接近，但是始終低于觀測(cè)值。

3 討論

陸地表面通過與大氣之間發(fā)生水分和能量相互交換作用，對(duì)氣候產(chǎn)生重大影響。陸面模式可用來研究不同生態(tài)系統(tǒng)、不同氣候條件下陸-氣間的能量、水、碳交換特征差異，為區(qū)域資源環(huán)境研究提供必要的理論依據(jù)。在全球氣候變化大背景下，明確植被與氣候的相互反饋?zhàn)饔?，完善和改進(jìn)陸面模式的模擬能力非常重要。因此，陸面過程的研究在氣候、生態(tài)、環(huán)境，以及全球變化諸多領(lǐng)域中有它的重要性和必要性[21-22]。然而，當(dāng)前進(jìn)行陸面過程研究仍有很多難點(diǎn)，地表覆蓋特征復(fù)雜多樣，土壤空間特征差異顯著、分布不均，陸面模式中許多與植被、土壤密切相關(guān)的地表參數(shù)無法精確描述，這些都使得陸面過程參數(shù)化過程困難[23-25]。因此，仍需探討其在不同地表、水文狀況下的參數(shù)化過程，提高其對(duì)地表湍流通量的模擬精度，擴(kuò)大陸面模式在不同生態(tài)系統(tǒng)、不同氣候條件下的應(yīng)用范圍。

干旱區(qū)分布面積廣，是陸地上重要的下墊面，干旱荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)是干旱半干旱區(qū)重要的地表生態(tài)類型。提高陸面模式對(duì)干旱區(qū)地表湍流通量的模擬能力有助于加深對(duì)該區(qū)域氣候、水文、生態(tài)等的研究[26]。然而通過目前的研究發(fā)現(xiàn)，許多陸面模式在對(duì)干旱半干旱區(qū)受水分脅迫較大的下墊面陸面過程模擬仍存在嚴(yán)峻的考驗(yàn)，對(duì)地表能量、水碳的模擬存在較大偏差。植物根系是聯(lián)系地圈-生物圈-大氣圈能量、物質(zhì)循環(huán)的紐帶，準(zhǔn)確描述陸面模式中植物根系吸水過程是精確模擬地表能量、水、碳循環(huán)過程的關(guān)鍵。已有的很多研究已將不同的根系吸水模型應(yīng)用到陸面模式中，但是針對(duì)干旱荒漠生態(tài)系統(tǒng)的研究較少。

本研究借鑒了前人對(duì)陸面模式在干旱區(qū)模擬驗(yàn)證中發(fā)現(xiàn)的問題，對(duì)主要地表參數(shù)進(jìn)行了更精確的參數(shù)化過程，尤其對(duì)地下根系吸水過程，利用在干旱區(qū)通過模擬驗(yàn)證的Zheng等[20]提出的根系吸水模型替代CoLM陸面模式默認(rèn)的根系吸水模型，取得了較好的模擬效果，改進(jìn)后的模型對(duì)中亞干旱荒漠生態(tài)系統(tǒng)3個(gè)典型站點(diǎn)地表湍流通量的模擬與觀測(cè)值吻合較好。說明陸面模式在植被覆蓋度較低、水分狀況較差的干旱半干旱區(qū)應(yīng)用研究中，應(yīng)特別重視關(guān)鍵植被、土壤參數(shù)的參數(shù)化過程，尤其應(yīng)針對(duì)干旱區(qū)植被特殊的根系吸水過程，基于干旱區(qū)植被高根冠比、深根系、高根系吸水效率等特征建立適合干旱區(qū)植被的根系吸水模型，是陸面模式精確模擬地表湍流通量的關(guān)鍵。

干旱半干旱區(qū)特殊的植被、氣候、水文特征使得陸面模式的參數(shù)化過程異常復(fù)雜，開展該區(qū)域陸面模式研究要充分認(rèn)識(shí)到干旱區(qū)植被特殊的生理生態(tài)、水文過程，以及地表差異。要進(jìn)一步對(duì)陸面模式開展更精細(xì)的參數(shù)化過程，并有效的結(jié)合遙感技術(shù)獲取更全面的地表參數(shù)數(shù)據(jù)[27-29]，提高陸面模式在大范圍的區(qū)域模擬應(yīng)用能力，為陸面模式更好地服務(wù)于地球資源環(huán)境領(lǐng)域研究奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

本研究對(duì)目前國際上較先進(jìn)的CoLM陸面過程模式進(jìn)行了驗(yàn)證，分析了其對(duì)中亞干旱荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)3個(gè)渦度相關(guān)站點(diǎn)(CN-FK，KZ-Ara，KZ-Bal)地表能量通量的模擬效果。主要結(jié)論如下：

1)不同水分狀況的草地生態(tài)系統(tǒng)在能量分配上表現(xiàn)出明顯的差異性，在以灌叢-草地為主的干旱荒漠生態(tài)系統(tǒng)(CN-FK，KZ-Ara)，地表能量以感熱通量為主；而水分條件較好的草地生態(tài)系統(tǒng)(KZ-Bal)在能量分配中潛熱通量明顯高于感熱通量值。

2)CoLM陸面模式對(duì)典型干旱荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)的陸面過程有較好的模擬性能，并能正確描述能量通量四分量(Rnet，Qle，Qh，G)的日變化特征。

3)模型對(duì)干旱荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)夜晚感熱通量、土壤熱通量的模擬效果不太理想，夜間，感熱通量模擬值略高于觀測(cè)值，土壤熱通量模擬值低于觀測(cè)值，不能很好地描述晝夜溫差大的干旱區(qū)夜間較強(qiáng)的土壤熱通量交換過程。

References：

[1] Lal R. Carbon sequestration in dryland ecosystems. Environmental Management, 2004, 33(4): 528-544.

[2] Wang J S. Study on Regional Climate Response to Global Warming in the Arid Central-East Asia Over the Past 100 Years[D]. Lanzhou: Lanzhou University, 2006. 王勁松. 近100年來中東亞干旱區(qū)對(duì)全球變暖的區(qū)域氣候響應(yīng)研究[D]. 蘭州: 蘭州大學(xué), 2006.

[3] Bonan G B, Lawrence P J, Oleson K W,etal. Improving canopy processes in the Community Land Model version 4 (CLM4) using global flux fields empirically inferred from FLUXNET data. Journal of Geophysical Research, 2011, 116： G02014.

[4] Dai Y J, Zeng X B, Dickinson R E,etal. The Common Land Model. Bulletin of the American Meteorological Society, 2003, 84: 1013-1023.

[5] Sellers P J, Randall D A, Collatz G J,etal. A revised land surface parameterization (SiB2) for atmospheric GCMs. Part I: Model formulation. Journal of Climate, 1996, 9(4): 676-705.

[6] Niu G Y, Hong Z X, Sun S F. Status and developmental trends of land surface processes study. Advance in Earth Sciences, 1997, 12(1): 20-25. 牛國躍, 洪鐘祥, 孫菽芬. 陸面過程研究的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì). 地球科學(xué)進(jìn)展, 1997, 12(1): 20-25.

[7] Choi M, Lee S O, Kwon H. Understanding of the Common Land Model performance for water and energy fluxes in a farmland during the growing season in Korea. Hydrological Processes, 2010, 24(8): 1063-1071.

[8] Donner L J, Wyman B L, Hemler R S,etal. The dynamical core, physical parameterizations, and basic simulation characteristics of the atmospheric component AM3 of the GFDL Global Coupled Model CM3. Journal of Climate, 2011, 24(13): 3484-3519.

[9] Li Z C, Wei Z G, Wang C,etal. Simulation and improvement of common land model on the bare soil of Loess Plateau underlying surface. Environmental Earth Sciences, 2012, 66: 1091-1097.

[10] Molders N, Haferkorn U, Doring J,etal. Long-term investigations on the water budget quantities predicted by the hydro-thermodynamic soil vegetation scheme (HTSVS)-Part I: Description of the model and impact of long-wave radiation, roots, snow, and soil frost. Meteorology and Atmospheric Physics, 2003, 84(1): 115-135.

[11] Nasonova O N, Gusev Y M, Kovalev E E. Investigating the ability of a land surface model to simulate hydrological processes in cold and mountainous regions. Cold and Mountain Region Hydrological Systems under Climate Change: Towards Improved Projections, 2013, 360: 99-104.

[12] Rodell M, Houser P, Jambor U E A,etal. The global land data assimilation system. Bulletin of the American Meteorological Society, 2004, 85(3): 381-394.

[13] Wang S S, Grant R F, Verseghy D L,etal. Modelling carbon-coupled energy and water dynamics of a boreal aspen forest in a general circulation model land surface scheme. International Journal of Climatology, 2002, 22(10): 1249-1265.

[14] Wei H L, Xia Y L, Mitchell K E,etal. Improvement of the Noah land surface model for warm season processes: evaluation of water and energy flux simulation. Hydrological Processes, 2013, 27(2): 297-303.

[15] Lohmann D, Lettenmaier D P, Liang X,etal. The project for intercomparison of land-surface parameterization schemes (PILPS) phase (c) Red-Arkansas River basin experiment: 3. Spatial and temporal analysis of water fluxes. Global and Planetary Change, 1998, 19: 161-179.

[16] Zhou W Y, Luo Y, Guo P W. A modified BATS and its offline experiments. Journal of Nanjing of Meteorology, 2005, 28(6): 730-738. 周文艷, 羅勇, 郭品文. 10層陸面過程模式及其Offline獨(dú)立試驗(yàn). 南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào), 2005, 28(6): 730-738.

[17] Song Y M, Guo W D, Zhang Y C. Simulation of latent heat flux exchange between land surface and atmosphere in temperate mixed forest and subtropical artificial coniferous forest sites in China by CoLM. Plateau Meteorology, 2008, 27(5): 967-977. 宋耀明, 郭維棟, 張耀存. CoLM模式在中國溫帶混交林和亞熱帶人工針葉林的水熱通量模擬性能評(píng)估. 高原氣象, 2008, 27(5): 967-977.

[18] Luo S Q, Lv S H, Zhang Y,etal. Simulation analysis on land surface process of BJ site of Central Tibetan Plateau using CoLM. Plateau Meteorology, 2008, 27(2): 259-271. 羅斯瓊, 呂世華, 張宇, 等. CoLM模式對(duì)青藏高原中部BJ站陸面過程的數(shù)值模擬. 高原氣象, 2008, 27(2): 259-271.

[19] Liu J T, Ma Z G, Luo D H. A study on the thermal process simulations of multiple land surface models in Xinjiang. Plateau Meteorology, 2009, 28(6): 1242-1249. 劉金婷, 馬柱國, 羅德海. 三個(gè)陸面模式對(duì)新疆地區(qū)陸面過程模擬的對(duì)比研究. 高原氣象, 2009, 28(6): 1242-1249.

[20] Zheng Z, Wang G. Modeling the dynamic root water uptake and its hydrological impact at the Reserva Jaru site in Amazonia. Journal of Geophysical Research-Biogeosciences, 2007, 112(G4): 8512-8518.

[21] Dai Y, Zeng X, Dickinson R E. The Common Land Model (CLM). AGU Spring Meeting Abstracts, 2001, 84(8): 1013-1023.

[22] Zeng X B, Shaikh M, Dai Y J,etal. Coupling of the common land model to the NCAR community climate model. Journal of Climate, 2002, 15(14): 1832-1854.

[23] Li J, Duan Q Y, Gong W,etal. Assessing parameter importance of the Common Land Model based on qualitative and quantitative sensitivity analysis. Hydrology and Earth System Sciences, 2013, 17(8): 3279-3293.

[24] Shao Y P, Liu S F, Schween J H,etal. Large-eddy atmosphere-land-surface modelling over heterogeneous surfaces: Model development and comparison with measurements. Boundary-Layer Meteorology, 2013, 148(2): 333-356.

[25] Van den Hoof C, Vidale P L, Verhoef A,etal. Improved evaporative flux partitioning and carbon flux in the land surface model JULES: Impact on the simulation of land surface processes in temperate Europe. Agricultural and Forest Meteorology, 2013, 181: 108-124.

[26] Fang Y L, Sun S F, Li Q,etal. The optimization of parameters of land surface model in arid region and the simulation of land-atmosphere interaction. Chinese Journal of Atmospheric Sciences, 2010, 34(2): 290-306. 房云龍, 孫菽芬, 李倩, 等. 干旱區(qū)陸面過程模型參數(shù)優(yōu)化和地氣相互作用特征的模擬研究. 大氣科學(xué), 2010, 34(2): 290-306.

[27] Wang K, Tang R L, Li Z L. Comparison of integrating LAS/MODIS data into a land surface model for improved estimation of surface variables through data assimilation. International Journal of Remote Sensing, 2013, 34(9/10): 3193-3207.

[28] Hammer C. Assimilation of remote sensing data products into Common Land Model for evapotranspiration forecasting. Electronic Research Announcements of the American Mathematical Society, 2008, 19(4): 24-34.

[29] Silvestro F, Gabellani S, Delogu F,etal. Exploiting remote sensing land surface temperature in distributed hydrological modelling: the example of the continuum model. Hydrology and Earth System Sciences, 2013, 17(1): 39-62.

Simulation analysis of land surface processes in central Asian desert grassland ecosystems using CoLM

JING Chang-Qing, AN Sha-Zhou*

CollegeofGrasslandandEnvironmentSciences,XinjiangAgriculturalUniversity,KeyLaboratoryofGrasslandResourcesandEcologyofXinjiang,Urumqi830052,China

The performance of a land surface heat flux model known as the Common Land Model (CoLM) was investigated in arid and semi-arid areas, in desert grassland ecosystems over Central Asia. The model performance was tested for three sites; Fukang, the Aral sea, and Balhash Lake, and the characteristics of the land surface were also analyzed for these three sites. It was found that water status of the grassland ecosystem had a major impact on the pattern of energy flux. Sensible heat flux was the dominant component of the diurnal energy balance at the Fukang site and Aral sea sites, which displayed obvious drought characteristics. The dominant energy component was the latent heat flux at Balhash Lake site, which was less arid than the other sites. CoLM performed well in typical desert grassland ecosystems, and correctly described the diurnal variation in energy fluxes. The simulations for sensible heat flux and ground heat flux overnight were less accurate. At night, the simulated sensible heat flux was higher than the observed values, and the simulated ground heat flux was significantly lower than the observed data. The deviation was greater than 50 W/m2at each site. The model does not adequately describe the soil heat flux exchange process at night in arid areas which have a large temperature differential between day and night.

arid area; desert grassland; land surface process; CoLM; turbulent fluxes

2016-10-13；改回日期：2016-12-05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41561021)，中國博士后科學(xué)基金第60批面上資助(2016M602952XB)和新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)博士后流動(dòng)站資助。

井長(zhǎng)青(1986-)，女，新疆烏魯木齊人，講師，博士。E-mail：jingchangqing@126.com*通信作者Corresponding author. E-mail：xjasz@126.com

10.11686/cyxb2016385 http://cyxb.lzu.edu.cn

井長(zhǎng)青, 安沙舟. CoLM陸面模式對(duì)中亞干旱荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)陸面過程的數(shù)值模擬. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 26(3): 13-21.

JING Chang-Qing, AN Sha-Zhou. Simulation analysis of land surface processes in central Asian desert grassland ecosystems using CoLM. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(3): 13-21.