師春香， 姜立鵬， 朱 智， 姜志偉， 梁 曉， 韓 帥， 張 濤

(1.南京信息工程大學(xué)地理與遙感學(xué)院，江蘇南京 210044； 2.國(guó)家氣象信息中心，北京 100081)

土壤濕度是反映陸面表面狀況的一個(gè)重要物理量[1-2]，也是農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)中的重要指標(biāo)[3-5]。土壤濕度在時(shí)間尺度上具有周尺度甚至月尺度的記憶能力，可直接影響短期氣候變化和中尺度天氣過(guò)程[6]；同時(shí)土壤濕度可以通過(guò)影響地表反照率和蒸散發(fā)，進(jìn)而對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生影響[7]。盡管土壤濕度在農(nóng)業(yè)氣象、氣候變化等研究中非常重要，但是觀測(cè)值的有限密度和數(shù)量制約了相關(guān)研究的開展[8-9]，因此研究者通過(guò)使用陸面模式對(duì)陸表狀況進(jìn)行模擬[10]，獲取時(shí)空分布連續(xù)的土壤濕度模擬結(jié)果，進(jìn)而開展相關(guān)研究。

盡管研究者們?cè)陉懨婺Ｐ桶l(fā)展與改進(jìn)方面開展了大量的工作，但是陸面模式的模擬結(jié)果仍然存在一定的誤差。改善陸面模式模擬結(jié)果的途徑主要有以下4種：(1)制作更為精確的大氣驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)[11]；(2)更換土壤質(zhì)地等地表參數(shù)[12]；(3)改進(jìn)陸面模式中的物理過(guò)程[13]；(4)同化觀測(cè)資料[14]，其中高質(zhì)量、高時(shí)空分辨率的大氣驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的陸面過(guò)程模擬中不可缺少的。

對(duì)于陸面模式研究者來(lái)說(shuō)，缺乏長(zhǎng)時(shí)間序列的、高分辨率的、接近真實(shí)的大氣驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)一直是困擾他們的一大問(wèn)題[15]，并且大量關(guān)于大氣驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)的研究也證明了準(zhǔn)確的、有更多觀測(cè)信息存在的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)于提高陸面模式模擬結(jié)果的重要性，大氣驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)的質(zhì)量對(duì)陸面模式真實(shí)模擬地表狀況影響很大[16-19]。近年來(lái)，許多研究團(tuán)隊(duì)致力于研究全球以及區(qū)域的大氣驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)作為陸面模式的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)[20-25]。盡管國(guó)際上已有幾套全球大氣強(qiáng)迫數(shù)據(jù)集可供陸面過(guò)程研究使用，但在全球各地的質(zhì)量有很大的差異。雖然中國(guó)研究者最近幾年也開展過(guò)關(guān)于大氣驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)集的研究[26-32]，但還缺少高質(zhì)量、高時(shí)空分辨率的大氣驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)集供相關(guān)研究使用，可以說(shuō)高質(zhì)量、高時(shí)空分辨率的中國(guó)區(qū)域大氣驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)的缺乏已經(jīng)變成制約陸面過(guò)程模擬及相關(guān)研究的重要因素。

筆者基于高質(zhì)量、高時(shí)空分辨率的中國(guó)氣象局陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(CMA Land Data Assimilation System，CLDAS)2.0驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，運(yùn)行Noah-MP陸面模式對(duì)中國(guó)區(qū)域土壤濕度進(jìn)行模擬，并根據(jù)逐小時(shí)的土壤濕度觀測(cè)值對(duì)土壤濕度模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，探討在使用高質(zhì)量、高時(shí)空分辨率驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)的情況下，陸面模式對(duì)土壤濕度的模擬精度，試圖為農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)提供更為準(zhǔn)確的土壤濕度格點(diǎn)數(shù)據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 土壤濕度觀測(cè)值及質(zhì)量控制方法

本研究所使用的土壤濕度觀測(cè)來(lái)源于國(guó)家氣象信息中心資料服務(wù)室，時(shí)間分辨率為逐小時(shí)，時(shí)間尺度是2013—2014年。

由于目前土壤水分自動(dòng)站點(diǎn)在處于布設(shè)-驗(yàn)收-業(yè)務(wù)化的過(guò)程中，土壤濕度觀測(cè)值的質(zhì)量參差不齊，因此對(duì)于土壤濕度觀測(cè)值進(jìn)行質(zhì)量控制是很有必要的。氣象數(shù)據(jù)質(zhì)量控制一般包括極限值檢查、時(shí)間一致性檢查、空間一致性檢查等步驟，本研究參考了韓帥提出的土壤濕度觀測(cè)值質(zhì)量控制方案[33]，并根據(jù)觀測(cè)值實(shí)際情況對(duì)質(zhì)量控制方案進(jìn)行相應(yīng)的改動(dòng)。本研究所使用的土壤濕度觀測(cè)值質(zhì)量控制方法包括以下3步：(1)由于觀測(cè)儀器的土壤體積含水量測(cè)量范圍是0～0.5 mm3/mm3，并且在土壤濕度觀測(cè)站點(diǎn)所在的場(chǎng)地不會(huì)出現(xiàn)土壤中沒(méi)有水分的情況，因此剔除了≤0或 >0.5 mm3/mm3的土壤濕度觀測(cè)值；(2)由于在0 ℃以下，土壤中的水分會(huì)以固態(tài)和液態(tài)2種形態(tài)存在，同時(shí)土壤濕度觀測(cè)儀器在0 ℃以下并不能正常工作，因此根據(jù)站點(diǎn)的10 cm土壤溫度觀測(cè)值對(duì)相應(yīng)時(shí)次的土壤濕度觀測(cè)值進(jìn)行過(guò)濾，如果10 cm土壤溫度觀測(cè)值小于0 ℃，則剔除相應(yīng)時(shí)刻的土壤濕度觀測(cè)值；(3)由于各土壤濕度觀測(cè)站開始業(yè)務(wù)化的時(shí)間并不一致且各站點(diǎn)的土壤濕度觀測(cè)值質(zhì)量存在差異，須要選取有效觀測(cè)值較多的站點(diǎn)，因此本研究剔除了年觀測(cè)時(shí)間 <180 d 站點(diǎn)的所有土壤濕度觀測(cè)值。經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制后，選取931個(gè)站點(diǎn)的0～10 cm土壤濕度觀測(cè)值，站點(diǎn)分布情況如圖1所示，由此可以看出經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制后的土壤濕度觀測(cè)站呈現(xiàn)東南密集、西北稀疏的空間分布特征，并且由于剔除了10 cm土壤溫度<0 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的土壤濕度，在青藏高原地區(qū)只有零星站點(diǎn)在質(zhì)量控制后保留了下來(lái)。

由于在土壤濕度觀測(cè)值質(zhì)量控制過(guò)程中，北方地區(qū)的冬季土壤濕度觀測(cè)值大多數(shù)被剔除，為了在研究中與其他地區(qū)的土壤濕度情況進(jìn)行對(duì)比，筆者選取了2013—2014年4—10月的0～10 cm土壤濕度作為研究對(duì)象。

1.2 CLDAS2.0驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)

《國(guó)家氣象科技創(chuàng)新工程(2014—2020年)實(shí)施方案》明確指出，研制中國(guó)區(qū)域千米分辨率地面氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)、降水、輻射、土壤溫濕度、積雪等產(chǎn)品是國(guó)家氣象信息中心的任務(wù)之一。為了完成這一目標(biāo)，國(guó)家氣象信息中心進(jìn)行了較長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展規(guī)劃，位于核心地位的是中國(guó)氣象局陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(CLDAS)的建設(shè)，該系統(tǒng)計(jì)劃分為4個(gè)階段進(jìn)行，即CLDAS1.0～CLDAS4.0。其中，CLDAS1.0系統(tǒng)目前已經(jīng)在國(guó)家氣象信息中心業(yè)務(wù)運(yùn)行，其主要目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)可擴(kuò)展的陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)框架，并為系統(tǒng)升級(jí)預(yù)留接口。2015年，國(guó)家氣象信息中心氣象數(shù)據(jù)研究室開始了CLDAS2.0系統(tǒng)研發(fā)工作，其主要任務(wù)是建設(shè)一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間序列(2008—2014年)的大氣驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)以及實(shí)現(xiàn)基于該大氣驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)的多個(gè)陸面模式運(yùn)行，并且為建立長(zhǎng)時(shí)間序列(1979年至今)的大氣驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備。本研究使用的CLDAS2.0驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣象信息中心氣象數(shù)據(jù)研究室，包括近地面氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)速、降水和短波輻射6個(gè)要素，空間分辨率為 0.062 5°，時(shí)間分辨率為1 h。

1.3 Noah-MP陸面模式

Noah-MP(the Community Noah Land Surface Model with Muti-Parameterization Options)陸面模式是CLDAS2.0系統(tǒng)添加的主要陸面模式，也是美國(guó)新一代的陸面模式。目前Noah-MP陸面模式已經(jīng)廣泛應(yīng)用于陸面過(guò)程模擬研究。Yang等利用Noah-MP陸面模式對(duì)全球50個(gè)主要流域的水文狀況進(jìn)行模擬，結(jié)果表明Noah-MP陸面模式能夠較好地模擬出地表溫度、土壤濕度等重要的陸表變量[34]；Cai等利用北美陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(North-American Land Data Assimilation Systems，NLDAS)平臺(tái)測(cè)試了4個(gè)陸面模式(Noah、Noah-MP、CLM、VIC)在水文上的表現(xiàn)，結(jié)果表明，相對(duì)于其他3個(gè)陸面模式，Noah-MP陸面模式在模擬土壤濕度以及陸地水儲(chǔ)量上表現(xiàn)得最好[35]。

由于表層土壤濕度對(duì)于農(nóng)作物生長(zhǎng)以及氣候變化研究是十分重要的，因此本研究選取了0～10 cm土壤濕度作為研究對(duì)象。同時(shí)為了在區(qū)域尺度上對(duì)土壤濕度的模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，參考朱晨等的研究結(jié)果[8]，并結(jié)合實(shí)際觀測(cè)站點(diǎn)的空間分布，在中國(guó)區(qū)域選取6個(gè)研究區(qū)(圖2)，其中Ⅰ區(qū)為東北地區(qū)，Ⅱ區(qū)為華北地區(qū)，Ⅲ區(qū)為江淮地區(qū)，Ⅳ區(qū)為東南地區(qū)，Ⅴ區(qū)為西北東部地區(qū)，Ⅵ為西南地區(qū)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤濕度模擬誤差的空間分布

圖3給出了由中國(guó)區(qū)域0～10 cm土壤濕度觀測(cè)值與Noah-MP模擬值的空間分布，由此可以看出，東南地區(qū)是土壤濕度的高值區(qū)，土壤體積含水量都在0.25～0.40 m3/m3之間，而河套地區(qū)是土壤濕度的低值區(qū)，土壤體積含水量在0.05～0.15 m3/m3之間，土壤濕度從西北地區(qū)向東南和西南地區(qū)遞增。從0～10 cm土壤濕度的空間分布來(lái)看，華北地區(qū)較為干燥，而東南和西南地區(qū)較為濕潤(rùn)，這樣的土壤濕度分布特點(diǎn)與孫丞虎等的研究結(jié)果[36-37]較為一致。從圖3-b可以看出，Noah-MP模式對(duì)中國(guó)東部土壤濕度的模擬結(jié)果也呈現(xiàn)出從西北地區(qū)向東南和西南地區(qū)遞增的特點(diǎn)，但略有差異，主要體現(xiàn)在對(duì)于新疆南部地區(qū)土壤濕度出現(xiàn)了明顯的低估，這可能是由2個(gè)原因造成的：(1)觀測(cè)站點(diǎn)所在地與整體環(huán)境出現(xiàn)了差異；(2)剔除了10 cm土壤溫度<0 ℃時(shí)的0～10 cm土壤濕度觀測(cè)值，造成一些土壤濕度觀測(cè)低值沒(méi)有通過(guò)質(zhì)量控制流程。Noah-MP模式在河套地區(qū)出現(xiàn)了輕微的高估；而對(duì)于東南地區(qū)和西南地區(qū)的土壤濕度模擬得很好。從空間相關(guān)系數(shù)來(lái)看，Noah-MP土壤濕度模擬值與觀測(cè)值之間的相關(guān)系數(shù)為0.538，可以通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)。

圖4給出了Noah-MP模式0～10 cm土壤濕度模擬值與觀測(cè)值偏差的空間分布，可以看出東南地區(qū)主要出現(xiàn)低估，呈負(fù)偏差，而在北方地區(qū)主要呈正偏差；Noah-MP在新疆地區(qū)存在一個(gè)負(fù)偏差高值中心，這可能與使用的觀測(cè)值有關(guān)；同時(shí)在四川省存在一個(gè)正偏差高值中心，這可能是由于觀測(cè)儀器的參數(shù)出現(xiàn)了問(wèn)題，陳東東等研究表明，四川省的人工觀測(cè)土壤濕度和自動(dòng)觀測(cè)土壤濕度之間存在較大的差異，而一般認(rèn)為通過(guò)人工烘干稱質(zhì)量觀測(cè)的土壤濕度觀測(cè)值較為準(zhǔn)確，因此四川省的土壤濕度自動(dòng)觀測(cè)值是否準(zhǔn)確是值得商榷的[38]。從Noah-MP模式0～10 cm土壤濕度模擬值與觀測(cè)值偏差的統(tǒng)計(jì)情況(圖5)可以看出，偏差主要分布在 -0.09～0.09 m3/m3以內(nèi)，其中Noah-MP模式0～10 cm土壤濕度模擬值在69.1%的站點(diǎn)與觀測(cè)值的偏差在-0.06～0.06 m3/m3之間，在37.7%的站點(diǎn)與觀測(cè)值的偏差在 -0.03～0.03 m3/m3之間，在呈現(xiàn)負(fù)偏差的站點(diǎn)(占總站點(diǎn)數(shù)目的52.6%)略多于呈現(xiàn)正偏差的站點(diǎn)(占總站點(diǎn)數(shù)目的47.4%)。

圖6給出了Noah-MP模式0～10 cm土壤濕度模擬值與觀測(cè)值相關(guān)系數(shù)的空間分布，可以看出土壤濕度模擬值與觀測(cè)值的相關(guān)性在東部地區(qū)較強(qiáng)，在大部分站點(diǎn)與觀測(cè)值的相關(guān)系數(shù)大于0.5；而相關(guān)性在西部地區(qū)較弱，特別是在新疆地區(qū)，模擬值在大部分站點(diǎn)與觀測(cè)值的相關(guān)系數(shù)均小于0.4。從Noah-MP模式0～10 cm土壤濕度模擬值與觀測(cè)值相關(guān)系數(shù)的分布情況(圖7)可以看出，相關(guān)系數(shù)在各個(gè)區(qū)間均有分布，但是主要分布在0.5及以上，其中在60%以上的站點(diǎn)，土壤濕度模擬值與觀測(cè)值的相關(guān)系數(shù)大于0.6，可以通過(guò) 0.05水平的顯著性檢驗(yàn)。

2.2 土壤濕度模擬誤差的時(shí)間分布

在分析了站點(diǎn)尺度土壤濕度比較結(jié)果的基礎(chǔ)上，在區(qū)域尺度上對(duì)Noah-MP模式的土壤濕度模擬值與觀測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析。由于在西北西部和青藏高原研究區(qū)的土壤濕度觀測(cè)站較為稀疏，代表性不足，本試驗(yàn)并沒(méi)有對(duì)西北西部和青藏高原研究區(qū)的土壤濕度模擬誤差時(shí)間分布進(jìn)行研究。從圖8-a、圖8-b可以看出，Noah-MP對(duì)于4—5月期間的東北研究區(qū)的0～10 cm土壤濕度存在明顯的低估，這表明Noah-MP模式在凍土融化時(shí)的土壤濕度模擬方面還須要進(jìn)一步改進(jìn)；從圖8-e、圖8-f可以看出，在江淮研究區(qū)，Noah-MP模式可以抓住土壤濕度的變化，但是存在輕微的低估。從全國(guó)尺度看，盡管土壤濕度模擬值與觀測(cè)值的變化趨勢(shì)基本一致，但是Noah-MP的土壤濕度模擬值在春季和秋季存在輕微的低估，而在夏季與觀測(cè)更為接近。

由表1可以看出，東北地區(qū)Noah-MP模式的0～10 cm土壤濕度模擬值與觀測(cè)值的相關(guān)性低于其他5個(gè)研究區(qū)，相關(guān)系數(shù)為0.665，而其他5個(gè)研究區(qū)的相關(guān)系數(shù)都大于0.9，從全國(guó)尺度來(lái)看，Noah-MP模式的0～10 cm土壤濕度模擬值與觀測(cè)值的相關(guān)性很強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.939；從區(qū)域尺度和全國(guó)尺度來(lái)看，0～10 cm 土壤濕度模擬值與觀測(cè)值的偏差較小，都在 -0.03～0.03 m3/m3之間，其中江淮地區(qū)、西南地區(qū)的偏差較大，分別為-0.027、0.023 m3/m3；6個(gè)研究區(qū)0～10 cm土壤濕度模擬值與觀測(cè)值的均方根誤差都在-0.03～0.03 m3/m3以內(nèi)，其中江淮地區(qū)的均方根誤差最大，為 0.03 m3/m3，西北東部地區(qū)的均方根誤差最小，為 0.01 m3/m3。

3 結(jié)論與討論

基于國(guó)家氣象信息中心提供的CLDAS2.0驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，使用Noah-MP陸面模式對(duì)中國(guó)區(qū)域的陸面過(guò)程進(jìn)行模擬，提取土壤濕度模擬結(jié)果，并基于土壤水分自動(dòng)站的逐小時(shí)土壤濕度觀測(cè)值對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)估與分析，結(jié)果表明：(1)Noah-MP模式能夠很好地模擬出中國(guó)區(qū)域的0～10 cm土壤濕度空間分布，偏差主要分布在-0.06～0.06 m3/m3以內(nèi)，相關(guān)系數(shù)主要分布在0.5以上；從區(qū)域尺度看，Noah-MP能夠很好地模擬出各區(qū)域的土壤濕度變化，各研究區(qū)的偏差都在-0.03～0.03 m3/m3以內(nèi)。(2)對(duì)于春季北方地區(qū)的0～10 cm 土壤濕度，Noah-MP模式的模擬結(jié)果存在明顯的低估現(xiàn)象，這可能是因?yàn)樵撃Ｊ皆趦鐾寥诨瘯r(shí)的土壤濕度模擬方面還存在一定的缺陷，須要進(jìn)一步改進(jìn)。

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表1 6個(gè)研究區(qū)及全國(guó)0～10 cm土壤濕度Noah-MP模擬值與實(shí)測(cè)的相關(guān)系數(shù)、偏差和均方根誤差

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