Knowledge Resource Center for Ecological Environment in Arid Area
| 利用CLM3对1979-2003年东亚地区陆面过程变化的数值模拟分析 | |
| 其他题名 | CLM3-simulated Changes of the Land Surface Process in East Asia during 1979-2003 |
| 杜川利 | |
| 出版年 | 2007 |
| 学位类型 | 博士 |
| 导师 | 刘晓东 |
| 学位授予单位 | 中国科学院地球环境研究所 |
| 中文摘要 | 利用美国国家大气研究中心(NCAR)的公用陆面模式CLM3 (Common Land Model, Version 3)，以1979-2003年NCEP/DOE再分析资料（Reanalysis-2）提供大气强迫，在0.5º纬度×0.5º经度的分辨率下对东亚地区陆面过程变化进行了非耦合（off-line）的模拟试验。首先对模拟结果进行验证和检验，同时探讨下垫面参量土壤湿度、积雪等对全球气候变暖的响应，并对由模拟结果导出的陆地水资源的平均气候态、季节变化和年际变率进行诊断分析，最后初步讨论了动态植被模式（CLM3-DGVM）对下垫面参数变化模拟的影响。所得主要结论如下：\n1.CLM3合理地模拟了土壤湿度的适应过程及其时空分布特征，能够产生物理上一致、时空上连续的土壤湿度资料。模拟结果显示，土壤湿度随深度的增加调整（Spin-up）到稳态时间加长，这说明模式陆面过程对土壤初始状态具有较高的敏感性，土壤的水文状态具有较强的持续性。\n（1）Spin-up试验表明，对于土壤湿度的模拟，不同深度调整时间有很大区别，深度越浅调整时间越短，深度越深调整时间越长，浅层土壤（0-10cm）湿度1－2a就能达到平衡，深层土壤(大于100cm)需要20a左右。\n（2）利用站点资料检验模拟结果，模式基本上可以反映站点土壤湿度的季节变化，高、低值对应关系较好。站点资料的振幅要比模拟结果大，其阶段性变化的特征较明显，模拟数据的连续性较好，不会出现大起大落。\n（3）用NCEP土壤湿度资料检验时发现，二者在模式区域对干湿格局的划分是一致的，CLM3在细节方面描述更好，如对新疆塔克拉玛干沙漠地区干旱区的划分就比NCEP的资料好。\n2.随着最近20多年来全球气候的显著变暖，东亚地区土壤湿度呈现出明显的时空变化。通过计算模拟土壤湿度的线性趋势倾向系数发现，冬季土壤湿度增加和减少的幅度都不大，减少的地区主要集中在东亚地区中国北方；增加的地区主要有新疆北部部分区域、东北部分区域、西南地区以及沿海一些地区。夏季中高纬度地区土壤湿度是逐渐减少的，减少区域主要集中在东亚30ºN以北地区，中心位置在外蒙古，该地区的线性趋势倾向系数在-15（mm3/mm3）/100a以上。对该地区土壤湿度、降水作区域平均，对比全球和东亚地区平均温度发现：全球变暖、气温在不断升高，会引起蒸发（包括地面蒸发和植被蒸散）加大，由于30ºN以北地区夏季降水增加的趋势不显著，所以会引起该地区土壤湿度逐渐减少。\n 分析1979－2003年（25年）夏季土壤湿度的时间序列，发现我国从东南向西北的6个分区内的土壤湿度呈逐渐变干趋势，其气候态的分布与对应的降水气候态分布一致。年际变化特征分析表明，各个分区在时间尺度上变化趋势虽然不完全相同，但是基本上都是变干的趋势，只有高原地区的土壤湿度变化相对平稳。\n 对于青藏高原地区积雪分析表明，虽然全球气候升高，高原地区积雪深度有增加趋势，二者是正相关，相关系数为0.56，达到0.01信度。\n3.利用CLM3模拟的土壤和植被蒸发量，分析了东亚地区水资源的气候和变化特征以及变化原因。\n（1）利用模式计算的水资源多年平均分布与实际分布基本一致，水资源分布极少区域与沙漠区基本吻合。\n（2）总蒸发量的空间分布以35ºN为界，分界线以南为高蒸发区，以北为低蒸发区；东北地区以120ºE为界，以东为高蒸发区，以西为低蒸发区；另外沿长江流域出现几个极值区，分别为四川盆地、江汉平原和长江三角洲地区。蒸发量最小的区域主要在西北地区，多年平均年蒸发量在50mm以下。四季蒸发量占年总蒸发量的百分比与水资源的情形基本一致，夏季蒸发量占年总蒸发量40％以上，35ºN以北地区可以达到50％以上，甚至有些地区可以达到70％。春季和秋季情况类似，能占到年总量的20％左右，冬季最少，基本上在10％附近，北方地区更少。 \n（3）从水资源线性变化趋势来看，35ºN以北大部地区水资源呈减少的趋势；其它地区，如长江以南地区、青藏高原的水资源都在增加。\n（4）大气中水汽含量的多寡是水资源变化一个重要原因。在大气可降水增加的西北地区、华南和青藏高原地区水资源也是增加的。在多年平均水汽通量散度图上，35ºN以北地区，如西北地区、华北、东北地区都是水汽辐散区，正好与近25年水资源减少区相对应。35ºN以南的我国东南部、青藏高原处在水汽辐合区，与这两个区域水资源增加相对应。净水汽通量增加区域有西北地区西部，减少区域有华北地区，其他区域净水汽通量变化趋势不显著。\n4.耦合动态植被模式以后，对下垫面尤其是地表参量影响较大，可以减少地表蒸发量，增加土壤含水量。\n(1)无论冬夏在0.007m～0.366m深度范围内CLM3-DGVM模拟的土壤湿度比CLM3的模拟值要大，其中表层0.007m差值最大(多年平均高7％)，这种差异随土壤深度的增加逐渐减少。 \n(2) CLM3-DGVM模拟的地面蒸发量比CLM3的值平均要小50％，而CLM3-DGVM模拟的冠层蒸发量比CLM3的值平均要大30％，由于地面蒸发远大于冠层蒸发量，所以 CLM3-DGVM模拟的总蒸发量比CLM3的模拟要小，这可能也是表层土壤湿度增加的原因。从二者差异的地理分布来看，冬季负中心在长江中下游地区，负最大值9mm；夏季情况与冬季有所不同，负中心位置在长江中上游地区、四川盆地、青藏高原部分地区，负最大值12mm。\n(3) CLM3和CLM3-DGVM模拟的两组感热通量差异不大。而CLM3-DGVM地面蒸发较CLM3的地面蒸发要少，所以其释放到大气中的热量相应的少，所以CLM3-DGVM模拟的潜热通量小于CLM3模拟的潜热通量。\n(4) 利用CLM3-DGVM模拟的叶面指数(LAI)在我国呈东高西低、南高北低分布。东北地区、青藏高原南部、以及中国东部地区是LAI高值区，而广大的西北荒漠地区、内蒙古部分地区是低值区。与由AVHRR反演得到的LAI对比表明，1月模拟误差相对较大，主要表现在华东一带、高原西南部地区值过高：7月模拟较好，与观测结果比较吻合，主要不足就是青藏高原部分地区、青海黄河上游地区的模拟值过高。我国陆地植被的NPP呈东南高西北低的态势沿东南方向呈东高西低的趋势，最大值出现在西南地区，与LAI一样，广大西北荒漠地区和部分内蒙古地区是NPP小的区域。 |
| 英文摘要 | In this study, using a state-of-art Community Land Model, version 3 (CLM3) developed by the National Center for Atmospheric Research (NCAR), we simulate the evolution of the land surface process in East Asia through three off-line experiments under 0.5º (longitude) × 0.5º (latitude) resolution and real atmospheric forcing of the NCEP/DOE reanalysis during 1979-2003. First, we test the simulated results by validating the soil moisture using observation data and NCEP soil moisture dataset; and then the trend in the regional soil moisture and its possible link to global warming are examined; third, the climatological mean, seasonal cycle and interannual variability of land water resource and the changing causes are analyzed; finally, a Dynamic Global Vegetation Model (DGVM) is used in CLM3 to investigate the influence of vegetation-atmosphere interaction on the regional land surface process. The main conclusions can be summarized as following:\n1.The spin-up time of soil moisture varies with the depth of soil layers. The deeper a soil level is, the longer the soil moisture reaches its equilibrium state. The equilibration time needs about 20 years long at soil levels below 1.5m. This shows that the soil moisture is sensitive to its initial condition in the land process model that a long spin-up process is necessary in climate modeling studies related with land hydrological processes.\n2.On the basis of the CLM3-simulated soil moisture, an analysis of the linear trend during the past over twenty years shows that it is getting drier in most regions of East Asia including northern China north of 30ºN but wetter in southern China and the Tibetan Plateau, especially in summer. The regionally-averaged soil moisture indicates a significant drying tendency in northeast Asia. However, no clear tendency in summer precipitation is observed during the same period. Therefore, we attribute the regional drying to increasing of the land-surface evaporation induced by global warming.\n Comparing the snow depth on the Tibetan Plateau with global temperature, we find positive relationship between them. Therefore, we attribute snow depth increasing on this region to global warming. \n3.On the basis of the CLM3-simulated soil and canopy evaporation, the climatology and spatial-temporal variations of the land water resource is explored. Analyses of the linear trend show that the land water resource was decreasing in most regions of East Asia including northern China north of 35ºN except northern Tibetan Plateau, western Xinjing Province and Hetao areas but increasing in the Tibetan Plateau and southern China during the past twenty odd years. The decreased (increased) atmospheric precipitable water is generally consistent with the downward (upward) trend of the land water resource and therefore the variation of the precipitable water is considered as an important cause.of water resource change.\n4.The simulation with CLM3-DGVM shows the dynamical interaction between the vegetation and atmosphere can reduce evaporation from the surface and increase the soil moisture in the to top levels compared with the results simulated with CLM3 only. |
| 中文关键词 | 公用陆面模式(CLM3) ; 动态植被模式 ; 土壤湿度 ; 水资源 ; 全球变暖 |
| 英文关键词 | Community Land Model (CLM3) Dynamic Global Vegetation Model (DGVM) Soil moisture Water Resource Global warming |
| 语种 | 中文 |
| 国家 | 中国 |
| 来源学科分类 | 第四纪地质学 |
| 来源机构 | 中国科学院地球环境研究所 |
| 资源类型 | 学位论文 |
| 条目标识符 | http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/286544 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 杜川利. 利用CLM3对1979-2003年东亚地区陆面过程变化的数值模拟分析[D]. 中国科学院地球环境研究所,2007. |
| 条目包含的文件 | 条目无相关文件。 | |||||
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