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BCC_AVIM陆面模式不同土壤垂直离散化方案对土壤水热输送的数值模拟

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高原气象 2024年第2期43卷 303-317页

作者：刘子莎吕世华胥朋飞包逸群游辉奇杨凡成都信息工程大学大气科学学院四川成都610225 中国科学院西北生态资源环境研究院寒旱区陆面过程与气候变化重点实验室甘肃兰州730000 中国科学院大学北京100049

陆面模式中的土壤如何分层至关重要,一般情况下认为在受大气—地面界面影响较大的土壤表层应该细分,土壤越往深层,土壤层厚度的分层可以相应加大。已有研究表明:在不同天气和气候积分条件下,土壤厚度在根带以下,其对模拟结果有不同的影... 详细信息

陆面模式中的土壤如何分层至关重要,一般情况下认为在受大气—地面界面影响较大的土壤表层应该细分,土壤越往深层,土壤层厚度的分层可以相应加大。已有研究表明:在不同天气和气候积分条件下,土壤厚度在根带以下,其对模拟结果有不同的影响。这表示根据不同的研究要求,应当改变土壤的分层方式。然而什么是陆面模式中的最优土壤分层方式仍不确定。因此本文主要利用BCC_AVIM陆面模式探究不同土壤垂直离散化方案对于土壤水热属性,表面辐射通量与感热、潜热通量模拟的敏感性,从而达到提升模式模拟效果的目的。BCC_AVIM陆面模式中原土壤分层方案为10层,将土壤各层的节点深度,土壤层厚度以及土壤各层的界面深度进行插值,由原来的10层土壤层插值到20层,在本文中称为方案一;参考模式CLM5.0中的土壤垂直离散化方案并改进到BCC_AVIM陆面模式中,原土壤层次也由10层增加到20层,为本文的方案二。将改进后的方案一和方案二与原方案结果对比分析发现:(1)方案一和方案二对土壤温度的模拟与实测数据更吻合,对于各层土壤温度的数值大小与变化趋势的模拟效果有所提升,其中方案一对浅层土壤温度的模拟效果更好。(2)在土壤湿度的模拟上,三种方案对浅层土壤湿度的模拟效果较好,对深层土壤湿度的模拟效果相对较差,其中方案一对土壤各层湿度曲线变化趋势与数值大小的模拟更加贴近实测数据。(3)方案一对土壤各层是否发生冻结或消融的时间判定更合理,更加接近实测数据。整体上,方案一的模拟效果最佳。由此,得出结论:方案一相较于原方案对土壤温、湿度的模拟效果有所改善,这表明在同样的土壤深度下,更密集更细致的土壤分层有利于提升模式对土壤水热输送的模拟能力。同时,方案一的模拟效果总体优于方案二,这也表明,在相同的土壤层次下,浅中层拥有更密集的土壤分层,对于提升模式对土壤水热输送的模拟能力有一定的积极影响。

关键词：土壤分层 BCC_AVIM陆面过程模式土壤水热

青藏高原夏季砾石与有机质对土壤水热影响的数值模拟

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大气科学学报 2023年第4期46卷 549-560页

作者：陶星宇吕世华刘宜纲成都信息工程大学大气科学学院高原大气与环境四川省重点实验室四川成都610225 中国气象局华风气象传媒集团有限责任公司北京100081 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心江苏南京210044 中国科学院青藏高原研究所北京100101

青藏高原(简称高原,下同)地形复杂,各个区域土壤条件差异较大,土壤砾石与有机质对土壤水热有较大的影响。本文使用耦合了CLM4.5的区域气候模式RegCM4.7,通过修改模式所用地表数据以及相应的土壤水热参数化方案,分别建立了砾石方案(test2... 详细信息

青藏高原(简称高原,下同)地形复杂,各个区域土壤条件差异较大,土壤砾石与有机质对土壤水热有较大的影响。本文使用耦合了CLM4.5的区域气候模式RegCM4.7,通过修改模式所用地表数据以及相应的土壤水热参数化方案,分别建立了砾石方案(test2)和砾石-有机质方案(test3)。模拟结果表明:test2较原方案(test1)对于高原西部的模拟效果提升明显,但对于高原东部的模拟效果欠佳。test3在test2的基础上,提升了高原中部与东部浅层土壤的模拟效果。test3的浅层土壤区域平均温度均方根误差从2.11℃下降到0.47℃,浅层土壤区域平均湿度均方根误差从0.05 mm^(3)·mm^(-3)下降到0.01 mm^(3)·mm^(-3)。同时,三种方案均能较好地模拟高原的地表温度。其中test3误差最小,区域平均的均方根误差从2.18℃下降到0.74℃,与再分析数据更加接近。

关键词：青藏高原 RegCM4.7 砾石有机质参数化方案

青藏高原多雪年与少雪年土壤水热特征模拟分析

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高原气象 2022年第1期41卷 35-46页

作者：罗江鑫吕世华马翠丽方雪薇成都信息工程大学大气科学学院四川成都610225 中国科学院寒旱区陆面过程与气候变化重点实验室甘肃兰州730000 内蒙古包头市气象局内蒙古包头014030

利用耦合了陆面过程模式(CLM4.5)的区域气候模式(RegCM4)分别对青藏高原的一个多雪年和少雪年进行了数值模拟。通过对比模拟雪深与遥感雪深、土壤温湿度的模拟值与观测值、多雪年与少雪年的土壤温湿度模拟值,结果表明,RegCM4-CLM4.5可... 详细信息

利用耦合了陆面过程模式(CLM4.5)的区域气候模式(RegCM4)分别对青藏高原的一个多雪年和少雪年进行了数值模拟。通过对比模拟雪深与遥感雪深、土壤温湿度的模拟值与观测值、多雪年与少雪年的土壤温湿度模拟值,结果表明,RegCM4-CLM4.5可以有效模拟出高原的多雪年与少雪年特征,模拟雪深大值中心比遥感雪深高10~20 cm。土壤温度模拟效果要明显优于土壤湿度,模拟的土壤温度相关系数R为0.95~0.98,模拟的土壤湿度相关系数R为0.68~0.89。在冻结阶段(10月至次年1月),积雪的异常偏多,可以有效抑制地气间的热交换,从而使得多雪年土壤温度高于少雪年。在季节性冻土区的消融阶段(2-4月和6月),积雪对土壤还具有增湿作用,多雪年土壤湿度高于少雪年。土壤的冻结也会阻碍积雪融水的下渗,因此多雪年与少雪年土壤湿度的差异不超过±2%。在多年冻土区,积雪偏多,冻结深度加大,有利于冻土发育;而在季节性冻土区,积雪增加则不利于冻土发育。

关键词：青藏高原积雪 CLM4.5 RegCM4 土壤温湿度

区域气候模式RegCM砾石参数化方案在青藏高原不同区域土壤水分输送的模拟分析

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高原气象 2022年第1期41卷 79-92页

作者：刘宜纲吕世华马翠丽徐悦罗江鑫成都信息工程大学大气科学学院高原大气与环境四川省重点实验室四川成都610225 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心江苏南京210044 内蒙古包头市气象局内蒙古包头014030

在耦合CLM4.5的区域气候模式RegCM4.7中分别应用原始土壤水热参数化方案与改进后的砾石参数化方案在青藏高原西部、中部与东南部区域进行模拟,并根据砾石分布特征在每个区域选取单点分析了两种方案模拟结果存在差异的原因。在此基础上... 详细信息

在耦合CLM4.5的区域气候模式RegCM4.7中分别应用原始土壤水热参数化方案与改进后的砾石参数化方案在青藏高原西部、中部与东南部区域进行模拟,并根据砾石分布特征在每个区域选取单点分析了两种方案模拟结果存在差异的原因。在此基础上利用中国陆面融合再分析数据(CRA-40)检验了砾石参数化方案在高原不同区域对于土壤含水量的模拟效果。结果表明:在应用砾石参数化方案的RegCM4.7模式中:地表水分输入较其他变量是影响地表土壤水文过程的主要因素;较低的砾石含量有利于土壤水分向下传输,较高的砾石含量在高原不同区域对于土壤水分向下传输的影响作用有所不同。砾石参数化方案在高原不同区域对于土壤水分的模拟效果存在差异,在高原东南部的模拟效果提升最为明显。

关键词：青藏高原 RegCM4.7 土壤砾石参数化区域模拟效果

CMIP6模式对青藏高原多年冻土变化的分析预估

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高原气象 2022年第2期41卷 363-375页

作者：胡桃吕世华常燕杨明鑫罗江鑫程新巧成都信息工程大学大气科学学院高原大气与环境四川省重点实验室四川成都610225 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心江苏南京210044 中国科学院西北生态环境资源研究院寒旱区陆面过程与气候变化重点实验室甘肃兰州730000 四川省阿坝县气象局四川阿坝624699

利用国际耦合模式比较计划第六阶段(CMIP6)多模式的模拟结果,对比观测和青藏高原冻土图评估各模式对当前(1985-2014年)青藏高原与冻土相关气候变量以及多年冻土的模拟能力,并应用多模式集合平均的方法预估了未来4个SSP情景下2021-2040年... 详细信息

利用国际耦合模式比较计划第六阶段(CMIP6)多模式的模拟结果,对比观测和青藏高原冻土图评估各模式对当前(1985-2014年)青藏高原与冻土相关气候变量以及多年冻土的模拟能力,并应用多模式集合平均的方法预估了未来4个SSP情景下2021-2040年、2041-2060年、2081-2100年高原多年冻土的变化趋势。结果表明:CMIP6各模式都能够较好地模拟出与冻土相关气候变量的分布特征与趋势,但对于气温的模拟有着较为明显的冷偏差,对于积雪的模拟明显偏大;利用冻结数模型(SFI)计算的当前多年冻土分布与青藏高原冻土图有较好的吻合,1985-2014年的表面多年冻土面积约为134.52×10^(4)km^(2)(包含湖泊和冰川面积);随着气温的升高,21世纪青藏高原多年冻土呈现区域退化的趋势,在SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5情景下,青藏高原东部、南部以及北部边缘地区多年冻土呈现区域性退化,至2041-2060年间多年冻土面积分别减少13.81×10^(4) km^(2)、19.51×10^(4) km^(2)、18.02×10^(4)km 2和24.84×10^(4)km^(2),到21世纪末期高原多年冻土出现大规模严重的退化,仅存当前多年冻土面积的69.3%、52.5%、34.4%、26.3%。

关键词：青藏高原 CMIP6 冻结指数模型(SFI) 多年冻土预估

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闪电的分形特征研究及其在自动识别中的应用

物理学报 2013年第5期62卷 566-574页

作者：火元莲张广庶吕世华袁萍中国科学院寒区旱区环境与工程研究所兰州730000 西北师范大学物理与电子工程学院兰州730070

利用2009年夏季青海地区的快电场变化测量仪的野外观测资料,对120例地闪和77例云闪辐射场信号的分形特征进行了深入研究,结果表明地闪辐射场信号的分形维数与云闪辐射场信号的分形维数有明显的差别,再利用闪电的分形维特征,构造了5个特... 详细信息

利用2009年夏季青海地区的快电场变化测量仪的野外观测资料,对120例地闪和77例云闪辐射场信号的分形特征进行了深入研究,结果表明地闪辐射场信号的分形维数与云闪辐射场信号的分形维数有明显的差别,再利用闪电的分形维特征,构造了5个特征值,将其作为支持向量机的输入进行地闪和云闪不同放电类型的识别,有效识别率达到95%以上;通过构造地闪辐射场时间序列信号的分形维数轨迹图表明分形维数最低点对应于原时间序列的回击位置,利用分形维数轨迹中的最低点的位置能够快速准确地对地闪辐射场信号的回击点进行检测,检测率可达到100%.分形维是闪电的一种具有鉴别性的特征,可用于闪电的智能分析与自动化处理.

关键词：闪电信号分形维数支持向量机自动识别

青藏高原土壤冻融参数化改进及其在BCC_CSM气候模式中的效果对比

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高原气象 2023年第5期42卷 1093-1106页

作者：杨凡吕世华张少波徐悦胥朋飞游辉奇成都信息工程大学大气科学学院高原大气与环境四川省重点实验室四川成都610225 中国科学院西北生态资源环境研究院寒旱区陆面过程与气候变化重点实验室甘肃兰州730000 兰州大学甘肃兰州730000

考虑到冻融过程对于陆气相互作用的重要影响,本文将改进后的冻融参数化方案耦合到BCC_CSM2_MR模式中并进行了为期一年的模拟实验,根据土壤层的年变化将模拟时段划分为开始冻结、完全冻结、开始消融和完全消融四个阶段,分析了土壤温度、... 详细信息

考虑到冻融过程对于陆气相互作用的重要影响,本文将改进后的冻融参数化方案耦合到BCC_CSM2_MR模式中并进行了为期一年的模拟实验,根据土壤层的年变化将模拟时段划分为开始冻结、完全冻结、开始消融和完全消融四个阶段,分析了土壤温度、土壤温度、高原近地面风场和降水这几个气象要素。结果表明,对于浅层和深层的土壤温度,四个冻融阶段新方案的模拟都有良好的改进效果,尤其是在高原中部模拟更加准确。优化后的冻融参数化方案对土壤湿度的模拟效果改善是十分显著的,在这四个冻融时段,新方案的均方根误差和偏差在青藏高原全域都有明显的降低,主要表现在青藏高原中部地区。青藏高原上整体呈现为西风,冻结过程阶段新方案模拟结果在高原北部以及中部地区风速偏差有所减小,与对比资料更为接近;完全冻结阶段、消融过程阶段以及完全消融阶段新方案在高原北部的风速偏差减小较为明显;在冻融过程的四个阶段的降水模拟,新方案的均方根误差比原方案减小,相关系数都有提升。研究结果显示改进之后的土壤冻融参数化方案相比与原方案BCC_CSM中的模拟效果有提升,对于主要环流系统的模拟有改善。

关键词：青藏高原 BCC_CSM模式土壤冻融过程土壤温湿度

一个用于气候模式的简单冻土过程参数化方案的建立和检验(英文)

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Advances in Atmospheric Sciences 2002年第3期19卷 513-527页

作者：张宇吕世华 Cola and Arid Regions Environment and Engineering Research Institute Chinese Academy of Sciences Lanzhou

在NCAR/LSM的基础上,发展了一个简单的冻土过程参数化力案,并使用苏联 6个站的水文气象观测资料考察了耦合了新方案模式的气候效应。在新方案中,加入了对含冰量的求解和在相变过程中的能量变化;并使用Johanson的方案替代了模式中原有的... 详细信息

在NCAR/LSM的基础上,发展了一个简单的冻土过程参数化力案,并使用苏联 6个站的水文气象观测资料考察了耦合了新方案模式的气候效应。在新方案中,加入了对含冰量的求解和在相变过程中的能量变化;并使用Johanson的方案替代了模式中原有的土壤导热率的参数化方案,考虑了含冰量对土壤水热性质的影响。原模式和改进后模式的模拟结果的比较得到,冻土过程方案能够合理的模拟土壤列中的能量收支及水热性质随含冰量的变化。随着入渗的减少和径流的增加,春季的土壤湿度减小。因此,热通量的分配和土壤温度也产生了相应的变化。

关键词：冻土过程陆面过程模式气候模式气候效应含冰量土壤

青藏高原土壤砾石对能量水分输送的观测与模拟研究

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高原气象 2022年第2期41卷 376-390页

作者：陶星宇吕世华刘宜纲罗江鑫徐悦程攀成都信息工程大学大气科学学院高原大气与环境四川省重点实验室四川成都610225 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心江苏南京210044

为了检验耦合了CLM4.5的区域气候模式RegCM4.7在加入砾石参数后对青藏高原土壤能量水分输送长期的模拟效果,因此选择青藏高原阿里站、那曲站、玛多站的观测数据和中国全球陆面再分析40年产品(CRA/Land)-逐日产品(陆面产品)对模式的模拟... 详细信息

为了检验耦合了CLM4.5的区域气候模式RegCM4.7在加入砾石参数后对青藏高原土壤能量水分输送长期的模拟效果,因此选择青藏高原阿里站、那曲站、玛多站的观测数据和中国全球陆面再分析40年产品(CRA/Land)-逐日产品(陆面产品)对模式的模拟效果进行检验。结果表明:土壤温度的模拟效果较好,并且土壤深层较浅层相关系数更高,含砾石数据与再分析数据的偏差更小,多年数据的平均变化趋势更加统一;相较于土壤温度,土壤湿度的模拟效果稍差,尤其是在青藏高原中部,但是在青藏高原东部与西南部,模拟效果有较大提升,与再分析数据的偏差明显减小。通过连续多年的模拟发现,模式的模拟效果并未随着参数化方案的优化而逐年提升,而是在一定范围内波动,且每一年的模拟效果都较原模式在相关系数及均方根误差方面有所提升。

关键词：青藏高原 RegCM4.7 土壤湿度土壤温度