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基于coupmodel的三峡库区典型农林地水量平衡模拟

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农业机械学报 2014年第6期45卷 140-149,160页

作者：王贤张洪江吕相海程金花王伟李世友北京林业大学水土保持学院北京100083 中国国际工程咨询公司北京100048 交通运输部科学研究院交通环保与安全研究中心北京100029 重庆市四面山森林资源管理局重庆402296

应用coupmodel（土壤-植物-大气系统热量、物质运移综合模型），在野外观测试验的基础上对三峡库区典型阔叶林（木荷和石栎）、针叶林（杉木和马尾松）和农地（玉米）SPAC系统水量平衡进行了模拟。结果表明，土壤含水率模拟结果与实测... 详细信息

应用coupmodel（土壤-植物-大气系统热量、物质运移综合模型），在野外观测试验的基础上对三峡库区典型阔叶林（木荷和石栎）、针叶林（杉木和马尾松）和农地（玉米）SPAC系统水量平衡进行了模拟。结果表明，土壤含水率模拟结果与实测值具有较好的一致性（R^2为0．80～0．91）；蒸散是水量平衡中主要的支出项，比例高达61％，蒸散量由大到小为阔叶林（720mm／a）、针叶林（700mm／a）、农地（601mm／a）；农地年均深层渗透量（452mm／a）分别比阔叶林、针叶林高60mm和47mm，且在降雨较多的年份表现更明显；试验期间阔叶林系统水分支出高于输入，这是引起阔叶林地土壤储水呈现负补偿现象的主要原因；水分盈余是农地水量平衡的主要特征，而林地却发生了春旱和秋旱，农林地水分条件具有较大差异。植被覆盖类型对水量平衡具有重要影响。在实施植被建设、退耕还林时，选择与当地水分条件相适应的树种、采取合理的抚育措施是必要的。

关键词：三峡库区林地农地土壤含水率水量平衡 coupmodel

Modeling permafrost properties in the Qinghai-Xizang(Tibet) Plateau

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Science China Earth Sciences 2015年第12期58卷 2309-2326页

作者： HU GuoJie ZHAO Lin WU XiaoDong LI Ren WU TongHua XIE ChangWei PANG QiangQiang XIAO Yao LI WangPing QIAO YongPing SHI JianZong Cryosphere Research Station on Qinghai-Xizang Plateau State Key Laboratory of Cryospheric Sciences Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute Chinese Academy of Sciences

Water and heat dynamics in the active layer at a monitoring site in the Tanggula Mountains, located in the permafrost region of the Qinghai-Xizang(Tibet) Plateau(QXP), were studied using the physical-process-based coupmodel model, including the interaction between soil temperature and moisture under freeze-thaw cycles. Meteorological, ground temperature and moisture data from different depths within the active layer were used to calibrate and validate the model. The results indicate that the calibrated model satisfactorily simulates the soil temperatures from the top to the bottom of the soil layers as well as the moisture content of the active layer in permafrost regions. The simulated soil heat flux at depths of 0 to 20 cm was consistent with the monitoring data, and the simulations of the radiation balance components were reasonable. Energy consumed for phase change was estimated from the simulated ice content during the freeze/thaw processes from 2007 to 2008. Using this model, the active layer thickness and the energy consumed for phase change were predicted for future climate warming scenarios. The model predicts an increase of the active layer thickness from the current 330 cm to approximately 350–390 cm as a result of a 1–2°C warming. However, the effect active layer thickness of more precipitation is limited when the precipitation is increased by 20%–50%. The coupmodel provides a useful tool for predicting and understanding the fate of permafrost in the QXP under a warming climate.

关键词：高原冻土西藏青海 coupmodel 活动层厚度高原多年冻土区建模特性

Modeling Hydrothermal Transfer Processes in Permafrost Regions of Qinghai-Tibet Plateau in China

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Chinese Geographical Science 2015年第6期25卷 713-727页

作者： HU Guojie ZHAO Lin LI Ren WU Tonghua WU Xiaodong PANG Qiangqiang XIAO Yao QIAO Yongping SHI Jianzong Cryosphere Research Station on Qinghai-Xizang Plateau State Key Laboratory of Cryospheric Sciences Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute Chinese Academy of Sciences

Hydrothermal processes are key components in permafrost dynamics; these processes are integral to global warming. In this study the coupled heat and mass transfer model for(Coup Model) the soil-plant-atmosphere-system is applied in high-altitude permafrost regions and to model hydrothermal transfer processes in freeze-thaw cycles. Measured meteorological forcing and soil and vegetation properties are used in the Coup Model for the period from January 1, 2009 to December 31, 2012 at the Tanggula observation site in the Qinghai-Tibet Plateau. A 24-h time step is used in the model simulation. The results show that the simulated soil temperature and water content, as well as the frozen depth compare well with the measured data. The coefficient of determination(R2) is 0.97 for the mean soil temperature and 0.73 for the mean soil water content, respectively. The simulated soil heat flux at a depth of 0–20 cm is also consistent with the monitored data. An analysis is performed on the simulated hydrothermal transfer processes from the deep soil layer to the upper one during the freezing and thawing period. At the beginning of the freezing period, the water in the deep soil layer moves upward to the freezing front and releases heat during the freezing process. When the soil layer is completely frozen, there are no vertical water exchanges between the soil layers, and the heat exchange process is controlled by the vertical soil temperature gradient. During the thawing period, the downward heat process becomes more active due to increased incoming shortwave radiation at the ground surface. The melt water is quickly dissolved in the soil, and the soil water movement only changes in the shallow soil layer. Subsequently, the model was used to provide an evaluation of the potential response of the active layer to different scenarios of initial water content and climate warming at the Tanggula site. The results reveal that the soil water content and the organic layer provide protection against active layer deepening in summer, s

关键词：过程模拟西藏高原高原多年冻土区土壤-植物-大气系统 coupmodel 青海传热传质模型垂直温度梯度

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coupmodel模拟与应用研究进展

生态科学 2020年第3期39卷 212-220页

作者：李月万忠梅孙丽吉林大学地球科学学院长春130061 中国科学院东北地理与农业生态研究所长春130012

coupmodel模拟范围广泛,几乎涉及了陆面过程的各种环节,且具有动态预测性。该模型不但能够较为准确地模拟森林、农田、湿地以及冻土等多种生态系统的土壤水热运移和碳氮循环等过程,还能够科学地预测气候变化背景下的增温潜势。通过对Cou... 详细信息

coupmodel模拟范围广泛,几乎涉及了陆面过程的各种环节,且具有动态预测性。该模型不但能够较为准确地模拟森林、农田、湿地以及冻土等多种生态系统的土壤水热运移和碳氮循环等过程,还能够科学地预测气候变化背景下的增温潜势。通过对coupmodel的耦合原理及特点、数据的输入输出、多种参数估计方法及模拟结果检验等方面的详细介绍,深入了解了利用该模型模拟土壤-植被-大气系统的物质能量过程;coupmodel在国外多个国家和地区获得应用与认可,引入我国后,通过更改部分参数也在多个地区得到验证。在综合众多前人研究成果的基础上,将该模型与几种使用较广泛的同类模型进行了简单的对比分析,随后从模型参数简化、适用性验证和模型尺度等方面对其未来研究进展进行了探讨。

关键词： coupmodel 水热耦合物质运移土壤-植被-大气系统过程

基于coupmodel的青藏高原多年冻土区土壤水热过程模拟

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冰川冻土 2012年第5期34卷 1099-1109页

作者：张伟王根绪周剑刘光生王一博兰州大学资源环境学院甘肃兰州730000 中国科学院成都山地灾害与环境研究所山地表生过程与生态调控重点实验室四川成都610041 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所甘肃兰州730000

近年来,青藏高原多年冻土区生态环境呈现出逐年恶化趋势,从而对多年冻土活动层水热过程造成显著影响.此外,如何构建更加有效、针对寒区的陆面过程模式成为寒区研究的重点、热点之一.作为一种有效的参数估计方法,Bayes参数估计算法具有... 详细信息

近年来,青藏高原多年冻土区生态环境呈现出逐年恶化趋势,从而对多年冻土活动层水热过程造成显著影响.此外,如何构建更加有效、针对寒区的陆面过程模式成为寒区研究的重点、热点之一.作为一种有效的参数估计方法,Bayes参数估计算法具有准确估计陆面过程模式参数的能力.因此,基于2005—2008年观测数据,利用coupmodel模型对青藏高原风火山流域土壤水热运移过程进行模拟;同时,利用Bayes参数估计方法估计部分水热运移参数.结果显示:模型对土壤温度(ST)的模拟效果较好,NSE系数均在0.90以上;也能够较好模拟浅层(0～40cm)土壤水分,NSE值均达到0.80以上,而对40cm以下土壤水分的模拟结果较差.模型也能够较准确模拟活动层土壤的冻结-融化过程.模型对温度水分极值和40cm深度以下水分的模拟存在一些偏差.值得一提的是,基于重要性采样MCMC方案的Bayes参数估计算法能够有效估计水热运移参数,模型模拟结果得到极大的改进.Bayes算法能够广泛解决陆面过程模式参数估计问题.

关键词：青藏高原多年冻土区 coupmodel 水热过程 Bayes算法参数估计

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多尺度蒸散发模拟及生态水文过程分析

多尺度蒸散发模拟及生态水文过程分析

作者：赵冰茜华中科技大学

学位级别：硕士

蒸散发是连接地表水、碳、热循环的关键环节。在气候变暖背景下,实现蒸散发的准确估计对于理解陆气界面生态水文过程的响应至关重要,在农业管理、水资源综合利用等方面具有巨大的应用价值。本文从站点、流域至全球不同尺度开展模型模拟... 详细信息

蒸散发是连接地表水、碳、热循环的关键环节。在气候变暖背景下,实现蒸散发的准确估计对于理解陆气界面生态水文过程的响应至关重要,在农业管理、水资源综合利用等方面具有巨大的应用价值。本文从站点、流域至全球不同尺度开展模型模拟与比较研究,分别利用Coup Model生态模型、改进水文模型和陆地生物圈模型等对蒸散发等的变化进行了探讨,重点分析了不同尺度下ET模拟的关键影响因素并由此归纳得到了导致ET模拟误差的潜在原因。首先,针对站点蒸散发模拟所需,利用FLUXNET站点的通量和气象数据,建立了Coup Model模型,分析了1961-2020年间的不同纬度蒸散发和水分利用效率的长期变化;最后采用通径分析方法,得出不同纬度蒸散发等的主要影响因素,证实了纬度升高使得温度、辐射、降水减少,导致蒸散发主要影响因素由降水转为土壤温度,同时蒸腾比对水分利用效率直接效应减弱,土壤温度作用增强。针对高寒旱区流域水文过程模拟中蒸散发动态及水文变量变化,本研究探索了将GR4J水文模型与改进的融雪模型相结合,流域的蒸散发过程与水文变量开展研究。模型验证结果表明,改进融雪模块可以提高水文模型的性能。三种未来气候情景下流域水循环的分析结果表明,21世纪开都河流域蒸散发显著增加、降水和径流随变暖程度和时间推移逐渐呈下降趋势;开都河流域水循环响应还将呈现明显的季节特征,其中夏季的变化非常显著。陆地生物圈模型常应用于大尺度生态水文过程的模拟,本文在全球尺度上开展了蒸散发估算数值评价研究。经通量数据验证,基于扩展三重配置法融合的蒸散发表现优于单个蒸散发产品。以融合蒸散发为参考,陆地生物圈模型普遍低估了热带森林和稀树草原的蒸散发;同时13个模型平均的蒸散发表现出季节性偏差,其偏差程度取决于纬度和干湿状况。这种蒸散发误差可能是由于陆地生物圈模型缺乏植被根系动态和物候对气候变化的响应。

关键词：气候变化蒸散发 coupmodel 生态水文过程陆地生物圈模型

基于coupmodel的黄土丘陵区典型农林草地土壤水热特征研究

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基于CoupModel的黄土丘陵区典型农林草地土壤水热特征研究

作者：张敏山西大学

学位级别：硕士

晋西北黄土丘陵区气候以干旱、半干旱为主,水资源极度紧缺,是我国水土流失防治和生态环境建设的重点区域。近年来,该地区开展了大量的水土保持和退耕还林(草)工程,迫使黄土高原局部土地利用方式和生态环境默化潜移,主要表现为人造林草... 详细信息

晋西北黄土丘陵区气候以干旱、半干旱为主,水资源极度紧缺,是我国水土流失防治和生态环境建设的重点区域。近年来,该地区开展了大量的水土保持和退耕还林(草)工程,迫使黄土高原局部土地利用方式和生态环境默化潜移,主要表现为人造林草地土壤普遍干燥化,不仅导致植被成片衰退甚至死亡,而且急速恶化土壤水热环境,严重影响当地农林经济和社会民生的连续稳定成长。目前,如何科学地研究晋西北黄土丘陵区典型农林草地的土壤水热特征,揭示该地区土壤-植物-大气系统中的水热传运过程及其影响因素,探讨土地利用方式与土壤水热动态的互动关系等问题已经成为黄土高原生态修复中面临的严峻课题。本研究选取山西省五寨县农地(玉米)、林地(柠条)、草地(苜蓿)3种典型土地利用方式为研究对象,基于野外自动化观测与室内测验数据,定量剖析农林草地土壤水热的时空变化规律和平衡特点,揭示各土地利用方式下的土壤水热环境差异及其影响因素;并建立土壤属性、植物生长特征和气象条件3大数据库,运行coupmodel模拟农林草地在土壤-植物-大气系统中的水热传运过程,结合实际观测数据探讨模型的本地适用性,为更准确地判断黄土丘陵区土壤水热过程动态变化规律提供技术参考。本研究的主要研究结论具体如下:(1)黄土丘陵区农林草地土壤水分按时间变化均划分为冬季稳墒期(1-2月)、春季增墒期(3-5月)、夏季缺墒期(6-8月)、秋季增墒期(9-11月)、初冬失墒期(12月)5个阶段,但按2016-2017年土壤平均含水量排序依次为草地(15.12%)>林地(12.70%)>农地(11.33%),发现在植被恢复的初期草地水分最高且相对稳定、林地次之,并且这种差异在降水充足的月份更加凸显。农林草地土壤水分的垂直分布也不尽相同,农地土壤水分随深度增加呈减小的趋势,林草地土壤水分随深度增加呈现高低起伏的变化,但三者浅层变异程度均大于深层,农地100 cm内土层由上至下存在速变层和活跃层,林草地除此以外还存在次活跃层。农林草地土壤均出现轻微、中等、严重和极严重4级不同程度的干燥化,但干燥化在时间和空间上的分布范围各有差异,农地和林地的干燥化在土壤浅层较为严重,而草地的深层土壤干旱较严重,并且林草地的干燥化随年限增长日益加重,表现为同一深度土层的干燥化程度较之前有所加剧、干燥化持续时间延长以及同一时段的干层范围逐步向深部扩展。2016-2017年农林草地100 cm内土层平均储水量分别为草地(151.04 mm)>林地(126.84 mm)>农地(113.20 mm),其变化主要受降雨和蒸散发过程的影响,因此农林草地2016-2017年平均耗水量(ET)大小依次为林地(540.0 mm/a)>草地(536.0 0mm/a)>农地(522.9 mm/a);与同期平均降水量(P)527.4 mm 相比,农地ET/P为99.15%,降水略有0.85%的盈余储存于土壤中;林地和草地的耗水量均超过了降水量,ET/P分别为102.39%、101.63%,水分支出均高于收入呈现负平衡现象,长期耗水过大很可能造成土壤干旱,林地发生干旱的危险性最大,草地次之。(2)黄土丘陵区农林草地土壤温度时间变化同步均呈现为单峰曲线,分为升温(2-7月)和降温(8-1月)阶段,土壤温度的时间变化同气温但变化幅度较缓和且个别年份略滞后约1个月;2016-2017年土壤温度平均值依次为林地(9.5℃)>草地(8.9℃)>农地(8.5℃),平均温度年较差为草地(30.0℃)>林地(29.3℃)>农地(28.6℃),但农林草地的土壤温度不存在显著差异,虽然农地土壤温度的年较差最小,但是林地土壤温度变化趋势最为缓和,草地次之。由于土壤热导率较小、传热较慢,农林草地土壤温度随深度的变化呈现明显的垂直梯度,3-8月份随深度增加渐渐降低,9月份在垂直剖面保持恒定,10-2月份随深度增加又渐渐升高,且不同土层的温度变异程度随深度增进而渐渐减小;林地各土层的温度最高,草地各土层的平均温度比农地高,但草地冬季的表土层温度很低,影响根系吸水,草地可能会因此部分呈现脱水或缺水现象。农林草地冻融过程无明显差异,11月底开始冻结,3月底完全消融,冻融期多年平均时长为101天,多年平均最低土壤温度为-11.0℃,基本出现于1月;由于土壤热容量的季节差异,土壤冰冻过程较缓慢,而土壤消融过程较快,土壤水分与温度具有强烈的耦合关系,冻结过程中呈负相关,消融过程中呈正相关,气温对各土层温度的作用随深度而减弱;土壤的冻结过程是沿土壤剖面由上向下的单向冻结,而土壤的消融过程是双向进行的;农林草地的最大冻结深度可能在100 cm附近或偏下位置。(3)黄土丘陵区农林草地应用coupmodel模型对土壤水热传运过程的模拟结果表明,土壤热量过程的模拟成效优越于土壤水分。在土壤水分模拟方面,coupmodel模型对于水分的模拟能力较弱,农林草地剖面水分模拟的线性回归确定系数(R2)在 0.01-0.26

关键词：黄土丘陵区 coupmodel 土壤水分土壤温度模型验证

基于coupmodel模型的大兴安岭多年冻土区泥炭沼泽碳交换模拟研究

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基于CoupModel模型的大兴安岭多年冻土区泥炭沼泽碳交换模拟研究

作者：李月吉林大学

学位级别：硕士

在全球变暖背景下,北方的高纬度地区是对气候变化响应的高度敏感区域。由于高纬度地区的碳源/汇问题对于气候变化的响应仍具有不确定性,利用模型刻画该区泥炭沼泽对全球气候变化的响应工作意义重大。大兴安岭地区位于中国的东北部,是亚... 详细信息

在全球变暖背景下,北方的高纬度地区是对气候变化响应的高度敏感区域。由于高纬度地区的碳源/汇问题对于气候变化的响应仍具有不确定性,利用模型刻画该区泥炭沼泽对全球气候变化的响应工作意义重大。大兴安岭地区位于中国的东北部,是亚欧大陆高纬冻土区向南最突出的部分,也是我国受气候变暖影响最为显著的冻土区之一。以研究大兴安岭多年冻土区泥炭沼泽碳循环对气候变化的响应为目标,本研究基于生物地球化学模型(Coup Model),完成了以下研究内容:大兴安岭泥炭沼泽生长季碳交换的变化特征和影响因素分析;模型结构与参数的确定,生长季水分、热量运移和物质传输过程模拟;未来不同情景预测数据分析以及泥炭沼泽碳交换的长期变化模拟。获得的主要结论如下:(1)大兴安岭多年冻土区泥炭沼泽2016年和2019年生长季生态系统CO净交换(NEE)和生态系统呼吸(ER)呈现出明显的季节规律,泥炭沼泽生态系统从大气中吸收CO主要发生在6～8月,7月份呼吸作用强度表现最强。(2)大兴安岭多年冻土区泥炭沼泽2016年和2019年两年生长季热量和水分运移模拟结果表现为浅层模拟结果均较深层的模拟结果准确;NEE和ER模拟结果均较实测结果略低,融化深度则相对实测结果较深。(3)大兴安岭多年冻土区泥炭沼泽2021～2100年RCPs预测情景下,RCP2.6、RCP6.0和RCP8.5的平均气温分别达到了-2.68℃、-2.04℃和-0.19℃,相较过去60年平均气温(-4.17℃)分别增加了1.49℃、2.13℃和3.98℃;三种情景下未来80年生长季平均气温分别为11.60℃、12.31℃和13.82℃,较过去60年生长季平均气温(10.61℃)分别增加了0.99℃、1.70℃和3.21℃。未来情景模式下的降水呈现增加趋势,RCP2.6、RCP6.0和RCP8.5平均值分别为660.90 mm、674.82 mm和719.89 mm;RCP2.6、RCP6.0和RCP8.5情景下多年生长季平均降水量分别为529.98 mm、539.86mm和572.05 mm。(4)大兴安岭多年冻土区泥炭沼泽2021～2100年RCP2.6、RCP6.0和RCP8.5情景下的多年平均湿度总体呈下降趋势,分别为85.67%、85.58%和85.10%。结合气温的变化,可初步推测大兴安岭多年冻土区环境将向暖干化趋势发展。(5)根据未来气候变化趋势预设了两种植被演替方案,两种方案的NEE、ER和GPP总体变化趋势相似。以2053年为分界点,受增温速率影响,RCP8.5的NEE出现降低趋势,ER和GPP快速升高;两种植被方案条件下NEE、ER和GPP的模拟结果均呈现显著性差异(p<0.01);在同等增温情景下,由于生态系统植被类型的改变,导致植物的光合作用、呼吸作用和土壤呼吸作用均会受到影响,方案二的NEE、ER和GPP的模拟结果均大于方案一。(6)使用方差分析方法对两种植被方案条件下的NEE和ER影响因素分析得出,RCP2.6、RCP6.0和RCP8.5情景下的两种方案的NEE、ER和GPP均受气温影响(p<0.1);特别是RCP2.6情景下的方案二ER和GPP仅受气温影响(p<0.1)。RCP2.6情景下的方案一的ER和GPP以及RCP8.5情景下的方案二的NEE和ER还受湿度影响(p<0.1)。此外,三种情景的两种方案中的NEE、ER和GPP在不同程度上还受降水和辐射影响。

关键词：大兴安岭泥炭沼泽 coupmodel 碳交换模拟预测

青藏高原腹地多年冻土区活动层水热过程对气候变化的响应

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高原气象 2021年第2期40卷 229-243页

作者：徐洪亮常娟郭林茂孙文军兰州大学资源环境学院甘肃兰州730000

活动层作为多年冻土与大气系统之间能量和水分交换通道,其内部的水热状况是控制水循环和地表能量平衡的主要因素,并直接影响着寒区生态环境、水文过程以及多年冻土的稳定性。利用一维水热耦合模型coupmodel,对青藏高原风火山试验点活动... 详细信息

活动层作为多年冻土与大气系统之间能量和水分交换通道,其内部的水热状况是控制水循环和地表能量平衡的主要因素,并直接影响着寒区生态环境、水文过程以及多年冻土的稳定性。利用一维水热耦合模型coupmodel,对青藏高原风火山试验点活动层土壤剖面温湿度进行了模拟。模拟效率参数表明模拟结果很好地反映了研究区多年冻土活动层水热状况。基于已验证的模型,设置多种不同气候变化情形,来分析活动层内部水热状况对全球气候变化的响应。研究结果表明:(1)土壤温度与气温呈正相关关系,气温每升高1℃活动层平均增温约0.78℃,但随着土壤深度增加,增温幅度逐渐减小;(2)升温导致活动层土壤冻结和融化过程发生变化,且对融化过程的影响明显大于冻结过程;(3)活动层各深度土壤含水量随气温升高而增大,且增大幅度随土壤深度增加而不断增大;(4)在完全融化期,降水量增加降低了浅层土壤温度,升高了深层土壤温度,而完全冻结期土壤温度均随降水量增加而升高;(5)降水量增加导致活动层含水量增加,其中完全融化期土壤含水量变化最明显。因此,气候暖湿化将对青藏高原多年冻土区活动层土壤温湿度及冻融循环过程产生较大影响,可能不利于冻土发育。

关键词：青藏高原冻土活动层气候变化水热过程 coupmodel