陆面过程及其参数化研究---清华大学---Tsinghua-University

陆面过程及其参数化研究戴永久北京师范大学一、陆面在天气/气候系统中的重要性二、陆面过程的参数化三、陆面资料同化系统四、人类活动与全球变化相互作用的定量研究方法报告内容：一、陆面在天气/气候系统中的重要性什么是陆面过程?•天气、气候或环境系统的重要组分：–陆面与近地表大气之间的动量、能量、水分、CO2、挥发性碳（VOC）和其他微量气体；–陆面状态（即，土壤湿度、土壤温度、冠层温度、雪水当量）；–陆面特征（粗糙度、反照率、比辐射率、土壤质地、土壤养分、植被类型、覆盖比例、等)•天气、气候、水文和环境预报关键因素。•大气下边界。大气运动基本方程的下边界条件。水分收支EPY0.9mmd-12.21.4HLERTRS274065134Wm-2能量收支碳收支(自然)NEE•陆面-大气相互作用初始土壤湿度“湿”和“干”导致30天后的大气降水的差别大陆尺度蒸发-降水反馈返照率对低层大气温度的影响•Asmalleralbedoofsnowintheborealforestsreducesdramaticallythespring(March-April)errorinday5temperatureat850hPa什么是陆面过程模型？陆面过程模型：–大气模型下边界条件•大气边界层模拟•气候模拟•数值天气预报•4-D资料同化–水文模型的上边界条件•水资源估算•作物用水•径流模拟–大气/水文/生态模型的交界面为什么要进行参数化？•大尺度模型不能解析小尺度过程，即一些过程的空间尺度小于大尺度模型的模型网格尺度。•次网格过程对大尺度过程的影响只能统计表达。•次网格过程的表述参数化。•气候模型500km1000m100yrs•全球天气预报模型50km500m10days•有限区域天气预报模型10km500m2days•云分辨率模型500m500m1day•大涡模型50m50m5hours水平网格垂直网格时间跨度不同模型所需参数化方案的复杂程度不同大气模型的尺度雷诺平均方程位温方程:)(222222zyxQxwyvxut平流源分子扩散雷诺分解:'.,',','网格平均)''()''()''(zwzyvyxuxQxwyvxut:源项(即，吸收/发射辐射或潜热)Q''w:次网格(雷诺应力)输送项(即，湍流、对流)二、陆面过程的参数化服务天气预报模型的陆面模型•陆-气交换通量：–热–水–辐射–动量•生物物理的连贯性•网格物理量的可量测•计算的有效性服务气候模型的陆面模型•除包含天气模型的需求外，还需要：•生物地球化学，尤其是，影响大气CO2的过程•土地利用及其变化，即农业•植被分布的变化CommonLandModel(CoLM)预报变量与预报方程Tc冠层叶面平均温度(K)wdew冠层积水(mm)Tj土壤和雪层温度(K)wliq,j土壤和雪层液态水含量(kgm-2)wice,j土壤和雪层固态水含量(kgm-2)zj雪层厚度(j=snl+1,...,-1,0)PrognosticstatevariablesandtheequationsEnergyBalanceVSv,l,ikSkkd,v,l,ikVkkkdVRdSTdShUdVhtRateofchangeConvectionConductionRadiationinstoredheatwherekIntrinsicdensityofconstituent,kPartialvolumeofconstituent,hkSpecificenthalpyforthreewaterphasesanddrysoil,UkMassflux,Thermalconductivity,RRadiation,d,i,l,v(fordrysoil,ice,liquidandvapor)PrognosticstatevariablesandtheequationsWaterBalanceTimerateMassflowPhasechangeSourcesorsinksofmasschangewherekIntrinsicdensityofconstituentkPartialvolumeofconstituentUkMassfluxMk’kPhasechangefromphasek’tophasekk’kKroneckerdeltaSkSourceorsinktermd,i,l,v(fordrysoil,ice,liquidandvapor)kVkVkkkkSkVkkdVSdV)1(MdSUdVt模型验证单点(Offline)流域(Offline)全球(Offline)耦合大气模型耦合大气模型+资料同化GeneralityComplexity/Cost三、陆面资料同化系统陆面资料同化系统的建立目的是：为预报模式提供尽可能的准确的陆地初始场(土壤湿度、地表温度等)、模式参数、气象驱动场(u、T、q、Pr、SW、LW、Ps)的质量。观测资料同化或分析中期预报(10天)时间模式预报观测资料同化或分析模式预报观测资料同化或分析模式预报24-小时的模式预报ObservedRainfall0000Zto0400Z13/7/96(Chenetal.,NCAR)BuffaloCreekBasin初值用观测的土壤水分初值用模式预报值观测降水:模式预报的降水:土壤水分对天气预报的影响(1)12小时模式预报初值用同化的土壤水分观测降水用LIS同化的土壤水分作初值能较大程度改进预报结果土壤水分对天气预报的影响(2)Peters-Lidard,etal,2006初值没有用同化的土壤水分•陆面资料同化系统，可改善天气模式陆面状态的初始化精度，可提高天气模式中/短期天气预报质量。研究内容:1.全球土壤/土地覆盖/植被叶面积指数资料集;2.融合观测信息的陆面气象驱动场;3.卫星和地面观测资料同化方法;4.天气模式陆面数据同化系统。同化算法观测算子•初始值（土壤湿度、表面温度、雪）•陆面参数（植被/土壤/返照率/比辐射率/地形）•气象驱动•陆面模式扰动气象驱动陆面模式扰动初始状态扰动模式参数集合目前可用的（或可获得的）土壤剖面资料目前用于气候模型的中国大陆地区的土壤数据：数小于60个剖面1:1,000,000中国土壤图。(FAO/IIASA/ISRIC/ISSCAS/JRC,2009.HarmonizedWorldSoilDatabase(version1.1).FAO,Rome,ItalyandIIASA,Laxenburg,Austria.)WISE-2土壤剖面的地理分布：非洲：3998；澳大利亚和太平洋岛国：147；中国、印度、印度尼西亚和菲律宾：628;欧洲：1204；北美：326；南美和加勒比岛国：2115；西南和北亚(西北利亚)：1113；总剖面数：9607TMS土壤数据源•~9000土壤剖面(数字化全国第二次土壤调查)•1:1000000比例尺的中国土壤类型图。1HorizonThickness(cm)2SoilTexture3BulkDensity4Particle-SizeFraction%(0.05-2.0mm)5Particle-SizeFraction%(0.002-0.05mm)6Particle-SizeFraction%(0.002mm)7OrganicMatterFraction(%)8TotalN(%)9TotalP(%)10TotalK(%)11AvailableP(mg/kg)12AvailableK(mg/kg)13pHValue(H2O)14ExchangeableH+(me/100g)15ExchangeableAl3+(me/100g)16ExchangeableCa2+(me/100g)17ExchangeableMg2+(me/100g)18ExchangeableK+(me/100g)19ExchangeableNa+(me/100g)20CationExchangeCapacity(CEC)(me/100g)21Color22Structure23ConsistenceDaiY,ShangguanW,LiuB,andCoauthors,2011:AChinadatasetofsoilpropertiesforlandsurfacemodeling.(tobesubmittedtoGlobalBiogeochemicalCycles)sandfractionofthetopsoil(0-30cm)sandfractionofthesubsoil(30-100cm).clayfractionofthetopsoil(0-30cm)clayfractionofthesubsoil(30-100cm).Ks=saturatedhydraulicconductivity(cm/d)s=saturatedwatercontent(cm3/cm3)s=saturatedcapillarypotential(cm)=pore-sizedistributionindex33=Fieldcapacity(cm3/cm3)1500=Permanentwiltingpoint(cm3/cm3)TheparameterswereestimatedfrommultiplePedotransferFunctions(PTFs)asthefunctionsofthepercentagesofsand,siltandclay,organicmatterandbulkdensityoftheprofiles.20PTFsforKs15PTFsfors,,s,33,1500,respectivelyDaiY,ShangguanW,LiuB,DuanQandCoauthors,2011:DevelopmentofaChinadatasetofsoilhydraulicparametersusingpedotransferfunctionsforlandsurfacemodeling.(tobesubmittedtoJournalofHydrometeorology)SoilHydraulicParameters:FunctionsbyClappandHornberger(1978)RichardsequationOutput:Median,IndividualPTFvalueSaturatedHydraulicConductivity(cm/d)SaturatedWaterContent(cm3/cm3)at50cmdepthat50cmdepthat3cmdepthat3cmdepthSaturatedCapillaryPotential(cm)Pore-SizeDistributionIndexat3cmdepthat3cmdepthat50cmdepthat50cmdepthFieldCapacity(cm3/cm3)PermanentWiltingPoint(cm3/cm3)at3cmdepthat3cmdepthat50cmdepthat50cmdepth全球土壤资料集•HarmonizedWorldSoilDatabase(全球、1kmx1km)•中国土壤资料集•土壤质地•土壤营养元素(生物地球化学)•土壤土体厚度全球土地覆盖资料集•欧洲GlobalCover(全球、1kmx1km)•中国植被资料(1:1,000,000)•863项目全球土地覆盖/利用数据。LAI资料背景介绍(1)•全球四大主要LAI产品•MODISLAI产品优点–时间序列较长–地面验证工作多–产品算法多次更新(目前为C5版本，2006年)–产品发布快