李火青,買(mǎi)買(mǎi)提艾力·買(mǎi)買(mǎi)提依明*，劉永強(qiáng)，琚陳相

(1.中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所/中國(guó)氣象局塔克拉瑪干沙漠氣象野外科學(xué)試驗(yàn)基地，新疆 烏魯木齊830002；2.新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊830046）

陸面過(guò)程是地球系統(tǒng)能量物質(zhì)交互過(guò)程中最關(guān)鍵的過(guò)程之一，并始終影響不同時(shí)空尺度的天氣和氣候變化[1]。陸面為天氣和氣候模式提供必要的下墊面條件，陸面的物理特征實(shí)時(shí)作用于地表和大氣之間的能量、熱量交換[2]，從而作用于邊界層的發(fā)展。由于陸氣耦合過(guò)程的非線性特點(diǎn)，這種不確定主要是陸面過(guò)程的參數(shù)化方案的不確定性導(dǎo)致[3]。完善的陸面過(guò)程能夠比較準(zhǔn)確地模擬陸氣之間的相互作用，可以間接提升天氣預(yù)報(bào)模式的準(zhǔn)確性[4]。隨著陸面觀測(cè)資料的獲取和計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)步，陸面模型已經(jīng)發(fā)展到第五代[5-6]。為了陸面模型能夠更好地服務(wù)于天氣與氣候預(yù)報(bào)，世界氣象組織在1980—1983年實(shí)施了“世界氣候研究計(jì)劃（WCRP）”，將“陸面過(guò)程模型的比較計(jì)劃（PILPS）”確定作為改進(jìn)天氣數(shù)值預(yù)報(bào)的重要計(jì)劃之一，目前已有多種陸面模型參與了比較計(jì)劃和評(píng)估[7]。陸面模型在30多年以來(lái)的比較和評(píng)估研究發(fā)現(xiàn)，不同陸面過(guò)程模型之間的差別主要取決于陸面過(guò)程中不同的物理過(guò)程對(duì)參數(shù)化方案不同[8]。耦合在數(shù)值預(yù)報(bào)模式中的不同的陸面過(guò)程參數(shù)化方案在不斷完善和增加。因此，分析和評(píng)估區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)模式中不同陸面過(guò)程物理參數(shù)化方案對(duì)區(qū)域預(yù)報(bào)性能和模擬能力，優(yōu)選合適的陸面過(guò)程參數(shù)化方案對(duì)區(qū)域預(yù)報(bào)性能的提高有重要意義[9]。

目前主流的天氣預(yù)報(bào)模式是由美國(guó)大氣科學(xué)研究中心（NCAR）研發(fā)的 WRF（Weather Research and Forecasting），廣泛應(yīng)用于區(qū)域數(shù)值模式預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)和科研中[10]。目前發(fā)布的最新版本是WRF4.0，耦合了8個(gè)陸面過(guò)程方案，其中Noah-MP是最新耦合進(jìn)WRF的陸面過(guò)程方案[11]。陸面模型Noah-MP（The Community Noah Land Surface Model with Multi-Parameterization Options）具有多種可選物理參數(shù)化方案的優(yōu)勢(shì)[12-13]?，F(xiàn)有的研究大多數(shù)是基于不同陸面方案WRF耦合和不同區(qū)域進(jìn)行模擬分析。王秋云對(duì)比了WRF耦合三種不同陸面方案（SLAB、Noah和RUC）對(duì)高溫天氣模型性能，研究表明Noah方案對(duì)氣溫的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率最高[14]。楊揚(yáng)利用Noah、SHAW（Simultaneous Heat and Water）和CLM陸面過(guò)程模式在西北半干旱區(qū)的模擬性能對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)三個(gè)模型在能量、水量方面的模擬各有優(yōu)劣[15]。陸面過(guò)程不僅對(duì)地表溫度有影響，還作用于低空氣象特征有明顯作用，賴(lài)錫柳等研究了WRF模式不同陸面過(guò)程方案模擬蘭州新區(qū)低空氣象場(chǎng)特征，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明Noah方案對(duì)低空的風(fēng)速、溫度模擬效果不如RUC和SLAB方案[16]。不同的陸面方案對(duì)模式降水預(yù)報(bào)也有一定影響[17-18]，盧文旭利用WRF模式耦合4個(gè)陸面過(guò)程對(duì)江西南部暖區(qū)特大暴雨進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)地面水汽蒸發(fā)所釋放的潛熱以及水汽抬升和輻合釋放的潛能為維持暴雨強(qiáng)度提供了重要的能量支撐，對(duì)暴雨中心強(qiáng)度和位置變化的影響[19]。葉丹研究了基于陸面模式Noah-MP的不同參數(shù)化方案在半干旱區(qū)的適用性，通過(guò)模擬和分析選擇出半干旱區(qū)最優(yōu)參數(shù)化方案的組合[20]。目前，不同參數(shù)化方案在干旱的沙漠區(qū)域研究很少，沙漠約占陸地表面積的14.2%，是地球上面積最大的陸地系統(tǒng)，沙漠地表反照率大，土壤熱容量小，含水量低，潛熱小，是地球系統(tǒng)中重要的感熱源，對(duì)全球和區(qū)域能量平衡及氣候變化具有重要的作用[21-22]。沙漠地表有著特殊的陸面物理過(guò)程，其邊界層通過(guò)下墊面對(duì)大氣的加熱作用與全球其它區(qū)域相比差異明顯[23]。目前對(duì)Noah-MP在沙漠下墊面最有參數(shù)化方案組合的研究尚為空白，本文的研究選擇Noah-MP陸面模型，利用塔克拉瑪干沙漠大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行不同參數(shù)化方案組合模擬實(shí)驗(yàn)。分析能量、水量方面的模擬偏差，總結(jié)每個(gè)參數(shù)方案的機(jī)理，進(jìn)行有選擇的參數(shù)化方案組合試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)不同方案組合在沙漠區(qū)域的模擬偏差，并進(jìn)行分析和討論，最后選擇出最優(yōu)的組合方案。

1 資料與模型

1.1 觀測(cè)站點(diǎn)及資料

中國(guó)氣象局塔克拉瑪干沙漠氣象野外科學(xué)試驗(yàn)基地（38°58′N(xiāo)，83°39′E，1 099.3 m，簡(jiǎn)稱(chēng)塔中站）建立在深入沙漠近200 km的塔克拉瑪干沙漠腹地，主要觀測(cè)流動(dòng)性沙漠大氣邊界層的大氣物理化學(xué)特性、地－氣能量交換、風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)和沙塵暴形成與輸送以及沙漠大氣遙感參數(shù)驗(yàn)證資料等。觀測(cè)站包括80 m鐵塔觀測(cè)系統(tǒng)；地層能量探測(cè)系統(tǒng)、包括輻射平衡各分量探測(cè)儀，土壤熱通量探測(cè)儀，開(kāi)路渦動(dòng)相關(guān)系統(tǒng)；梯度氣象要素標(biāo)校自動(dòng)氣象站；邊界層垂直廓線探測(cè)系統(tǒng)。圖1為觀測(cè)塔[24]。本次研究選取2014年塔中站氣溫、降水、大氣長(zhǎng)波輻射、東向風(fēng)速、北向風(fēng)速、太陽(yáng)短波輻射、氣壓，比濕等大氣強(qiáng)迫數(shù)據(jù)以及多層土壤溫濕度、感熱、潛熱通量。

圖1 塔中站觀測(cè)塔

1.2 模式介紹

Noah LSM是基于OSU陸面模型發(fā)展而來(lái)，遵循強(qiáng)迫-恢復(fù)原理。Noah將土壤分為四層（0.1、0.3、0.6和1.0m），地表分為單層積雪和冠層，能夠全面考慮大氣、植被、積雪等局部因素對(duì)地面熱狀態(tài)的影響，描述了土壤—積雪—植被與大氣的相互作用，能夠模擬土壤溫度、土壤含水量、冠層含水量、雪深、水汽、能量通量、向上長(zhǎng)短波輻射強(qiáng)度等[25]。Noah-MP是Yang在Noah的基礎(chǔ)上改進(jìn)參數(shù)化方案：（1）加入植被冠層，將地表和冠層溫度分離計(jì)算；（2）優(yōu)化了冠層輻射傳入的二流近似方案；（3）增加植被動(dòng)態(tài)參數(shù)；（4）改進(jìn)積雪和凍土方案；（5）更新地表水滲流模型。針對(duì)不同地表環(huán)境提供的參數(shù)化方案有：輻射傳輸、動(dòng)態(tài)植被、凍土滲透率、凍土中的過(guò)冷液態(tài)水、氣孔阻抗、雪表反照率、控制氣孔阻抗的土壤濕度因子、徑流和地下水、表層拖拽系數(shù)、降雨和降雪的區(qū)分等[12-13]。Noah-MP已經(jīng)耦合在WRF中，經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和研究，得到大量科研、業(yè)務(wù)工作者的認(rèn)可。

1.3 參數(shù)化方案

參數(shù)化方案是Noah-MP的核心，是用數(shù)學(xué)、物理方法以揭示陸氣之間的能量、物質(zhì)交互過(guò)程。每一個(gè)參數(shù)化方案都是經(jīng)過(guò)對(duì)不同地表環(huán)境的大量模擬試驗(yàn)和驗(yàn)證得出，默認(rèn)的參數(shù)化方案組合不一定適合特殊的區(qū)域。本次研究區(qū)域?yàn)樯衬?，根?jù)地表特征，重點(diǎn)介紹以下幾個(gè)參數(shù)化方案：

1.3.1 輻射傳輸方案

太陽(yáng)輻射是驅(qū)動(dòng)地球系統(tǒng)的外部能量，輻射傳輸方案是計(jì)算進(jìn)入近地表層的太陽(yáng)輻射能量，對(duì)陸面模型的能量計(jì)算非常重要。Noah-MP中設(shè)計(jì)了三種輻射傳輸方案，分別是：

（1）改進(jìn)后的二流近似輻射傳輸方案。

該選項(xiàng)假定間隙概率為SZA（Sun Zenith Angel,太陽(yáng)天頂角）的功能與植被的3D結(jié)構(gòu)冠層間冠層間隙最大為1.0—GVF（當(dāng)太陽(yáng)天頂角為0時(shí)），作為輻射傳輸方案的第一選項(xiàng)：gap=F(3D,cosz)。

（2）全網(wǎng)格二流近似。

全網(wǎng)格二流近似方案采用二流近似輻射傳輸方案計(jì)算整個(gè)網(wǎng)格的輻射，默認(rèn)地表與冠層之間的高度為0，作為輻射傳輸方案的第二選項(xiàng)：gap=0。

（3）植被冠層的二流近似輻射傳輸方案。

此方案僅用于計(jì)算冠層GVF為1時(shí)的輻射傳輸，該選項(xiàng)等效“馬賽克”模型，通常對(duì)林下葉層和有積雪的冠層有過(guò)高的估算[13]，作為輻射方案第三選項(xiàng)：gap=fevg-1。

1.3.2 感熱交換系數(shù)

感熱交換系數(shù)是計(jì)算大氣與下墊面之間能量和物質(zhì)交換的關(guān)鍵參數(shù)，在Noah-MP中提供了兩種選擇，分別是Monin Obukhov相似性理論（文中簡(jiǎn)稱(chēng)M-O方案）和Chen97方案[8]。Chen97方案對(duì)感熱交換系數(shù)Ch的計(jì)算如下：

其中，κ是馮卡曼常數(shù)（取值 0.4），L是 Monin Obukhov長(zhǎng)度，z為相對(duì)高度，z0m和z0h分別是動(dòng)力學(xué)粗糙度和熱力學(xué)粗糙度，M-O方認(rèn)為z0m=z0h。周榮衛(wèi)對(duì)城市尺度的邊界層模擬研究發(fā)現(xiàn)，z0m和z0h取相同值時(shí)會(huì)對(duì)地表感熱通量的估算造成很大偏差[26]，根據(jù)塔中站的觀測(cè)和研究結(jié)果，本文z0m取值為 0.001m[27]，z0h=z0mexp(-κCRe0.5)，這里的 Re 是雷諾粗糙系數(shù)，Re=u*z0m/v，C為檢驗(yàn)常數(shù)（取值0.1），u*為摩擦速度，v是空氣動(dòng)力學(xué)粘滯系數(shù)[8]。M-O方案中的d是零平面位移高度（m）一般取決于植被/城市冠層高度，兩方案都用到了穩(wěn)定修正函數(shù)（ψm和ψh），它的差別主要體現(xiàn)在z0h的計(jì)算。

1.3.3 土壤水分因子氣孔阻抗

土壤水分因子氣孔阻抗是計(jì)算土壤濕度和土壤蒸發(fā)的關(guān)鍵參數(shù)，它是表征土壤水分變化的過(guò)程中阻礙水分從土壤氣孔移動(dòng)的因子，一般稱(chēng)作β因子。在Noah-MP中提供了三種可選的方案，分別是：（1）Noah土壤濕度方案；（2）CLM 土壤基質(zhì)勢(shì)方案；（3）SSiB不同表達(dá)函數(shù)的土壤基質(zhì)勢(shì)方案[28]。（1）Noah土壤濕度方案參數(shù)化函數(shù)可以表示為：

其中，θwilt和 θref分別是土壤水分枯竭點(diǎn)（m3·m-3）和土壤水分飽和點(diǎn)（m3·m-3），它們都取決于土壤類(lèi)型。Nroot和zroot分別是淺層和深層土壤植被根系含量。CLM的β因子是基于BATS方案改進(jìn)[29]，可表達(dá)為：

其中，ψi=ψsat(θliq，i/θsat)-b是第 i層土壤的土壤基質(zhì)勢(shì)，θsat是潛在飽和土壤基質(zhì)勢(shì)，它依賴(lài)于植被和土壤類(lèi)型。SSIB方案的β因子的計(jì)算為：

其中，從c2是坡度因子，范圍在4.36（農(nóng)田）至6.37（闊葉灌叢）[28]。CLM的β因子變化范圍比Noah的范圍更窄。這三種方案在模型中，因外部原因都有很大的不確定性。

1.3.4 積雪反照率方案

冬季積雪反照率較高，由于受到積雪表面狀態(tài)變化的影響（顏色、密度、新舊），它不是一個(gè)穩(wěn)定值。Noah-MP給出了2中可選的方案：

（1）BATS

BATS方案是計(jì)算積雪表面的可見(jiàn)光、近紅外波段的直接反射和漫反射，新雪反照率的計(jì)算包括：雪齡、SZA、粒度生長(zhǎng)和雜質(zhì)（雪上的灰塵或煙塵）等因素。

（2）CLASS

CLASS方案簡(jiǎn)單地計(jì)算了包含新雪和舊雪的整個(gè)雪表面反照率，并表現(xiàn)出良好的模擬積雪時(shí)間和地表反照率。通常BATS方案對(duì)雪表反照率模擬值相對(duì)CLASS方案偏大。

2 模擬結(jié)果分析

利用2014年塔中站觀測(cè)數(shù)據(jù)制作的Noah-MP驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，根據(jù)塔中站地理環(huán)境將模型參數(shù)表中地表比輻射率、反照率、地表粗糙度等默認(rèn)值修正[27]。本次實(shí)驗(yàn)?zāi)M時(shí)段為2014年全年，分別進(jìn)行3組不同參數(shù)化方案組合模擬實(shí)驗(yàn)，具體見(jiàn)表1。

表1 不同參數(shù)化方案組合模擬實(shí)驗(yàn)

為有效評(píng)估Noah-MP三組試驗(yàn)在塔克拉瑪干沙漠的模擬效果，本次試驗(yàn)對(duì)土壤溫度、土壤濕度、感熱通量、潛熱通量的模擬效果采用3種評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行分析，分別為：（1）效率系數(shù)（Nash-Sutcliffe Efficiency,NSE），NSE值從負(fù)無(wú)窮到1，越接近1表示模擬結(jié)果越接近觀測(cè)值，NSE=1時(shí)，表明模擬至于觀測(cè)值一致，NSE>0.5表示模擬效率可以接受，當(dāng)NSE<0時(shí)則表示模擬效率差；（2）決定性系數(shù)（R2），用于表征模擬值與觀測(cè)值之間的相關(guān)性；（3）均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE），常用于衡量模擬值與觀測(cè)值之間的偏差。其中前三個(gè)指標(biāo)主要用于評(píng)價(jià)模型的模擬性能。NSE、R2、RMSE的分別定義為：

其中，Ts，To分別是模擬值和觀測(cè)值，Ts，i，To,i分別為每個(gè)時(shí)次的模擬值和觀測(cè)值。由于塔中站通量?jī)x器觀測(cè)不連續(xù)，僅對(duì)6月20—30日的模擬輸出進(jìn)行分析。

2.1 土壤溫度

土壤溫度是陸面過(guò)程重要的物理量，它影響地表蒸發(fā)和能量平衡。在Noah-MP中土壤被分為四層，厚度分別為：0.1、0.3、0.6、1.0 m。土壤溫度也分為四層輸出，但是塔中站的土壤溫度觀測(cè)為0.05、0.1、0.2、0.4 m，目前還沒(méi)有合理的塔中站土壤溫度插值方法，因此本次研究?jī)H對(duì)0.1cm層的土壤溫度模擬值與觀測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析。

圖2為Noah-MP的10 cm土壤溫度模擬值與觀測(cè)對(duì)比曲線和散點(diǎn)圖，三組模擬值均能夠反映塔中站的土壤溫度變化，在6月23日前模擬的趨勢(shì)和偏差都比較小，在6月23日有一場(chǎng)降雨過(guò)程，土壤溫度模擬值均有明顯下降趨勢(shì)，第一、二組實(shí)驗(yàn)在降雨后的波谷偏差較大，第三組的模擬值偏差相對(duì)最小，三組模擬均能較好的反映降水過(guò)后土壤溫度升高的趨勢(shì)。值得注意的是，一次降雨過(guò)后三組土壤溫度模擬值均出現(xiàn)了相位偏差，波峰和波谷提前出現(xiàn)。根據(jù)經(jīng)典土壤熱傳導(dǎo)方程（9），當(dāng)降雨后土壤濕度增大后土壤熱傳導(dǎo)率會(huì)增大，導(dǎo)致土壤熱擴(kuò)散率增大，因此在降雨后的幾天溫度的波峰和波谷分別出現(xiàn)高估和低估，造成這種現(xiàn)象的主要原因是土壤濕度模擬存在很大的不確定性。從圖2的散點(diǎn)圖可以看出，第一組土壤模擬值總體偏低；第二組相關(guān)性最好，R2為0.913；第三組總體偏差最小，但相關(guān)性相對(duì)最低，R2為0.90。根據(jù)表1可知，第三組的NSE最大，達(dá)到0.851，且RMSE最小，僅為2.591℃。塔中站土壤為沙土，地表無(wú)植被覆蓋，經(jīng)常出現(xiàn)較強(qiáng)陣性風(fēng)。通過(guò)圖4可以看出，第三組選擇的Chen97方案能夠很好的反映感熱交換系數(shù)，而M-O方案計(jì)算感熱系數(shù)未對(duì)z0h進(jìn)行大氣穩(wěn)定度修正，在出現(xiàn)陣性風(fēng)時(shí)導(dǎo)致Ch偏高。另外根據(jù)塔中站地表覆被特征，選擇全網(wǎng)格二流近似（gap=0，無(wú)植被覆蓋）更合理，結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析表明第三組試驗(yàn)的土壤溫度模擬效果最好。

其中，T為土壤溫度（℃），z是土壤深度（m），λ 為土壤熱傳導(dǎo)率（W·m-1·℃-1），Cg為土壤的體積熱容（J·cm-3·℃-1），t為時(shí)間（s）。

2.2 土壤濕度

圖2 三組Noah-MP實(shí)驗(yàn)的10 cm土壤溫度模擬值與觀測(cè)值對(duì)比曲線和散點(diǎn)圖

表1 三組Noah-MP實(shí)驗(yàn)的NSE、RMSE分析表

土壤濕度是能量平衡、水量平衡中的重要參數(shù)，對(duì)空氣濕度、溫度的模擬和預(yù)報(bào)能夠維持較長(zhǎng)時(shí)間的作用。長(zhǎng)期以來(lái)，土壤溫度的模擬和預(yù)報(bào)都存在著明顯的不確定性和較大偏差。本次試驗(yàn)分別選取了三種土壤水分因子氣孔阻抗方案，能夠比較的只有10 cm土壤濕度。從土壤濕度模擬與觀測(cè)值對(duì)比曲線可以看出，三組模擬值能在一定程度上反映土壤濕度的變化趨勢(shì)。第一組模擬值在6月23日降水前存在高估，在降水后的2 d內(nèi)明顯低于觀測(cè)峰值，總體偏差相對(duì)最小。第二組采用的Noah土壤水分因子氣孔阻抗方案的模擬明顯偏高，在降水前偏高一個(gè)量級(jí)，但又低于6月24的日土壤濕度觀測(cè)峰值，在25日后土壤濕度開(kāi)始逐漸下降，不能反映每天土壤濕度的波動(dòng)。第三組選擇的SSiB土壤水分因子氣孔阻抗方案，降水后有緩慢的上升趨勢(shì)，但與觀測(cè)峰值差距相對(duì)最大，在降水后總體高估，且未能反映土壤濕度的波動(dòng)。從圖3散點(diǎn)圖可以看出，第一組模擬值在1：1線最集中，R2為0.79，高于其他兩組。根據(jù)表1可知，第一組NSE為0.512，在可接受范圍，RMSE為0.057，低于第二、三組。第二組的NSE為0.315，在不可接受范圍。第三組NSE最高，但RMSE又相對(duì)較大。

2.3 感熱通量

感熱通量是地表能量傳輸?shù)闹饕至?，是塔克拉瑪干沙漠的主要熱源，從圖5可以知三組試驗(yàn)?zāi)M值均能夠較好的反映感熱通量的變化趨勢(shì)，在6月23日降水前曲線吻合非常好，在降雨后的兩天第二組模擬值在波谷出現(xiàn)明顯低估。在6月24日后，三組模擬值在波峰均出現(xiàn)了高估現(xiàn)象。第一、二組試驗(yàn)選擇的M-O方案，第三組試驗(yàn)選擇的Chen97方案，三組感熱通量模擬值在波谷均有不同程度低估，前兩組在波峰出現(xiàn)高估最明顯，第三組偏差相對(duì)較小。從圖5中散點(diǎn)圖和表1可以看出，第三組模擬值相關(guān)性最好，R2達(dá)到0.982，RMSE相對(duì)最小，為31.773 W2·m-2，低于前兩組的一半，決定系數(shù)NSE為0.924，也是三組中最好的，從統(tǒng)計(jì)分析指標(biāo)來(lái)看第三組的感熱通量模擬效果最好。通過(guò)分析塔中站的地表溫度、風(fēng)速計(jì)算，由圖4可看出Chen97方案計(jì)算的Ch能夠反映隨時(shí)間變化的特征，比較符合沙漠地表感熱傳輸?shù)恼鎸?shí)情況。因此，說(shuō)明Chen97方案最適合干旱的沙漠地區(qū)感熱輸送計(jì)算。

圖3 三組Noah-MP實(shí)驗(yàn)的10cm土壤濕度模擬值與觀測(cè)值對(duì)比曲線和散點(diǎn)圖

圖4 感熱交換系數(shù)對(duì)比曲線

2.4 潛熱通量

潛熱通量主要表現(xiàn)為水的相態(tài)變化、地表/植被蒸散引起的熱量吸收和釋放，潛熱通量受土壤氣孔、溫濕度、風(fēng)速、植被狀態(tài)等多因素影響，它的模擬和預(yù)報(bào)存在較大的不確定性。三組試驗(yàn)中土壤水分因子氣孔阻抗方案分別選擇了Noah、CLM、SSiB方案，模擬效果均不理想，在6月23日降水前第一、二組模擬值變化較小，基本在0 W2·m-2附近，基本沒(méi)有隨時(shí)間變化波動(dòng)趨勢(shì)，第三組模擬值相對(duì)觀測(cè)值有相似的變化趨勢(shì)，但明顯低估。在降水后的3 d內(nèi)，三組模擬值迅速增長(zhǎng)，波動(dòng)范圍較大，總體遠(yuǎn)高于觀測(cè)值，最大偏差接近300 W2·m-2。在6月27日及以后，三組模擬值的高估情況有所改善，與觀測(cè)值變化趨勢(shì)相似，但在波谷附近均有不同程度高估現(xiàn)象，但第三組相對(duì)較好。從圖6的散點(diǎn)圖可以看出，第一、二組模擬值相對(duì)1：1線比較離散，R2分別為0.134和0.06，第三組的三點(diǎn)相對(duì)集中，R2為0.257。根據(jù)表1數(shù)據(jù)可知，三組的NSE均為負(fù)數(shù)，模擬效率較差，說(shuō)明模擬值總體偏離觀測(cè)值較大，第三組RMSE最小，為57.425 W2·m-2，綜合統(tǒng)計(jì)分析可以看出，第三組組合試驗(yàn)對(duì)潛熱通量模擬效果最好。

為了進(jìn)一步比較三組Noah-MP不同參數(shù)化方案組合模擬性能，圖7給出了三組模擬的10 cm土壤溫度和濕度、感熱、潛熱通量的泰勒?qǐng)D。在圖中，歸一化標(biāo)準(zhǔn)差用半徑表示，圓心為直角點(diǎn)；相關(guān)性用角度表示，當(dāng)點(diǎn)越靠近橫軸，則相關(guān)性越高，REF點(diǎn)為圓心的小圓半徑表示中心化均方根誤差，表示模擬值與觀測(cè)值之間偏離程度，當(dāng)點(diǎn)距REF越近則中心化均方根誤差越小，其計(jì)算公式如下：

其中，N表示樣本總數(shù)，n表示每個(gè)觀測(cè)或模擬時(shí)次，fn，rn分別為n時(shí)次的觀測(cè)值和模擬值，fˉ和rˉ分別為觀測(cè)值和模擬值的平均值。將E′換算為RMSE時(shí)需要乘變量的數(shù)學(xué)期望[24]。

圖5 三組Noah-MP實(shí)驗(yàn)的感熱通量模擬值與觀測(cè)值對(duì)比曲線和散點(diǎn)圖

圖6 三組Noah-MP實(shí)驗(yàn)的潛熱通量模擬值與觀測(cè)值對(duì)比曲線和散點(diǎn)圖

通過(guò)泰勒?qǐng)D（圖7）可看出，第三組10 cm土壤溫度離REF點(diǎn)最近，其相關(guān)性為0.952，相對(duì)最高。三組土壤濕度離REF點(diǎn)相對(duì)較遠(yuǎn)，說(shuō)明土壤濕度模擬效果均不夠理想，第一組模擬效果相對(duì)最好。第三組感熱通量離REF點(diǎn)最近，相關(guān)性達(dá)到0.991，高于前兩組，第三組的感熱通量模擬效果最好。三組實(shí)驗(yàn)的潛熱通量離REF點(diǎn)最遠(yuǎn)，且相關(guān)系數(shù)最低，第二組低至0.245，第三組相對(duì)最近。綜合以上分析可知，除了10 cm土壤濕度模擬相對(duì)較差以外，第三組的模擬性能最優(yōu)。

3 結(jié)論

圖7 三組Noah-MP實(shí)驗(yàn)的模擬性能評(píng)估泰勒?qǐng)D

本文利用塔中站2014年觀測(cè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)三組不同參數(shù)化方案組合的Noah-MP模擬實(shí)驗(yàn)，并基于觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)10 cm土壤溫濕度、感熱潛熱通量4個(gè)特征量進(jìn)行了評(píng)估。三組模擬均能夠反映塔中站4個(gè)特征量的變化趨勢(shì)，但對(duì)潛熱通量和10 cm土壤濕度的模擬效果都比較差。不同的參數(shù)化方案的差別體現(xiàn)在描述陸面熱量和水分變化的物理過(guò)程存在差別，因此導(dǎo)致了三組試驗(yàn)?zāi)M性能有差異，具體分析如下：

（1）對(duì)10 cm的土壤溫度模擬，第三組模擬效果最好，第二組次之，第一組最差。影響土壤溫度計(jì)算的主要原因是感熱交換系數(shù)和輻射傳輸方案的選擇，根據(jù)塔中站地理環(huán)境和分析結(jié)果表明Chen97方案和全網(wǎng)格二流近似（gap=0）輻射方案組合能較好的模擬沙漠土壤溫度。

（2）三組試驗(yàn)對(duì)土壤濕度模擬效果差的主要原因是塔中站氣候非常干燥，地表無(wú)植被覆蓋，土壤為疏松細(xì)小沙粒，水分含量極低，當(dāng)降水到達(dá)地面的短時(shí)間內(nèi)會(huì)蒸發(fā)一部分，因此真正進(jìn)入土壤的水分會(huì)相對(duì)減少。另外，選擇不同的土壤水分因子氣孔阻抗方案對(duì)土壤水分蒸發(fā)計(jì)算也存在差異，第一組選擇的CLM方案對(duì)土壤類(lèi)型影響蒸發(fā)方面有一定考慮，根據(jù)土壤基質(zhì)勢(shì)計(jì)算并取最小值，所以第二組對(duì)土壤濕度模擬沒(méi)有偏高現(xiàn)象，選擇Noah和SSiB方案的第二、三組土壤濕度模擬偏高。說(shuō)明CLM土壤水分因子氣孔阻抗方案更適用于干旱的沙漠區(qū)域土壤濕度模擬。

（3）三組試驗(yàn)均能夠較好的模擬感熱通量，第一、二組模擬值在波峰存在高估，尤其是第二組模擬值在降水后出現(xiàn)了明顯低估情況，第三組對(duì)高估有所克制，模擬效果最好，主要得益于選擇了感熱交換系數(shù)Chen97方案，能夠較為真實(shí)的刻畫(huà)Ch變化特征。因此，Chen97方案更適合沙漠地表的感熱計(jì)算。

（4）潛熱通量在4個(gè)特征量中模擬效果最差，主要原因是沙漠土壤水分極低，觀測(cè)降水和實(shí)際進(jìn)入土壤的水量有差異，另外沙漠地表沒(méi)有植被和植物根系，目前Noah-MP所給的參數(shù)化方案未針對(duì)極端干旱的沙漠進(jìn)行優(yōu)化，無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算土壤蒸發(fā)和植被蒸散，因此對(duì)沙漠區(qū)域的潛熱通量計(jì)算不夠理想。

綜上所述，Noah-MP的不同參數(shù)化方案組合試驗(yàn)均能夠模擬沙漠區(qū)域陸面過(guò)程，不同的組合會(huì)導(dǎo)致不同的模擬效果，其中第三組綜合模擬性能最優(yōu)。對(duì)10 cm土壤濕度和潛熱通量模擬效果差的原因不僅僅是模式參數(shù)化方案，還與土壤的物理參數(shù)、降水的觀測(cè)有關(guān)，改進(jìn)模擬效果需要對(duì)沙漠區(qū)域土壤水分因子氣孔阻抗方案進(jìn)行優(yōu)化、并給出更加真實(shí)的地表環(huán)境和土壤信息。本文的研究?jī)H能給出Noah-MP在沙漠地表模擬性能最好的參數(shù)化方案組合，需要通過(guò)長(zhǎng)期的觀測(cè)和模擬不斷優(yōu)化參數(shù)化方案，使其能夠更好地模擬沙漠地表的陸面過(guò)程，改善已耦合Noah-MP的WRF模式在沙漠區(qū)域的溫度預(yù)報(bào)性能。