宋海燕

(哈爾濱師范大學(xué))

0 引言

根據(jù)IPCC 第五次報(bào)告，近百年全球平均溫度大約升高了0.85 ℃，在全球絕大多數(shù)地區(qū)呈現(xiàn)增高趨勢，這種增高趨勢在北半球中高緯度陸地的冬季和春季尤其顯著[1].全球陸地表面平均溫度以 0.19 ℃·(10a)-1速率升高，且北半球增溫幅度高于南半球，19 世紀(jì)中期以來，中國地表平均氣溫增溫速率為 0.24 ℃·(10a)-1[2].地表溫度是表征地氣間相互作用的重要參數(shù)之一，其變化特征直接反映了土壤熱狀況對氣候變化的響應(yīng)程度[3-6]，此研究受到國內(nèi)外學(xué)者的密切關(guān)注.目前獲得地表溫度的主要方法有站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)、遙感技術(shù)和模型模擬.雖然實(shí)測的站點(diǎn)數(shù)據(jù)更加可靠，但是考慮到受限于站點(diǎn)的數(shù)量及地理位置，只能用來表征小范圍內(nèi)的地表溫度變化情況.衛(wèi)星遙感技術(shù)可以用來獲取較高分辨率及大范圍的地表溫度數(shù)據(jù)，但是這些數(shù)據(jù)集的收集受云層影響較大，難以用來表征歷史地表溫度的變化情況.

利用陸面模式模擬地表溫度，不僅能獲得高空間分辨率的模擬值，而且在時間上也更加連續(xù)，是目前研究地表溫度變化特征的一種有效手段.辛羽飛等學(xué)者利用CoLM模式對典型干旱區(qū)和青藏高原區(qū)地表溫度進(jìn)行數(shù)值模擬[7].結(jié)果表明:CoLM模式對該區(qū)陸面過程模擬較好,模擬的地表溫度與觀測值相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.885,對地表溫度模擬較好.劉少峰等利用陸面過程模式(CLM)對東亞地區(qū)不同下墊面(水田、高原稀疏植被下墊面、森林)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明,CLM模擬的高原稀疏植被下墊面的地表氣溫跟實(shí)測較為接近[8].孟含等利用不同大氣強(qiáng)迫數(shù)據(jù)集(CMFD,GSWP,CRU-NCEP)驅(qū)動陸面模式 CLM 5.0，輸出黃河流域上中游冬、夏季地表溫度的模擬結(jié)果并進(jìn)行對比分析[9].結(jié)果表明:CLM5.0對地表溫度有良好的模擬性能.

由于GSWP數(shù)據(jù)更新到2014年，所以該文模擬的地表溫度時間范圍是2013年12月～2014年11月，空間分辨率為 0.1° × 0.1°.考慮到模型自身的Spin-up，利用2013年1～11月GSWP數(shù)據(jù)集作為大氣強(qiáng)迫數(shù)據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)作為初始場，在此基礎(chǔ)上再模擬得到2014年地表溫度結(jié)果.

1 研究區(qū)概況

中國東北地區(qū)(38°N～54°N，115°E～136°E)，是中國的一個地理大區(qū)，其包括黑龍江省、吉林省、遼寧省以及內(nèi)蒙古自治區(qū)東部.土地地面積為124萬 km2，占全國國土面積的10.7%.東北地域廣闊，位于中國緯度最高的地區(qū)，氣候類型多樣，主要?dú)夂蝾愋蜑闇貛Ъ撅L(fēng)氣候，年平均氣溫-5～11℃，全年降水量為300～1000 mm，冬季漫長，雨量集中于夏季.中國東北地區(qū)是中國最大的糧食產(chǎn)區(qū)，擁有中國最大的平原—東北平原，包括三江平原、松嫩平原、遼河平原.

2 模型簡介

2.1 陸面模式的發(fā)展過程

縱觀對國內(nèi)外陸面模式的研究歷程，陸面模式的發(fā)展經(jīng)歷了三代.Bukydo M L于1956年首先提出了孤立物理過程的“水桶”模式(也稱水箱模型)，將氣候模式耦合到該模式中，方案簡單，物理過程相對較少，該模式缺乏對各部分的熱量交換及地表植被會對模擬結(jié)果產(chǎn)生影響的考慮，直接采用了地表參數(shù)的均值，將地面的蒸發(fā)與桶里的水量假設(shè)成是成線性關(guān)系的，地表徑流利用“蓄滿產(chǎn)流”機(jī)制計(jì)算[10].考慮到第一代的陸面過程模型相對比較簡易，無法提供更加細(xì)致和更加深入的科學(xué)研究價值，需要將其進(jìn)一步的完善.

第二代陸面模式在進(jìn)行模擬的同時也考慮了植被的影響，細(xì)致考慮了大氣、植被和土壤圈之間相互作用.并考慮了不同波段的光在植被群叢中的傳輸，在物理規(guī)律的基礎(chǔ)上進(jìn)行輻射傳輸以及水分和能量交換.在進(jìn)行各層土壤間的水分交換計(jì)算時將土壤細(xì)致的分成若干層，同時下墊面植被和土壤類型也被分為若干類型.相對第一代水桶模式，第二代模式具有更真實(shí)的物理特性，在模擬水分循環(huán)和能量分配方面有了很大改善.雖然第二代陸面過程模型考慮到了生物圈循環(huán)過程，但還是未細(xì)致的考慮到植被對生物化學(xué)過程的動態(tài)描述.主要代表模型有生物圈-大氣圈傳輸方案BATS[11]、簡單生物圈模式SiB[12]及大氣所陸面過程模IAP-LSM-1994[13].

第三代陸面模式在第二代模型的基礎(chǔ)上考慮了植被的生物化學(xué)過程，在陸面模式中加入了光合作用和氣孔導(dǎo)度模式，考慮到了冠層的光合作用.由于添加了物理生化模型，第三代陸面模式能夠?qū)㈥憵庵g的水分、能量和碳交換有機(jī)耦合在一起，模擬性能得到提高，模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確性，模型也被廣泛應(yīng)用.主要代表模型有：Noah-MP[14]及LSM[15].

陸面模式發(fā)展到今天，經(jīng)過三代模式的更新以及改進(jìn)，數(shù)值模擬已經(jīng)達(dá)到了更高的精度.能夠模擬地表溫度的陸面模式較多，參數(shù)化方案差別也較大.CLM模型作為陸面模式第三代中比較完善且精確的模型，廣泛的應(yīng)用于陸面過程的模擬中，很多學(xué)者[8-9]采用CLM模型模擬地表溫度.該文將利用CLM5.0對東北地區(qū)的地表溫度進(jìn)行模擬.

2.2 CLM5.0簡介

陸面模式CLM(Community Land Model)最初是由美國國家大氣研究中心(NCAR)研制的,是公用地球系統(tǒng)模式CESM(Community Earth System Model)的陸面模塊，還包括大氣模塊、海洋模塊、海冰模塊、陸冰模塊等，已經(jīng)被耦合在多個氣候模式中.其借鑒和吸收了NCAR的陸面過程模式LSM[15]、中國科學(xué)院大氣物理研究所陸面過程模式IAP94[13]和生物圈——大氣圈傳輸方案陸面模式BATS[4]等陸面模式的優(yōu)點(diǎn)和相對完善的過程描述.

CLM模型發(fā)布之后在國內(nèi)外眾多學(xué)者的改進(jìn)下，現(xiàn)在已經(jīng)更新到CLM5.0.CLM5.0在CLM4.5的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)，是CLM系列模型中的最新一代.模型的大部分主要組件得到了改進(jìn)，該版本的大部分主要組分均更新，土壤和植物水文、積雪密度、河流建模、碳氮循環(huán)和耦合以及作物建模都發(fā)生了顯著的變化.水文方面的更新包括引入了基于干表面層的土壤蒸發(fā)阻力參數(shù)化方法、修訂了冠層攔截參數(shù).林冠攔截被分為液態(tài)和固態(tài)，被攔截的雪由于風(fēng)或高于地面溫度而落地.冠層被雪覆蓋部分開始參與冠層輻射和地表反照率計(jì)算.為了更真實(shí)地捕捉溫度效應(yīng)，新雪密度參數(shù)得到了更新，并考慮了風(fēng)對新雪密度產(chǎn)生的影響.模式模擬的最大雪層數(shù)從5層增加到12層，雪水當(dāng)量可以從1 m模擬到10 m，以允許在持續(xù)積雪的地區(qū)形成雪凍.

CLM5.0主要包括動態(tài)植被過程、生物物理過程、生物地球化學(xué)過程、以及水文循環(huán)過程四個部分(如圖1所示).動態(tài)植被過程細(xì)致考慮了群落成分和植被結(jié)構(gòu)在長時間序列尺度上的變化，并保持與土地利用一致；在生物物理過程主要考慮了陸氣間能量和物質(zhì)的交換；生物地球化學(xué)過程主要描述生物揮發(fā)性有機(jī)化合物、碳等過程；水文循環(huán)過程主要包括植被徑流、滲透等過程.

圖1 CLM5.0模擬過程

用嵌套的多層次的次網(wǎng)格結(jié)構(gòu)來描述CLM5.0空間異質(zhì)性，每個網(wǎng)格被分成三個層次，分別為陸地單元、土壤柱單元和植被功能類型.每個網(wǎng)格里包含了多層的陸地單元，每個網(wǎng)格里也可以有許多土柱，每個網(wǎng)格里也包含多個植被功能類型.第一層為陸地單元分類，旨在更好的展示空間異質(zhì)性導(dǎo)致的下墊面的區(qū)別，有湖泊、冰川、植被、城市和作物(作物模型選項(xiàng)被打開時)；陸地單元包含對土壤顏色、土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)密度、土壤深度以及熱力傳導(dǎo)度等土壤物理性質(zhì)的描述.第二層是土柱單元，將土壤層分為25層(其中20層為土層，最下面5層為基巖層)，根據(jù)雪的深度將雪層分為10層，每個柱單元都獨(dú)立的展示了一些狀態(tài)變量以及這些變量的潛在變化，其中主要包括土壤水分和溫度的垂直分布；第三層是植被單元，包含了主要的植被功能類型或裸地.為了表征按照植被之間的不同生物物理和化學(xué)差異將這一層單元的進(jìn)行劃分.模型將這些植被按照其生物物理以及化學(xué)性質(zhì)分為16種植被功能類型(見表1).第三層的植被功能類型層將與地表相關(guān)的通量過程和植被狀態(tài)變量進(jìn)行了定義，比如植被反照率和植被溫度.

表1 CLM5.0中植被類型

3 數(shù)據(jù)來源與研究方法

3.1 大氣強(qiáng)迫數(shù)據(jù)

該文所用的大氣強(qiáng)迫數(shù)據(jù)集為GSWP 第3期數(shù)據(jù)集(http://hydro.iis.u-tokyo.ac.jp/GSWP3/)，它是利用NCEP模式進(jìn)行的第二版再分析得到的數(shù)據(jù)，利用全球光譜模型，通過光譜輕推數(shù)據(jù)同化技術(shù)，動態(tài)地將再分析資料縮小到T248(0.5°)，產(chǎn)生的一套多模式集合的數(shù)據(jù)集.包含的大氣輸入變量有2 m比濕(kg/kg)、降水量(mm/s)、2 m氣溫(K)、風(fēng)速(m/s)、向下長波輻射(W/m2)、向下短波輻射(W/m2)以及近地表氣壓(Pa).其時間跨度為1901～2014 年，時間分辨率為3 h，空間分辨率為0.5°×0.5°.

3.2 再分析數(shù)據(jù)集

該文所用的再分析數(shù)據(jù)ERA5-Land來源于ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts).其空間分辨率為 0.1° × 0.1°，時間分辨率為逐小時.將模型數(shù)據(jù)與世界各地的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合，并利用物理定律得到一個全球范圍內(nèi)完整和一致的數(shù)據(jù)集，提供了一套高質(zhì)量的再分析數(shù)據(jù)集.

3.3 模擬結(jié)果的評價指標(biāo)

該研究采用相關(guān)系數(shù)(R)分析方法來衡量CLM5.0的模擬值與再分析數(shù)據(jù)之間的差別，用來評估模型對東北地區(qū)地表溫度模擬的能力.

4 結(jié)果分析

利用GSWP驅(qū)動陸面模式CLM5.0得到東三省2013年12月～2014年11月地表溫度日值，并將模擬值與再分析數(shù)據(jù)ERA5-Land日值進(jìn)行對比分析，如圖2所示，CLM5.0模擬數(shù)值與ERA5-Land再分析數(shù)據(jù)有較好的一致性，相關(guān)系數(shù)為0.991(p=0<0.01).

圖2 2013年12月～2014年11月地表溫度模擬值與在分析數(shù)據(jù)(℃)

將2014年3～5月界定為春季，2014年6～8月為夏季，2014年9～11月為秋季，2013年12月～2014年2月為冬季，分別將模擬值與再分析數(shù)據(jù)做相關(guān)，見表2，結(jié)果表明CLM5.0對春季、秋季及冬季模擬性能較好，對夏季模擬性能較弱.但都表現(xiàn)出與再分析數(shù)據(jù)的顯著相關(guān)，表明陸面模式對東北地區(qū)季節(jié)性地表溫度有較高的模擬性能，能夠重現(xiàn)東北地區(qū)的地表溫度變化情況.

表2 地表溫度模擬與再分析數(shù)據(jù)R值