王大洋
(中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院,廣東 廣州 510275)
精確地模擬地球表面的蒸散發(fā)對(duì)于深刻理解地表水循環(huán)過程和能量過程的變化規(guī)律具有重要意義[1-3]。與地球水循環(huán)的其他變量相比,地表蒸散發(fā)過程受到的影響因素更為復(fù)雜,如太陽(yáng)輻射、環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速、地表植被覆蓋和土壤濕度等。因此,準(zhǔn)確地描述蒸散發(fā)過程是一個(gè)十分具有挑戰(zhàn)性的課題。作為水文循環(huán)里的子過程,在水文模型里,對(duì)于蒸散發(fā)的計(jì)算相對(duì)比較簡(jiǎn)化,多數(shù)水文模型并不涉及能量過程,而只關(guān)注水循環(huán)。然而,地表能量循環(huán)過程中,對(duì)于到達(dá)地表的太陽(yáng)輻射,約48%的輻射量都被消耗于蒸散過程,這個(gè)過程中的汽化潛熱使地表約64%的降水得以重新進(jìn)入大氣,從而才有了地球最基本的水循環(huán)結(jié)構(gòu)[4-5]。
陸面模式(Land Surface Model,LSM)是用數(shù)學(xué)的公式和方法描述在太陽(yáng)輻射、大氣驅(qū)動(dòng)作用下的地表的生物物理、生物化學(xué)和生態(tài)等過程的模型。它涉及到地表水循環(huán)、能量循環(huán)、碳循環(huán)和氮循環(huán)等眾多方面,具有較為復(fù)雜而系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[6]。因此,陸面模式對(duì)于地表蒸散發(fā)過程的刻畫較水文模型更加具體和詳盡?,F(xiàn)有的陸面模式有很多,如美國(guó)的CLM(the Community Land Model)、NOAH(Unified Noah Land Surface Model)和NOAH-MP(Unified Noah Land Surface Model-Multiparameterization Options),英國(guó)的JULES(the Joint UK Land Environment Simulator),澳大利亞的CABLE(the Community Atmosphere Biosphere Land Exchange model),德國(guó)的Max-Planck-Institute機(jī)構(gòu)研發(fā)的JSBASH模式,中國(guó)的CoLM(Common Land Model)。不同的模式對(duì)于地表蒸散發(fā)過程的參數(shù)化方案存在差異。但針對(duì)模式的實(shí)用性和可靠性而言,當(dāng)前使用最廣泛的當(dāng)屬美國(guó)的CLM陸面模式?;诖?,為了評(píng)估CLM陸面模式在中國(guó)地區(qū)的蒸散發(fā)模擬的適應(yīng)性,研究選取了珠江流域,對(duì)CLM模式在該流域的蒸散發(fā)模擬效果進(jìn)行評(píng)價(jià),從而為更好地發(fā)展和完善模式提供參考。
CLM5(Community Land Model,version 5)是由美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research,NCAR)開發(fā)的陸面地表模型。它是基于LSM、IAP94和BATS 3個(gè)模式逐漸發(fā)展起來的[7-9],CLM5是CLM陸面模式的第5版,也是最新的版本,于2018年正式發(fā)布。CLM模式發(fā)展源于1996年,通過20多年的更新和迭代,發(fā)展成為了一個(gè)涵蓋地表水文循環(huán)、能量循環(huán)、碳循環(huán)、氮循環(huán)等眾多復(fù)雜地表過程的陸面模式[6]。
CLM5對(duì)于蒸散發(fā)的模擬有詳細(xì)的基于物理過程的參數(shù)化方案,其對(duì)于地表蒸散發(fā)所涉及的植被截留蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)、植被蒸騰、水面蒸發(fā)和雪升華等過程都進(jìn)行獨(dú)立計(jì)算,以水量平衡和能量平衡為基本原理進(jìn)行描述。例如,模式中的植被截留蒸發(fā)過程除了考慮最基本的氣象條件外,還考慮了植被類型、葉面積指數(shù)、葉片水量承重等要素;植被蒸騰過程則是根據(jù)氣象條件、植被葉片溫度、氣孔阻抗、植被水力傳導(dǎo)和水分利用效率等多種因素而確定;土壤蒸發(fā)則考慮了土壤含水量、土壤溫度、土壤質(zhì)地和類型等要素;各個(gè)部分的詳盡參數(shù)化方案及模塊的數(shù)值化描述,可以見模式官方技術(shù)手冊(cè)https://escomp.github.io/ctsm-docs/versions/release-clm5.0/html/tech_note/index.html。
CLM5陸面模式的運(yùn)行需要有氣象強(qiáng)迫數(shù)據(jù)作為外界驅(qū)動(dòng),本研究的氣象驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)來源于歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)發(fā)布的基于ERA5再分析數(shù)據(jù)改進(jìn)的氣象驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)[10],其中包含了太陽(yáng)短波輻射、氣溫、氣壓、比濕、風(fēng)速、降水、降雪和下行長(zhǎng)波輻射等8個(gè)氣象因子,以此作為CLM5模式的氣象驅(qū)動(dòng)。該驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)的空間分辨率為0.5°,時(shí)間分辨率為1 h,涵蓋了1980—2018年共38年的數(shù)據(jù)。為保證模式的穩(wěn)定運(yùn)行,本研究以1980—1988年作為Spin-up時(shí)段,以1989—2018年的蒸散發(fā)模擬結(jié)果作為研究評(píng)價(jià)的基礎(chǔ),設(shè)置模式輸出的時(shí)間頻率為逐月輸出,空間分辨率為0.5°。
GLEAM(Global Land Surface Evaporation Amsterdam Model)數(shù)據(jù)[11-12]是由英國(guó)布里斯托大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院Miralles博士研發(fā)的遙感蒸散發(fā)產(chǎn)品,數(shù)據(jù)可以公開免費(fèi)獲取,其地址為https://www.gleam.eu/#datasets。此產(chǎn)品以Priestley-Taylor公式為基礎(chǔ),借助多顆衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)反演得到,GLEAM用于反演蒸散發(fā)的模塊包括Gash截留模塊、Priestley-Taylor潛在蒸發(fā)模塊、考慮根區(qū)含水和植被光學(xué)厚度的蒸發(fā)脅迫壓力模塊、和土壤濕度模塊等4個(gè)模塊。產(chǎn)品的空間分辨率約25 km,時(shí)間分辨率分為日、月尺度,通過不斷更新迭代,現(xiàn)發(fā)展至V3.5版本。
本研究選取GLEAM的1989—2018共30年的實(shí)際蒸散發(fā)(Actual Evaporation),主要包括截留蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)、植被蒸騰、水面蒸發(fā)和雪升華等組分。其中,水面蒸發(fā)和雪升華量非常小,與其他組分存在數(shù)量級(jí)上的差異。因此,截留蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)和植被蒸騰三者占據(jù)蒸散發(fā)總量的絕大部分。對(duì)于GLEAM蒸散發(fā)產(chǎn)品,2017年Yang等[13]對(duì)其在中國(guó)區(qū)域的適用性進(jìn)行過詳細(xì)分析評(píng)價(jià),因此本研究不再對(duì)其在珠江流域的適用性單獨(dú)評(píng)價(jià)。此外,最近多項(xiàng)研究表明,GLEAM在多個(gè)蒸散發(fā)遙感產(chǎn)品中表現(xiàn)效果最佳[14],因此,研究以GLEAM作為蒸散發(fā)真值參考數(shù)據(jù)是有信心的。為了和CLM5的模擬輸出結(jié)果的分辨率相匹配,將GLEAM的數(shù)據(jù)采用幾何平均的方式進(jìn)行升尺度處理為空間分辨率為0.5°的網(wǎng)格。
珠江流域(圖1)位于中國(guó)南部邊陲,是中國(guó)第三大流域,華南第一大流域。流域內(nèi)地勢(shì)北高南低、西高東低,呈現(xiàn)從西北向東南傾斜的趨勢(shì)。流域涉及廣東、廣西、江西、湖南、貴州和云南等多個(gè)省(自治區(qū)),總面積約為45萬km2。流域內(nèi)分布有東江、西江、北江等三大水系,自西向東分別跨越了云貴高原、兩廣丘陵和珠江三角洲平原,其中,丘陵地貌占比超過了流域總面積的90%。流域?qū)儆跓釒Ш蛠啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,多年平均氣溫為14~22℃,水資源量較豐沛,多年平均降水量為1 300 mm,多年平均徑流約為3 412 m3。
圖1 珠江流域地理高程
研究分別選取相對(duì)誤差(RB)、均方根誤差(RMSE)和相關(guān)系數(shù)(R)作為評(píng)價(jià)CLM5蒸散發(fā)模擬表現(xiàn)的指標(biāo),其計(jì)算原理為:
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
以GLEAM數(shù)據(jù)為參考,對(duì)CLM5在珠江流域的蒸散發(fā)模擬表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)分別從時(shí)間和空間2個(gè)方面開展。
圖2a展示了1989—2018年CLM5和GLEAM的年平均變化趨勢(shì)。由圖可知,CLM5模擬的蒸散發(fā)總體呈現(xiàn)出低估的趨勢(shì),流域多年平均蒸散發(fā)為1.89 mm/d(合計(jì)690 mm/a,一年按365 d計(jì)),GLEAM遙感數(shù)據(jù)的多年平均蒸散發(fā)為2.24 mm/d(合計(jì)818 mm/a),模擬的相對(duì)誤差為 -16.07%。其中,最嚴(yán)重的低估發(fā)生在2015年,其相對(duì)誤差為-21.59%;模擬最好的年份為1991年,其低估的相對(duì)誤差為-10.09%。從蒸散發(fā)逐年的變化可以看出,CLM模擬的蒸散發(fā)在近30年的變化呈現(xiàn)出平穩(wěn)的態(tài)勢(shì),而GLEAM遙感觀測(cè)值則呈現(xiàn)出輕微上升的趨勢(shì),這一趨勢(shì)在2010年之后變得明顯。圖2b顯示了流域內(nèi)各個(gè)網(wǎng)格的逐年的蒸散發(fā)對(duì)比情況,從散點(diǎn)圖的分布可以看出,大部分的散點(diǎn)位于1∶1參考線的上側(cè),表明珠江流域總體上呈現(xiàn)蒸散發(fā)觀測(cè)值大于模擬值的現(xiàn)象,說明在年尺度上,CLM5對(duì)蒸散發(fā)的模擬表現(xiàn)為低估,這與圖2a中蒸散發(fā)的逐年變化結(jié)果是一致的。
a)流域逐年蒸散發(fā)變化
為了進(jìn)一步探究CLM5模擬出現(xiàn)低估的原因,將1989—2018年逐月的模擬值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行繪制,見圖2c。從這360個(gè)月的變化曲線不難看出,CLM5能夠較好地模擬蒸散發(fā)的季節(jié)性變化趨勢(shì),其季節(jié)性波動(dòng)規(guī)律和GLEAM數(shù)據(jù)基本一致,峰值和谷值的出現(xiàn)時(shí)間也基本同步。此外,從圖中還可以發(fā)現(xiàn),CLM5對(duì)于蒸散發(fā)的峰值模擬較谷值更為準(zhǔn)確,尤其是在2000年以前,CLM5能很好地捕捉到蒸散發(fā)的峰值;2000—2018年,CLM5對(duì)于峰值模擬稍微出現(xiàn)了低估,但相差不大。相反地,CLM5對(duì)于谷值的模擬則差強(qiáng)人意,整體均表現(xiàn)為低估,且這種低估程度隨著年份呈現(xiàn)出愈加嚴(yán)重的趨勢(shì)。上述蒸散發(fā)的對(duì)比分析表明,CLM5在蒸散發(fā)量較大的月份表現(xiàn)較為出色,在蒸散發(fā)量較小的月份則表現(xiàn)遜色。
研究將30年逐月的蒸散發(fā)模擬值和觀測(cè)值進(jìn)行比較,將散點(diǎn)對(duì)比結(jié)果繪制于圖3。由圖可知,CLM5在12個(gè)月份均表現(xiàn)出低估的現(xiàn)象,且這種低估在不同月份之間表現(xiàn)出明顯的差異。最嚴(yán)重的低估發(fā)生在5月,其相對(duì)誤差為 -64.27%。相比之下,9月份的相對(duì)誤差最小,其值為 -11.01%。對(duì)于RMSE,其最小值出現(xiàn)在10、11月,均為0.33 mm/d;最大值出現(xiàn)在5月份,其值為0.68 mm/d。12個(gè)月的蒸散發(fā)模擬值和觀測(cè)值的相關(guān)系數(shù)位于0.55~0.84之間,其中,相關(guān)性最高的月份為12月,最低的月份為10月,大部分月份的相關(guān)系數(shù)保持在0.65以上,表明模擬值和觀測(cè)值的相關(guān)性良好。
圖3 CLM5與GLEAM在1989—2018年的蒸散發(fā)逐月散點(diǎn)對(duì)比
續(xù)圖3 CLM5與GLEAM在1989—2018年的蒸散發(fā)逐月散點(diǎn)對(duì)比
綜合比較各月的散點(diǎn)圖分布可知,CLM5在蒸散發(fā)模擬時(shí)表現(xiàn)的低估是存在普遍性的,因此大多數(shù)月份的散點(diǎn)圖集中在1∶1參考線的上側(cè)。但值得注意的是,在從6月份向10月份的轉(zhuǎn)變過程中,每月蒸散發(fā)量逐漸增大(圖中表現(xiàn)為散點(diǎn)逐漸向右上角移動(dòng)),其散點(diǎn)圖的分布也逐漸向1∶1參考線靠攏,逐漸均勻地分布在參考線附近,表明該時(shí)期的模擬值呈現(xiàn)漸好的趨勢(shì)。此外,這一轉(zhuǎn)變過程中,雖然蒸散發(fā)量在逐漸增大,但RMSE卻表現(xiàn)為明顯的減小趨勢(shì),這進(jìn)一步說明了CLM5效果向好的轉(zhuǎn)變態(tài)勢(shì)。總體而言,CLM5在蒸發(fā)量大的暖季模擬表現(xiàn)較蒸散發(fā)小的冷季好,夏、秋兩季的模擬效果好于冬、春季的模擬效果。
圖4顯示了CLM5和GLEAM在珠江流域蒸散發(fā)的多年平均分布情況。從圖可以看出,CLM5能較好地模擬蒸散發(fā)在珠江流域的空間分布形態(tài)。蒸散發(fā)基本表現(xiàn)為東高西低、南高和北低的特點(diǎn)。比較之下,模擬值整體上比觀測(cè)值小,呈現(xiàn)為不同程度的低估,這與時(shí)間分析結(jié)果一致。從低估的空間分布看,最明顯的低估發(fā)生在流域的中北地區(qū),該區(qū)域部分地區(qū)的相對(duì)誤差超過了-30%。流域南部地區(qū)的低估程度最小,這些區(qū)域的相對(duì)誤差基本都在-10%以內(nèi),表明CLM5在該區(qū)域模擬表現(xiàn)較好。值得注意的是,這些區(qū)域的多年蒸散發(fā)量較其他區(qū)域大,表明CLM5對(duì)于蒸散發(fā)量大的地區(qū)模擬效果更佳,這與時(shí)間分析的結(jié)果也相同。CLM5模擬的多年平均蒸散發(fā)的相對(duì)誤差為-15.55%,RMSE為0.39 mm/d。
a)CLM5(mm/d)1.89
為了更好地分析蒸散發(fā)的年內(nèi)各月空間分布情況,將模擬值和觀測(cè)值的各個(gè)月份的多年平均值及相對(duì)誤差結(jié)果分別繪制于圖5—7中。從圖5可知,模擬的蒸散發(fā)在各個(gè)月份的空間變化和年平均結(jié)果具有相似性,同時(shí)也存在一定的差異。其相似性表現(xiàn)為從空間分布來看,呈現(xiàn)出從東南向西北遞減的趨勢(shì),這種趨勢(shì)在9—11月表現(xiàn)得尤為突出。從各月的分布情況來看,各月的蒸散發(fā)量變化劇烈,8月的蒸散發(fā)量最大,流域內(nèi)各地區(qū)的蒸散發(fā)量均在2.0 mm/d以上,其多年月平均值為3.03 mm/d,它是蒸散發(fā)量最小的1月份的4.2倍。各月份中,空間變異最大的為10月份,從該月的蒸散發(fā)空間分布可知,其最小值位于流域西北角,蒸散發(fā)量約為0.8~1.2 mm/d,而流域東南角的蒸散發(fā)量高達(dá)2.8~3.2 mm/d。結(jié)合圖3各月散點(diǎn)信息可知,10月份的點(diǎn)集分布較為離散,這一定程度佐證了該月空間變異大的分布特性。蒸散發(fā)最小的月份為1月,且該月的蒸散發(fā)空間上變化不大,基本維持在 0.8~1.2 mm/d,這可能與1月份冬季較低的氣溫有關(guān)。此外,值得注意的是流域西北的部分區(qū)域在1月份的蒸散量出現(xiàn)極端低值,其值小于0.4 mm/d。
圖5 CLM5在1989—2018年的蒸散發(fā)各月平均空間分布
續(xù)圖5 CLM5在1989—2018年的蒸散發(fā)各月平均空間分布
與GLEAM相比,CLM5模擬的蒸散發(fā)各月的結(jié)果與GLEAM觀測(cè)值在空間分布上較為類似,但呈現(xiàn)整體性的低估。就低估程度而言,最顯著的低估發(fā)生在2月份,其相對(duì)誤差為 -42.09%,該月中流域內(nèi)大部分區(qū)域的相對(duì)誤差都在 -40%以上,低估較為明顯。相反地,CLM5表現(xiàn)最好的月份為7月,流域內(nèi)大部分地區(qū)的相對(duì)誤差都維持在±10%以內(nèi),流域空間平均相對(duì)誤差和RMSE值都較小,分別為 -2.79%和0.41 mm/d。此外,6、8、 9月的相對(duì)誤差也都較小,均控制在 -10%以內(nèi)。值得注意的是,雖然各個(gè)月份總體上呈現(xiàn)出低估的表現(xiàn),但在蒸散發(fā)量較大的6—10月,流域的西北地區(qū)和中南地區(qū)仍存在輕微的高估現(xiàn)象。例如,在7月份流域西北的部分地區(qū),CLM5模擬的蒸散發(fā)高估約為10%~20%。
圖6 GLEAM在1989—2018年的蒸散發(fā)各月平均空間分布
圖7 CLM5與GLEAM在1989—2018年的蒸散發(fā)各月平均相對(duì)誤差的空間分布
a)蒸散發(fā)谷值偏低的討論。從流域的月平均時(shí)間序列可以看出,導(dǎo)致蒸散發(fā)出現(xiàn)系統(tǒng)性低估的來源是CLM5對(duì)冷季蒸散發(fā)低值的模擬出現(xiàn)低估。究其原因,有2點(diǎn)值得進(jìn)一步探討。①CLM5的蒸散發(fā)模塊的計(jì)算原理是基于改進(jìn)的Penman-Monteith公式,該公式在計(jì)算蒸散發(fā)時(shí)主要分為2項(xiàng):輻射因素控制項(xiàng)和大氣因素控制項(xiàng)。其中后者主要取決于近地表的飽和水汽壓差和空氣動(dòng)力學(xué)阻抗。地表水汽壓差與溫度有關(guān),而空氣動(dòng)力學(xué)阻抗的計(jì)算則和地表土地利用類型和下墊面的植被情況有關(guān)。在全球變暖的背景下,溫度逐漸升高的趨勢(shì)愈發(fā)顯著,且不同季節(jié)的增幅表現(xiàn)出明顯不同。根據(jù)劉綠柳等[15]對(duì)珠江流域近50年的氣候變化研究顯示,在季節(jié)性增溫中,冬季的增溫貢獻(xiàn)是最大的,夏季相對(duì)較低。而驅(qū)動(dòng)CLM5的氣象驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)可能未能較好地體現(xiàn)出這一季節(jié)性的增長(zhǎng)趨勢(shì),這將直接影響到模式對(duì)冷季蒸散發(fā)的模擬,如此可能導(dǎo)致模式在冷季出現(xiàn)低估。②在冷季,植被的存在可能會(huì)對(duì)地表起一定程度的“保溫”效果,這種效果使得地表溫度比無植被覆蓋時(shí)偏高,進(jìn)而導(dǎo)致蒸散發(fā)增加。而模式的參數(shù)化方案并不能較好地描述這一過程。此外,從王大洋[16]對(duì)珠江流域的廣東省近30年NDVI數(shù)據(jù)分析顯示,廣東省的NDVI呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì),表明其植被覆蓋正在增加。而在模式中,地表數(shù)據(jù)是基于某一歷史時(shí)期的靜態(tài)數(shù)據(jù),而非動(dòng)態(tài)模擬。在冷季,植被的存在對(duì)地表的保溫作用使得地表的蒸散發(fā)過程變得更加復(fù)雜,而這種植被所帶來的保溫作用似乎也不能被模式模擬到,這可能也是導(dǎo)致模式在冷季表現(xiàn)出蒸散發(fā)低估的原因。
b)蒸散發(fā)變化趨勢(shì)的討論。隨著全球變暖,蒸散發(fā)也呈現(xiàn)出明顯增加的趨勢(shì)。Pascolini等[1]于2021年發(fā)表在Nature期刊上的文章顯示,在2003—2019年間,全球蒸散發(fā)量增加了10%。因此,全球變暖引起蒸散發(fā)的增加逐漸成為不爭(zhēng)的事實(shí)。借助衛(wèi)星遙感技術(shù),蒸散發(fā)的增加趨勢(shì)可以被較好的捕捉到。從本文研究結(jié)果可知,在珠江流域,基于遙感觀測(cè)的GLEAM數(shù)據(jù)是存在上升趨勢(shì)的,而這一趨勢(shì)并未能被CLM5陸面模式捕捉到,CLM5模擬結(jié)果表現(xiàn)為平穩(wěn)的態(tài)勢(shì)。原因可能是多方面的,如輸入氣象驅(qū)動(dòng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的不確定性、地表數(shù)據(jù)的精度、模式中參數(shù)化方案的科學(xué)性以及人類活動(dòng)的影響等。
研究采用CLM5陸面模式對(duì)珠江流域1989—2018年地表過程進(jìn)行模擬,以基于GLEAM的遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)為參考數(shù)據(jù),對(duì)CLM5的蒸散發(fā)模擬表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià),主要得到以下結(jié)論。
a)時(shí)間上,CLM5能較好地模擬流域內(nèi)蒸散發(fā)的季節(jié)性變化規(guī)律。然而,CLM5模擬的蒸散發(fā)量總體呈現(xiàn)低估的表現(xiàn),但低估程度并不嚴(yán)重,多年平均相對(duì)誤差為-16.07%。低估的原因主要來自于對(duì)冷季蒸散發(fā)低值的低估。CLM5對(duì)暖季蒸散發(fā)量高值的模擬則比較準(zhǔn)確。
b)空間上,CLM5基本能較好地模擬流域的蒸散發(fā)空間分布形態(tài),其對(duì)流域東南部、中南部和西部部分區(qū)域的模擬效果較其他區(qū)域更佳,對(duì)流域中北部部分地區(qū)模擬表現(xiàn)較差。
c)蒸散發(fā)涉及到流域水循環(huán)和能量循環(huán)等諸多方面、同時(shí)又受到人類活動(dòng)的影響,要現(xiàn)實(shí)對(duì)其精準(zhǔn)的模擬仍需要付出持續(xù)的努力。