CLM5.0对高寒山区蒸散发模拟的适用性评估_宁锋伟.pdf

第 45 卷 第 1 期2023 年 2 月Vol.45，No.1Feb.，2023冰川冻土JOURNAL OF GLACIOLOGY AND GEOCRYOLOGYCLM5.0对高寒山区蒸散发模拟的适用性评估宁锋伟，张兰慧，曾璇，白旭亮（兰州大学 资源环境学院 西部环境教育部重点实验室，甘肃 兰州 730000）摘要：蒸散发是地表水文循环和能量交换过程的重要组成部分，且在高寒山区有极强的时空异质性，准确模拟蒸散发对于研究高寒山区水文循环过程有着重要的意义。CLM5.0（Community Land Model 5.0）是CLM模式的最新版本，具有较为完善的水文循环机制，是目前国际上发展最为完善的陆面过程模式之一。基于典型高寒山区黑河上游五个观测站的观测数据，对CLM5.0的蒸散发模拟性能进行评估。结果表明：CLM5.0在模拟蒸散发时结果总体上可信，其R值的范围在0.6010.839之间，RSR值的范围在0.9641.145之间，BIAS值的范围在-1.220-0.597 mm d-1之间。说明CLM5.0在高寒山区可以较好地捕捉观测到蒸散发的时间趋势，但仍存在一定的低估。非生长季的 BIAS 值的范围在 -0.904-0.367 mm d-1之间，生长季的BIAS值的范围在-2.094-0.794 mm d-1之间，这表明蒸散发模拟值的低估主要来自生长季的模拟。高寒草甸上 R值的范围在 0.2990.651之间，RSR 值的范围在1.1351.332之间，高寒草地上R值为0.209，RSR值为1.450，因此，CLM5.0在草甸的模拟性能优于草地。CLM5.0白天R值的范围在0.6050.840之间，RSR值的范围在0.2521.193之间，夜晚R值的范围在0.3440.651之间，RSR值的范围在0.4822.966之间，对比可知CLM5.0在白天模拟蒸散发的性能优于夜晚。这些结论可为CLM5.0的应用和改进提供科学依据。关键词：CLM5.0；蒸散发；适用性；高寒山区中图分类号：P332.2 文献标志码：A 文章编号：1000-0240（2023）01-0119-110 引言 蒸散发（evapotranspiration，ET）由土壤蒸发、冠层蒸发、植被蒸腾和冰雪升华组成，消耗了全球陆地表面总降水的三分之二，是能量和水循环的关键组成部分1-2。陆地蒸散发连接了水循环、能量循环和碳循环，是联系土壤-植被-大气连续体的关键纽带3。因此，准确估算蒸散发对于水循环过程、水资源管理等相关研究至关重要4-5。目前，蒸散发的获取手段主要分为直接观测法和间接计算法。直接观测法即通过仪器测量来获取蒸散发数据，主要包括蒸渗仪、闪烁计、Bowen比和涡度协方差技术。此类方法的优点在于可以准确得到高精度的蒸散发数据，缺点在于使用成本高、易受环境影响等6。间接计算法则主要包括传统蒸散发模型、遥感产品和陆面过程模式三类7-8。传统蒸散发模型虽然具备较为详细的物理机制，但需要大量长期连续的气象观测数据，而且受限于参数的适用性，模型在不同生态系统上的性能也呈现显著不同9。遥感产品为长时间尺度以及大区域尺度的蒸散发研究提供了便利，克服了地面监测方法中定点观测难以推广到大尺度的局限性，但是其在时空尺度上仍然存在一定的不确定性10。陆面过程模式则具备较为完善的物理机制，可以在复杂的下垫面类型上，揭示土壤-植被-大气三者之间水量和能量等的变化过程11。同时，陆面过程模式可以DOI：10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0008NING Fengwei，ZHANG Lanhui，ZENG Xuan，et al.Evaluation of CLM5.0 in simulating evapotranspiration in an alpine region J.Journal of Glaciology and Geocryology，2023，45（1）：119-129.宁锋伟，张兰慧，曾璇，等.CLM5.0对高寒山区蒸散发模拟的适用性评估 J.冰川冻土，2023，45（1）：119-129.收稿日期：2021-10-20；修订日期：2022-01-17基金项目：国家自然科学基金面上项目“祁连山区土壤水分对陆面水文过程的影响机理和模拟研究”（41877148）；“中央高校基本科研业务费专项资金”战略发展专项项目（lzujbky-2021-sp12）；中国科学院内陆河流域生态水文重点实验室开放基金项目资助作者简介：宁锋伟，硕士研究生，主要从事陆面模式的适用性评估及改进研究.E-mail：通信作者：张兰慧，副教授，主要从事高寒山区水文模型应用及改进研究.E-mail：45 卷冰川冻土利用各种观测数据和卫星遥感数据，在区域或全球尺度上生成具有较高时空分辨率的蒸散发数据，故而得到了广泛应用12-13。然而，陆面过程模式中复杂的边界条件和参数化过程，导致模式存在一定的不确定性6。因此，为了提升模式结果的可靠性，扩大其应用范围，促进陆面模式发展，进行模式性能的适用性评估是十分必要的。通用陆面过程模式（Community Land Model，CLM）是通用地球系统模式（Community Earth System Model，CESM）里的陆面模块，是目前国际上发展最为完善且最具发展潜力的陆面过程模式之一14。CLM包含了较为详尽的陆面过程，可以提供连续的地表水热模拟，得到了广泛应用15。针对其蒸散发的模拟性能，国内外学者展开了大量研究，多采用涡动相关协方差技术观测的潜热通量对模式性能进行评估16-17。例如，刘少锋等18发现CLM3.0在青藏高原草地、淮河流域的森林和水田下垫面模拟潜热通量的性能较好。Kumar等19在密西西比河流域的研究表明CLM3.5可以较好地模拟潜热通量的变化特征。杨杨等20在干旱区荒漠草原过渡带的研究表明CLM4.0能较好地模拟下垫面快速变化的潜热通量的变化特征，但模拟值较观测值还存在一定的偏差。谢志鹏等21在青藏高原高寒草甸的研究表明CLM4.5能够较好地模拟非冻结期的潜热通量的季节变化和日循环特征，但冻结期的模拟结果存在较大偏差。宋耀明等22在半干旱区退化草地的研究表明CLM4.5能较好地模拟出潜热通量的空间分布和时间变化特征，但模拟值与观测值仍然存在一定的偏差。Song等23在美国得克萨斯州湿润区的研究表明CLM5.0和CLM4.5均能较好地模拟出蒸散发的变化趋势，但也均存在一定的 偏 差。Deng 等24在 青 藏 高 原 的 研 究 表 明CLM5.0相较于CLM4.5提升了土壤蒸发的模拟性能，但是并未对比分析植被蒸腾和蒸发。综上所述，CLM系列模式对蒸散发模拟性能较好，但尚存在一定的偏差。CLM5.0是CLM模式的最新版本，在蒸散发估算方面加入了基于干表层的土壤蒸发阻力参数化（dry surface layer-based soil evaporation resistance parameterization）方案，具有较为完善的水文循环机制25-27。当前，对其蒸散发模拟性能进行评估的研究较少，故而亟需开展该方面研究。高寒山区具有复杂的气候、地形、植被与土壤条件，致使该区域的蒸散发具有强烈的时空变异性，导致对其进行准确模拟尤为困难28-29。因此，本文选取高寒山区-黑河上游为研究区，以五个观测站的观测数据对CLM5.0在高寒山区的蒸散发模拟性能进行评估分析，为陆面过程模式的应用及改进提供科学依据。1 材料与方法 1.1研究区概况黑河流域上游位于祁连山山脉（图1），流域长313 km，流域面积10 009 km2。受青藏高原的气候影响，黑河上游属于高寒亚寒带半干旱气候区30，区域内气候寒冷阴湿，由于高山深谷，地势差异明显，降水、气温及地表植被具有垂直分带性。黑河上游年蒸发量 1 0001 200 mm，日均日照时数较短，昼夜温差大，无霜期100125 d。年平均气温为-3.13.6，最低气温为-28。年平均降水范围从海拔1 900 m以下的250 mm到海拔3 600 m以上的700 mm，大多数降水（超过60%）发生在6月至9月31。该区域寒冷干旱，包含各种景观，以冰川、冻土、高山草地、高山草甸和森林为主32-33。故而，该地区成为理想的自然野外实验区34-35。本文五个观测站，阿柔站、大沙龙站、大野口站、垭口站和景阳岭站的地理位置如图1所示。1.2数据1.2.1观测蒸散发数据本文选取了阿柔站、大沙龙站、大野口站、景阳岭站和垭口站的实际蒸散发（actual evapotranspiration，ETa）观测数据和 CLM5.0模拟的蒸散发进行对比分析。其中阿柔站、大沙龙站、景阳岭站和垭口站的蒸散发数据来自国家青藏高原科学数据中心36-40（祁连山综合观测网：黑河流域地表过程综合观测网，https：/ 型）测定41。各观测站具体信息见表1。1.2.2CLM5.0的驱动数据CLM5.0的驱动数据包括大气强迫数据和地表数据。在阿柔站、大沙龙站、景阳岭站和垭口站，驱动CLM5.0的气象强迫数据来自国家青藏高原科学数据中心42-45（祁连山综合观测网：黑河流域地表过程综合观测网，https：/ 期宁锋伟等：CLM5.0对高寒山区蒸散发模拟的适用性评估地面压强、大气短波辐射、大气长波辐射和降水，时间分辨率为30 min。在大野口站，气象强迫数据中的近地面风速、近地面气温、近地面比湿和降水数据由自动气象站（美国 Spectrum 公司生产，型号：WatchDog 2000）采集，时间分辨率为1 h41；向下短波辐射、向下长波辐射和近地面压强来自国家青藏高原科学数据中心46-47（中国区域地面气象要素驱动数据集19792018年），时间分辨率为3 h。地表数据包括土壤数据（砂土、黏土的百分比和土壤有机质）和土地利用数据。其中，土壤数据来源于国家青藏高原科学数据中心48-49（面向陆面模拟的中国土壤数据集），土地利用数据也来源于国家青藏高原科学数据中心50-51（祁连山区域30 m人类活动参数产品数据集V2.0，2020年）。1.3模式介绍CLM5.0 是 NCAR（National Center for Atmosphere Research）发布的新一代陆面过程模式，对陆面过程有较为详细的描述，主要包括生物地球物理过程、生物地球化学过程、动态植被过程和水循环过程26。在CLM模拟过程中，蒸散发始终贯穿于能量平衡和水量平衡，与感热通量、土壤含水量等的变化息息相关。模式中蒸散发是通过潜热通量转换而来，潜热通量的公式是基于莫宁-奥布霍夫相似理论（Monin-Obukhov similarity theory）推导而出，公式中以水汽为研究对象，分析水汽在土壤-植被-大气之间的变化量25。在非生长季时期（L+S0.05，L和 S分别是叶、茎面积指数），在模式中可以忽略植被作用，以土壤蒸发为主，其水汽通量E为：E=Eg=(1-fsno-fh2osfc)Esoil+fsnoEsno+fh2osfcEh2osfc（1）式中：Eg为从地表到大气的水汽通量（kg m-2 s-1）；(1-fsno-fh2osfc)为网格内土壤的部分；fsno为网格内雪覆盖的部分；fh2osfc为网格内地表水覆盖的部分；Esoil、Esno和Eh2osfc分别为从土壤、雪和地表水扩散到大气的水汽通量（kg m-2 s-1）。在生长季期间（L+S0.05），CLM 模拟的蒸散图1原位观测站在研究区内的分布Fig.1Distribution of in-situ observation stations in the study area表1 观测站详情Table 1 Description of the in situ sites观测站名称阿柔大沙龙大野口景阳岭垭口经度/E100.46498.941100.285101.116100.242纬度/N38.04738.84038.55637.83838.014高程/m3 0333 7392 6983 7