CLM_5.0对干旱环境中...区土壤温度模拟的适用性评估_曾璇.pdf

第 41 卷 第 3 期2023 年 6 月Vol.41 No.3June，2023干旱气象Journal of Arid MeteorologyCLM 5.0对干旱环境中高寒山区土壤温度模拟的适用性评估曾璇，张兰慧，白旭亮，刘宇，安琦（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：土壤温度反映土壤的热状态，对地表能量交换起重要作用，是影响土壤水热再分配的关键性因素。高寒山区水热传输复杂且特殊，准确模拟土壤温度对于研究高寒山区水循环过程有重要意义。CLM 5.0（Community Land Model 5.0）是CLM模式的最新版本，是目前国际上最先进的陆面过程模式之一。本文基于黑河流域上游9个典型观测站实测数据，对CLM 5.0的土壤温度模拟性能进行评估。结果表明：（1）CLM 5.0可以很好地模拟土壤温度在高寒山区的年内变化和年际变化，但模拟值相较实测值普遍存在低估。（2）CLM 5.0对土壤温度的模拟性能在高寒草甸略高于草地，土壤浅层优于深层。（3）CLM 5.0模拟的土壤温度在生长季和非生长季均呈现低估，且非生长季低估更明显；在冻结期和非冻结期均为低估，且冻结期低估更明显。（4）非生长季土壤温度的明显低估主要是冻结期土壤温度的明显低估引起，CLM 5.0中土壤冰的模拟偏差是主要原因。以上结论可为陆面过程模式CLM 5.0在高寒山区的应用及改进提供科学依据。关键词：CLM 5.0；土壤温度；适用性；高寒山区文章编号：1006-7639（2023）03-0368-12 DOI：10.11755/j.issn.1006-7639（2023）-03-0368中图分类号：P332.2；P423.3 文献标志码：A引 言土壤温度是地球表面主要物理参数之一，是影响能量循环、水循环和碳循环的关键参数（Zhang et al.，2022），影响着一系列生物、化学和物理过程（Qi et al.，2019），如 植 物 生 长（Hatfield and Prueger，2015）、土壤呼吸（郑新倩等，2018；张琳焓等，2022）、凋落物分解（Hobbie，1996）、土壤表面蒸发（Feldhake and Boyer，1986）、土壤水冻结和融化（权晨等，2018）等，是描述区域环境与气候条件的代表性要素（Hu and Feng，2003；Zhang et al.，2022）。在陆面过程模式中，土壤温度是一个极其重要的变量（Ukkola et al.，2016a；Oogathoo et al.，2022），其模拟性能通过影响土壤热通量（An et al.，2017；Cuntz and Haverd，2018），进而影响感热通量和潜热通量的模拟性能（Ukkola et al.，2016a；Ukkola et al.，2016b）。感热通量和潜热通量对降水和气温产生影响（Seneviratne et al.，2010），而降水和气温的模拟误差又会影响融雪时间、土壤温度、生长季节长度等（Oogathoo et al.，2022）。此外，在相变过程中，土壤水分与热传输耦合，土壤温度的变化同土壤水分相互作用，因此土壤温度模拟性能的准确性直接影响土壤水分模拟性能的准确性，特别是存在冻融过程的高寒山区和缺水的干旱半干旱地区，土壤温度模拟的准确性对土壤液态水的模拟尤为重要（Cuntz and Haverd，2018；Oogathoo et al.，2022）。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，是目前国际上最具发展潜力且发展最完善的陆面过程模式之一（Dickinson et al.，2006）。CLM 包含了详细的陆面曾 璇，张兰慧，白旭亮，等.CLM 5.0对干旱环境中高寒山区土壤温度模拟的适用性评估 J.干旱气象，2023，41（3）：368-379，ZENG Xuan，ZHANG Lanhui，BAI Xuliang，et al.Evaluation of CLM 5.0 on simulating soil temperature in alpine mountainous area in arid environment J.Journal of Arid Meteorology，2023，41（3）：368-379，DOI：10.11755/j.issn.1006-7639（2023）-03-0368收稿日期：2022-12-11；改回日期：2023-03-02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）资助作者简介：曾璇（1998），女，四川德阳人，硕士生，主要从事陆面模式的适用性评估。E-mail:。通信作者：张兰慧（1983），女，甘肃白银人，副教授，主要从事高寒山区水文模型应用及改进研究。E-mail:。第 3 期曾璇等：CLM 5.0对干旱环境中高寒山区土壤温度模拟的适用性评估过程，可以连续地模拟地表水热，已被广泛应用（朱昱作等，2019）。针对CLM对土壤温度的模拟性能，有学者开展了大量研究，指出CLM模式能较为准确地模拟出土壤剖面和各土层土壤温度的时空分布及年际变化（陈海山等，2010；陈猛等，2015），但依然存在一定的偏差，主要表现在：CLM模式普遍低估了土壤温度（陈海山等，2010），且模式对浅层土壤温度模拟较好，而土壤深层则相对较差（夏坤等，2011；陈渤黎等，2014a；张兴山等，2014；杨扬等，2016）；在季节性冻土区域，CLM模式对冻融过程中土壤温度模拟较好，但冻结期的模拟精度低于非冻结期，冻结期模拟值普遍偏低（夏坤等，2011；陈渤黎等，2014a）。CLM 5.0是CLM模式的最新版本，具有较完善的 水 文 循 环 机 制（Swenson and Lawrence，2014；Lawrence et al.，2019；Magliulo et al.，2021）。相较于CLM 4.5，CLM 5.0在土壤、雪密度和作物建模上有显著改进（Lawrence et al.，2019）。然而，高寒山区具有复杂的气候、地形、植被与土壤条件，分布着大量积雪和冻土，冻融过程使得水热传输更加特殊和复杂，导致对土壤温度进行准确模拟依然较为困难（夏坤等，2011；李时越，2018）。此外，干旱半干旱地区昼夜温差大，土壤温度变异性强，进一步加大了土壤温度准确模拟的困难（张海宏等，2011；李火青等，2018）。尽管对于CLM模式土壤温度模拟性能评估的研究已有很多，但目前使用CLM 5.0对土壤温度在干旱环境中高寒山区模拟性能进行评估的研究较少。同时，CLM模式低估土壤温度的原因尚不清楚。因此，本文选择高寒山区黑河上游为研究区，基于9个观测站数据对CLM 5.0在高寒山区的土壤温度模拟性能进行评估分析，以期为陆面过程模式在高寒山区的应用及改进提供科学依据。1研究区概况、资料与方法1.1研究区概况黑河流域上游位于祁连山区（图1），流域面积10 009 km2，干流长度为313 km，属于半干旱半湿润温带大陆性季风气候（Deng et al.，2015；Zhang et al.，2016）。该地区气候阴湿寒冷，高山深谷共存，地势差异显著，气温、地表植被和降水具有垂直分带性。黑河上游年平均气温为-3.13.6，最低气温为-28。年平均降水量为250（海拔1 900 m以下）700 mm（海拔3 600 m以上），降水量主要集中在69月（Zhang et al.，2017）。该区域寒冷和干旱共存，拥有多种景观，主要包括冰川、冻土、高山草甸和森林（Xu et al.，2020；彭晨阳等，2021），是理想的 自 然 野 外 实 验 区（Li et al.，2013；Liu et al.，2018）。黑河流域上游9个观测站（阿柔站、大沙龙站、大野口站、康乐站、扁都口站、黄草沟站、峨堡站、垭口站和景阳岭站）的地理位置如图1所示。1.2资 料1.2.1土壤温度资料选取黑河流域上游9个观测站土壤温度观测数据和 CLM 5.0 模拟的土壤温度进行对比分析。其中，扁都口、大野口和康乐站的土壤温度采用型号为109的CAMPBELL仪器（美国）测量，而其他站点的土壤温度数据则由祁连山综合观测网：黑河综合观测网数据集提供（Liu et al.，2018），其测量仪器CAMPBELL的型号为107（美国）。所有站的观测数据时间分辨率均为 30 min，扁都口、康乐和大野口站的测量仪器垂直安装在采样土壤层中，测量深度分别为 010、1020、2030、3050、5070 cm，阿柔站测量深度分别为 07、715、1530、3050 cm，其他站点测量深度分别为07、715、1530、3060 cm。表1列出黑河流域上游9个观测站数据的详细说明。1.2.2CLM 5.0的驱动数据CLM 5.0的驱动数据主要分为大气强迫数据和地表数据。大气强迫数据包括近地面风速、温度、比湿、压强、降水、大气短波辐射和长波辐射。景阳岭、阿柔、大沙龙、峨堡、黄草沟和垭口站的大气强迫数据来自祁连山综合观测网：黑河流域地表过程综合观测网（https：/ et al.，2018），时间分辨率为 30 min。康乐、大野口和扁都口站的近地面风速、温度、比湿和降水等气象强迫数据由自动气象站（美国 Spectrum 公司生产，型号：WatchDog 2000）采集，时间分辨率为 30 min图1黑河流域上游地形及9个观测站点空间分布Fig.1Topography and spatial distribution of 9 observation stations in the upper reaches of the Heihe River Basin36941 卷干旱气象（Wang et al.，2016a）；近地面压强、向下长波辐射和短波辐射来自19792018年中国区域地面气象要素驱动数据集（阳坤等，2019；He et al.，2020），空间分辨率为0.10.1，时间分辨率为3 h。地表数据包括土壤数据（土壤有机质和粘土、砂土的百分比）和土地利用数据。其中，大野口、扁都口和康乐站的土壤数据为实验分析数据，其他站则采用陆面模拟的中国土壤数据集（Shangguan et al.，2013；上官微和戴永久，2014）；土地利用数据采用祁连山区域30 m人类活动参数产品数据集（V2.0，2020）（杨爱霞等，2021；Zhong et al.，2021）。以上数据集均由国家青藏高原科学数据中心提供。1.3模式介绍CLM 5.0是美国大气研究中心（National Center for Atmosphere Research，NCAR）发布的最新一代陆面过程模式，其对陆面过程有较为详细和完整的描述，主要包括生物地球化学过程、生物地球物理过程、动态植被过程和水循环过程（Lawrence et al.，2019）。CLM 5.0在计算土壤温度时，首先不考虑相变，通过热量平衡等公式计算在整个土壤剖面中的热量分布；如果有相变发生，再根据相变调整土壤温度，具体计算公式参考Lawrence等（2020）文献。1.4试验设计在9个观测站点使用CLM 5.0进行单点离线模拟试验，利用气象数据作为CLM模式的强迫数据，利用导出的土壤数据和土地利用数据替换模式在每个站点的默认值，并运行卫星物候模式（Satellite Phenology，CLMSP）。由于初始条件显著影响模式性能（Yang et al.，2018），为了达到水热状态平衡，各站点选用首年数据，进行 80 a 的 spin-up（Lawrence et al.，2019；Umair et al.，2019；Yang et al.，2021），最后使用CLM 5.0平衡后的数值作为初始值进行模拟。试验运行的网格时间