Spatial-Temporal Characteristics of Surface Dry/Wet Status in Northeast China by NCAR/CLM3.5
TU Gang1, 2, , LIU Bo2, 3, WANG Shu-yu2, 4
1. Laboratory of Research for Middle-High Latitude Circulation System and East Asian Monsoon, Institute of Meteorological Science of Jilin Province, Changchun,Jilin 130062, China2.START Regional Center for Temperate East Asia and Key Laboratory of Regional Climate-Environment for Temperate East Asia, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China3. National Climate Center, Beijing 100081, China4.School of Atmospheric Science, Nanjing University, Nanjing ,Jiangsu 210093, China
利用东北地区地面102站56 a（1951~2006年）逐日气象观测资料,驱动NCAR陆面模式CLM 3.5,模拟东北地区生长季地表水分盈余量（Surface Water Surplus,SWS）,探讨和分析了东北地区生长季1951~2006年地表干湿状况的时空变化规律。结果表明：1971~2000年平均东北地区生长季SWS反映的地表干湿状况具有较大的地域差异,全区SWS为100~800 mm;中、西部为SWS低值区,属半干旱、半湿润区;东、南、北部为相对高值区,属湿润、半湿润区。生长季地表干湿状况存在显著的年际、年代际变化;56 a来,东北地区生长季SWS呈线性减少趋势,即地表变干,SWS空间分布的年代际变化,同样表现为变干趋势,尤其2000~2006年是地表变干最为显著的时期,表明在全球变暖背景下东北地区地表干旱化趋势增强。分析表明地表干湿状况是下垫面与气候变化共同作用的结果,研究地表干湿状况需要综合考虑水分收支项。
关键词：东北地区
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地表干湿
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陆面模式
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地表水分盈余
Abstract
Long term (1951-2006) Surface Water Surplus (SWS) for growing season (May to September) over Northeast China is produced by NCAR CLM3.5, which is driven by daily observations from 102 meteorological stations. Temporal-spatial variability of surface dry/wet status is analyzed based on the CLM3.5 simulation. The results show that, 1) in growing season, 30 year (1971-2000) averaged SWS has relatively large spatial difference, with regional SWS ranging from 100 to 800 mm. Higher SWS value locates over eastern, southern and northern parts of analysis domain, indicating a wetter condition over the area. 2) Significant inter-annual and decadalvariabilities are detected in CLM3.5 results; 3) Over Northeast China the SWS has decline trend showing that the surface has been drying during past 50 years. The drying signal is also found in decadal variance of spatial distribution of SWS, and with 2000s showing most dramatic drying, it implies that in the condition of global warming the aridification over Northeast China would enhance; 4) The surface moisture condition is the combined effects of land surface process and climate change; its prediction requires the thorough understanding of surface water budget.
Keywords：Northeast China
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land surface
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dry/wet status
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land surface model
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surface water surplus
TUGang, LIUBo, WANGShu-yu. Spatial-Temporal Characteristics of Surface Dry/Wet Status in Northeast China by NCAR/CLM3.5[J]. Scientia Geographica Sinica, 2012, 32(6): 746-751 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2012.06.746
近十几年来,应用陆面模式模拟获得区域陆面状况的研究在国际上取得了相当的进展,主要包括：北美陆地数据同化系统(NLDAS) [17],全球陆地数据同化系统（GLDAS; http://ldas.gsfc.nasa.gov）[18]等。与此同时,使用多种数据源（观测、卫星等）为驱动陆面模式构建高分辨率高可信度大气驱动场,如GLDAS、 NLDAS、Qian et al [19]、Sheffield et al[20]等。目前,陆面模式的输出结果已广泛应用于区域水分变量的研究,一方面验证了陆面模型对大范围地表水分状况的模拟能力[21,22],同时也强调了准确的驱动场对于陆面过程模拟结果的重要性[23,24]。类似的工作国内已经展开,利用集合Kalman滤波和CoLM (Common Land Model)模型初步搭建了中国西部陆面数据同化系统(CLDAS) [25];直接采用Sheffield等建立的全球大气强迫场或者利用中国台站资料建立的大气驱动场,驱动NCAR/CLM,模拟中国区域的土壤温度、土壤湿度、实际蒸发等[26~28],研究结果进一步肯定了该方法在获得陆面状态量的时空特征和长期变化趋势方面的优势。
NCAR/CLM3.5（NCAR Community Land Model 3.5）是综合了现有陆面过程BATS、LSM、IAP94的优点发展的新一代陆面模型[29,30],已利用全球不同气候带（包括东亚）的不同典型下垫面的野外观测进行模拟性能验证,效果良好。此模式在广泛地考虑生物物理过程的同时,也考虑了生物地球化学过程、水文过程和生态过程,具体包含土壤、雪的多层参数化方案、能量和水分平衡的次网格百分比平铺方案,径流TOPMODEL参数化方案等等。大量offline试验的结果同观测的径流、河流流量、土壤湿度以及总的水储量相比,CLM3.5在全球蒸散发的分配上有了显著的提高,并使得模拟的土壤更湿、植被水压更小,植被蒸腾作用和光合作用的增强以及总的水储量年际变化模拟的改善,径流年际变化的相位和振幅也得到改善。基于这个模式发展比较成熟,机理考虑得比较完善,因此选用它进行东北地区陆面过程模拟。
为衡量地表的干湿状况,定义地表水分盈余量（Surface Water Surplus,简称SWS,单位：mm）：SWS=P-ET,其中ET为实际蒸散量（mm）,本文采用模式NCAR/CLM3.5模拟输出的实际蒸散量;P为降水量（mm）。SWS很直观的反映了地表的干湿状况和强度,SWS值越大表示预留到地表再分配的水量越大,地表越湿润;反之,值越小,地表越缺水,干旱强度增大。
The multi-institution North American Land Data Assimilation System (NLDAS):Utilizing multiple GCIP products and partners in a continental distributed hydrological modeling system[J]
The multi-institution North American Land Data Assimilation System (NLDAS):Utilizing multiple GCIP products and partners in a continental distributed hydrological modeling system[J]
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2004
... 近十几年来,应用陆面模式模拟获得区域陆面状况的研究在国际上取得了相当的进展,主要包括：北美陆地数据同化系统(NLDAS) [17],全球陆地数据同化系统（GLDAS; http://ldas.gsfc.nasa.gov）[18]等.与此同时,使用多种数据源（观测、卫星等）为驱动陆面模式构建高分辨率高可信度大气驱动场,如GLDAS、 NLDAS、Qian et al [19]、Sheffield et al[20]等.目前,陆面模式的输出结果已广泛应用于区域水分变量的研究,一方面验证了陆面模型对大范围地表水分状况的模拟能力[21,22],同时也强调了准确的驱动场对于陆面过程模拟结果的重要性[23,24].类似的工作国内已经展开,利用集合Kalman滤波和CoLM (Common Land Model)模型初步搭建了中国西部陆面数据同化系统(CLDAS) [25];直接采用Sheffield等建立的全球大气强迫场或者利用中国台站资料建立的大气驱动场,驱动NCAR/CLM,模拟中国区域的土壤温度、土壤湿度、实际蒸发等[26~28],研究结果进一步肯定了该方法在获得陆面状态量的时空特征和长期变化趋势方面的优势. ...
The global land data assimilation system
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2004
... 近十几年来,应用陆面模式模拟获得区域陆面状况的研究在国际上取得了相当的进展,主要包括：北美陆地数据同化系统(NLDAS) [17],全球陆地数据同化系统（GLDAS; http://ldas.gsfc.nasa.gov）[18]等.与此同时,使用多种数据源（观测、卫星等）为驱动陆面模式构建高分辨率高可信度大气驱动场,如GLDAS、 NLDAS、Qian et al [19]、Sheffield et al[20]等.目前,陆面模式的输出结果已广泛应用于区域水分变量的研究,一方面验证了陆面模型对大范围地表水分状况的模拟能力[21,22],同时也强调了准确的驱动场对于陆面过程模拟结果的重要性[23,24].类似的工作国内已经展开,利用集合Kalman滤波和CoLM (Common Land Model)模型初步搭建了中国西部陆面数据同化系统(CLDAS) [25];直接采用Sheffield等建立的全球大气强迫场或者利用中国台站资料建立的大气驱动场,驱动NCAR/CLM,模拟中国区域的土壤温度、土壤湿度、实际蒸发等[26~28],研究结果进一步肯定了该方法在获得陆面状态量的时空特征和长期变化趋势方面的优势. ...
Simulation of global land surface conditions from 1948-2004.Part I: Forcing data and evaluation
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2006
... 近十几年来,应用陆面模式模拟获得区域陆面状况的研究在国际上取得了相当的进展,主要包括：北美陆地数据同化系统(NLDAS) [17],全球陆地数据同化系统（GLDAS; http://ldas.gsfc.nasa.gov）[18]等.与此同时,使用多种数据源（观测、卫星等）为驱动陆面模式构建高分辨率高可信度大气驱动场,如GLDAS、 NLDAS、Qian et al [19]、Sheffield et al[20]等.目前,陆面模式的输出结果已广泛应用于区域水分变量的研究,一方面验证了陆面模型对大范围地表水分状况的模拟能力[21,22],同时也强调了准确的驱动场对于陆面过程模拟结果的重要性[23,24].类似的工作国内已经展开,利用集合Kalman滤波和CoLM (Common Land Model)模型初步搭建了中国西部陆面数据同化系统(CLDAS) [25];直接采用Sheffield等建立的全球大气强迫场或者利用中国台站资料建立的大气驱动场,驱动NCAR/CLM,模拟中国区域的土壤温度、土壤湿度、实际蒸发等[26~28],研究结果进一步肯定了该方法在获得陆面状态量的时空特征和长期变化趋势方面的优势. ...
Development of a 50-yr high-resolution global dataset of meteorological forcings for land surface modeling
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2006
... 近十几年来,应用陆面模式模拟获得区域陆面状况的研究在国际上取得了相当的进展,主要包括：北美陆地数据同化系统(NLDAS) [17],全球陆地数据同化系统（GLDAS; http://ldas.gsfc.nasa.gov）[18]等.与此同时,使用多种数据源（观测、卫星等）为驱动陆面模式构建高分辨率高可信度大气驱动场,如GLDAS、 NLDAS、Qian et al [19]、Sheffield et al[20]等.目前,陆面模式的输出结果已广泛应用于区域水分变量的研究,一方面验证了陆面模型对大范围地表水分状况的模拟能力[21,22],同时也强调了准确的驱动场对于陆面过程模拟结果的重要性[23,24].类似的工作国内已经展开,利用集合Kalman滤波和CoLM (Common Land Model)模型初步搭建了中国西部陆面数据同化系统(CLDAS) [25];直接采用Sheffield等建立的全球大气强迫场或者利用中国台站资料建立的大气驱动场,驱动NCAR/CLM,模拟中国区域的土壤温度、土壤湿度、实际蒸发等[26~28],研究结果进一步肯定了该方法在获得陆面状态量的时空特征和长期变化趋势方面的优势. ...
Hydroclimatic trends in the Mississippi River Basin from 1948 to 2004
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2007
... 近十几年来,应用陆面模式模拟获得区域陆面状况的研究在国际上取得了相当的进展,主要包括：北美陆地数据同化系统(NLDAS) [17],全球陆地数据同化系统（GLDAS; http://ldas.gsfc.nasa.gov）[18]等.与此同时,使用多种数据源（观测、卫星等）为驱动陆面模式构建高分辨率高可信度大气驱动场,如GLDAS、 NLDAS、Qian et al [19]、Sheffield et al[20]等.目前,陆面模式的输出结果已广泛应用于区域水分变量的研究,一方面验证了陆面模型对大范围地表水分状况的模拟能力[21,22],同时也强调了准确的驱动场对于陆面过程模拟结果的重要性[23,24].类似的工作国内已经展开,利用集合Kalman滤波和CoLM (Common Land Model)模型初步搭建了中国西部陆面数据同化系统(CLDAS) [25];直接采用Sheffield等建立的全球大气强迫场或者利用中国台站资料建立的大气驱动场,驱动NCAR/CLM,模拟中国区域的土壤温度、土壤湿度、实际蒸发等[26~28],研究结果进一步肯定了该方法在获得陆面状态量的时空特征和长期变化趋势方面的优势. ...
Estimates of the global water budget and its annual cycle using observational and model data
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2007
... 近十几年来,应用陆面模式模拟获得区域陆面状况的研究在国际上取得了相当的进展,主要包括：北美陆地数据同化系统(NLDAS) [17],全球陆地数据同化系统（GLDAS; http://ldas.gsfc.nasa.gov）[18]等.与此同时,使用多种数据源（观测、卫星等）为驱动陆面模式构建高分辨率高可信度大气驱动场,如GLDAS、 NLDAS、Qian et al [19]、Sheffield et al[20]等.目前,陆面模式的输出结果已广泛应用于区域水分变量的研究,一方面验证了陆面模型对大范围地表水分状况的模拟能力[21,22],同时也强调了准确的驱动场对于陆面过程模拟结果的重要性[23,24].类似的工作国内已经展开,利用集合Kalman滤波和CoLM (Common Land Model)模型初步搭建了中国西部陆面数据同化系统(CLDAS) [25];直接采用Sheffield等建立的全球大气强迫场或者利用中国台站资料建立的大气驱动场,驱动NCAR/CLM,模拟中国区域的土壤温度、土壤湿度、实际蒸发等[26~28],研究结果进一步肯定了该方法在获得陆面状态量的时空特征和长期变化趋势方面的优势. ...
Correction of the high-latitude rain day anomaly in the NCEP-NCAR reanalysis for land surface hydrological modeling
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2004
... 近十几年来,应用陆面模式模拟获得区域陆面状况的研究在国际上取得了相当的进展,主要包括：北美陆地数据同化系统(NLDAS) [17],全球陆地数据同化系统（GLDAS; http://ldas.gsfc.nasa.gov）[18]等.与此同时,使用多种数据源（观测、卫星等）为驱动陆面模式构建高分辨率高可信度大气驱动场,如GLDAS、 NLDAS、Qian et al [19]、Sheffield et al[20]等.目前,陆面模式的输出结果已广泛应用于区域水分变量的研究,一方面验证了陆面模型对大范围地表水分状况的模拟能力[21,22],同时也强调了准确的驱动场对于陆面过程模拟结果的重要性[23,24].类似的工作国内已经展开,利用集合Kalman滤波和CoLM (Common Land Model)模型初步搭建了中国西部陆面数据同化系统(CLDAS) [25];直接采用Sheffield等建立的全球大气强迫场或者利用中国台站资料建立的大气驱动场,驱动NCAR/CLM,模拟中国区域的土壤温度、土壤湿度、实际蒸发等[26~28],研究结果进一步肯定了该方法在获得陆面状态量的时空特征和长期变化趋势方面的优势. ...
Uncertainties in precipitation and their impacts on runoff estimates
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2004
... 近十几年来,应用陆面模式模拟获得区域陆面状况的研究在国际上取得了相当的进展,主要包括：北美陆地数据同化系统(NLDAS) [17],全球陆地数据同化系统（GLDAS; http://ldas.gsfc.nasa.gov）[18]等.与此同时,使用多种数据源（观测、卫星等）为驱动陆面模式构建高分辨率高可信度大气驱动场,如GLDAS、 NLDAS、Qian et al [19]、Sheffield et al[20]等.目前,陆面模式的输出结果已广泛应用于区域水分变量的研究,一方面验证了陆面模型对大范围地表水分状况的模拟能力[21,22],同时也强调了准确的驱动场对于陆面过程模拟结果的重要性[23,24].类似的工作国内已经展开,利用集合Kalman滤波和CoLM (Common Land Model)模型初步搭建了中国西部陆面数据同化系统(CLDAS) [25];直接采用Sheffield等建立的全球大气强迫场或者利用中国台站资料建立的大气驱动场,驱动NCAR/CLM,模拟中国区域的土壤温度、土壤湿度、实际蒸发等[26~28],研究结果进一步肯定了该方法在获得陆面状态量的时空特征和长期变化趋势方面的优势. ...
中国陆面数据同化系统研究的进展与前瞻
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2007
... 近十几年来,应用陆面模式模拟获得区域陆面状况的研究在国际上取得了相当的进展,主要包括：北美陆地数据同化系统(NLDAS) [17],全球陆地数据同化系统（GLDAS; http://ldas.gsfc.nasa.gov）[18]等.与此同时,使用多种数据源（观测、卫星等）为驱动陆面模式构建高分辨率高可信度大气驱动场,如GLDAS、 NLDAS、Qian et al [19]、Sheffield et al[20]等.目前,陆面模式的输出结果已广泛应用于区域水分变量的研究,一方面验证了陆面模型对大范围地表水分状况的模拟能力[21,22],同时也强调了准确的驱动场对于陆面过程模拟结果的重要性[23,24].类似的工作国内已经展开,利用集合Kalman滤波和CoLM (Common Land Model)模型初步搭建了中国西部陆面数据同化系统(CLDAS) [25];直接采用Sheffield等建立的全球大气强迫场或者利用中国台站资料建立的大气驱动场,驱动NCAR/CLM,模拟中国区域的土壤温度、土壤湿度、实际蒸发等[26~28],研究结果进一步肯定了该方法在获得陆面状态量的时空特征和长期变化趋势方面的优势. ...
CLM3.0对中国区域陆面过程的模拟试验及评估I:土壤温度
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2010
... 近十几年来,应用陆面模式模拟获得区域陆面状况的研究在国际上取得了相当的进展,主要包括：北美陆地数据同化系统(NLDAS) [17],全球陆地数据同化系统（GLDAS; http://ldas.gsfc.nasa.gov）[18]等.与此同时,使用多种数据源（观测、卫星等）为驱动陆面模式构建高分辨率高可信度大气驱动场,如GLDAS、 NLDAS、Qian et al [19]、Sheffield et al[20]等.目前,陆面模式的输出结果已广泛应用于区域水分变量的研究,一方面验证了陆面模型对大范围地表水分状况的模拟能力[21,22],同时也强调了准确的驱动场对于陆面过程模拟结果的重要性[23,24].类似的工作国内已经展开,利用集合Kalman滤波和CoLM (Common Land Model)模型初步搭建了中国西部陆面数据同化系统(CLDAS) [25];直接采用Sheffield等建立的全球大气强迫场或者利用中国台站资料建立的大气驱动场,驱动NCAR/CLM,模拟中国区域的土壤温度、土壤湿度、实际蒸发等[26~28],研究结果进一步肯定了该方法在获得陆面状态量的时空特征和长期变化趋势方面的优势. ...
中国不同干湿区蒸发皿蒸发和实际蒸发之间关系的研究
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2010
中国区域土壤湿度变化的时空特征模拟研究
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2011
... 近十几年来,应用陆面模式模拟获得区域陆面状况的研究在国际上取得了相当的进展,主要包括：北美陆地数据同化系统(NLDAS) [17],全球陆地数据同化系统（GLDAS; http://ldas.gsfc.nasa.gov）[18]等.与此同时,使用多种数据源（观测、卫星等）为驱动陆面模式构建高分辨率高可信度大气驱动场,如GLDAS、 NLDAS、Qian et al [19]、Sheffield et al[20]等.目前,陆面模式的输出结果已广泛应用于区域水分变量的研究,一方面验证了陆面模型对大范围地表水分状况的模拟能力[21,22],同时也强调了准确的驱动场对于陆面过程模拟结果的重要性[23,24].类似的工作国内已经展开,利用集合Kalman滤波和CoLM (Common Land Model)模型初步搭建了中国西部陆面数据同化系统(CLDAS) [25];直接采用Sheffield等建立的全球大气强迫场或者利用中国台站资料建立的大气驱动场,驱动NCAR/CLM,模拟中国区域的土壤温度、土壤湿度、实际蒸发等[26~28],研究结果进一步肯定了该方法在获得陆面状态量的时空特征和长期变化趋势方面的优势. ...
Improvements to the Community Land Model and their impact on the hydrological cycle
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2008
... NCAR/CLM3.5（NCAR Community Land Model 3.5）是综合了现有陆面过程BATS、LSM、IAP94的优点发展的新一代陆面模型[29,30],已利用全球不同气候带（包括东亚）的不同典型下垫面的野外观测进行模拟性能验证,效果良好.此模式在广泛地考虑生物物理过程的同时,也考虑了生物地球化学过程、水文过程和生态过程,具体包含土壤、雪的多层参数化方案、能量和水分平衡的次网格百分比平铺方案,径流TOPMODEL参数化方案等等.大量offline试验的结果同观测的径流、河流流量、土壤湿度以及总的水储量相比,CLM3.5在全球蒸散发的分配上有了显著的提高,并使得模拟的土壤更湿、植被水压更小,植被蒸腾作用和光合作用的增强以及总的水储量年际变化模拟的改善,径流年际变化的相位和振幅也得到改善.基于这个模式发展比较成熟,机理考虑得比较完善,因此选用它进行东北地区陆面过程模拟. ...
Improvements to the Community Land Model and their impact on the hydrological cycle
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2008
... NCAR/CLM3.5（NCAR Community Land Model 3.5）是综合了现有陆面过程BATS、LSM、IAP94的优点发展的新一代陆面模型[29,30],已利用全球不同气候带（包括东亚）的不同典型下垫面的野外观测进行模拟性能验证,效果良好.此模式在广泛地考虑生物物理过程的同时,也考虑了生物地球化学过程、水文过程和生态过程,具体包含土壤、雪的多层参数化方案、能量和水分平衡的次网格百分比平铺方案,径流TOPMODEL参数化方案等等.大量offline试验的结果同观测的径流、河流流量、土壤湿度以及总的水储量相比,CLM3.5在全球蒸散发的分配上有了显著的提高,并使得模拟的土壤更湿、植被水压更小,植被蒸腾作用和光合作用的增强以及总的水储量年际变化模拟的改善,径流年际变化的相位和振幅也得到改善.基于这个模式发展比较成熟,机理考虑得比较完善,因此选用它进行东北地区陆面过程模拟. ...
Effects of frozen soil on snowmelt runoff and soil water storage at a continental scale
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2006
... NCAR/CLM3.5（NCAR Community Land Model 3.5）是综合了现有陆面过程BATS、LSM、IAP94的优点发展的新一代陆面模型[29,30],已利用全球不同气候带（包括东亚）的不同典型下垫面的野外观测进行模拟性能验证,效果良好.此模式在广泛地考虑生物物理过程的同时,也考虑了生物地球化学过程、水文过程和生态过程,具体包含土壤、雪的多层参数化方案、能量和水分平衡的次网格百分比平铺方案,径流TOPMODEL参数化方案等等.大量offline试验的结果同观测的径流、河流流量、土壤湿度以及总的水储量相比,CLM3.5在全球蒸散发的分配上有了显著的提高,并使得模拟的土壤更湿、植被水压更小,植被蒸腾作用和光合作用的增强以及总的水储量年际变化模拟的改善,径流年际变化的相位和振幅也得到改善.基于这个模式发展比较成熟,机理考虑得比较完善,因此选用它进行东北地区陆面过程模拟. ...
, 刘波
