土壤濕度的模擬和估算研究.pdf

1、土壤濕度作為全球能量與水循環(huán)中非常重要的水文變量，不僅關(guān)系到天氣預(yù)報和氣候預(yù)測的準(zhǔn)確度，同時在水文、生態(tài)、農(nóng)業(yè)等學(xué)科中也具有重要的研究意義。通過開展大量的針對土壤濕度的觀測實(shí)驗(yàn)和模擬研究，人們對土壤濕度的認(rèn)識水平有較大提高，特別是衛(wèi)星遙感資料的出現(xiàn)，為提高土壤濕度的準(zhǔn)確模擬創(chuàng)造了很好的條件。本論文主要圍繞土壤濕度的模擬和估算展開了一系列的研究，為提高土壤濕度的模擬提供一些理論依據(jù)。
　　 首先，由于陸面模式的出處和用途的不同，導(dǎo)

2、致其種類繁多。為了理解陸面過程在天氣和氣候模式中的作用，定量的評價不同陸面模式的模擬性能，以促進(jìn)陸面模式的繼續(xù)發(fā)展，國內(nèi)外已經(jīng)展開了一系列的陸面模式比較計劃，本論文繼續(xù)關(guān)注陸面過程中的土壤濕度和通量的模擬。
　　 本論文的第一部分工作檢驗(yàn)了不同模式對土壤濕度的模擬差別，與前人工作不同的是考察土壤濕度方程的離散化方案以及土壤分層和土壤性質(zhì)(均勻和非均勻性)對土壤濕度模擬的影響，同時為了防止上邊界參數(shù)化方案(如蒸發(fā)和徑流等)差別帶來

3、的影響，采用了三類理想上邊界條件來對土壤濕度方程求解。結(jié)果表明：當(dāng)土壤質(zhì)地均勻時，土壤分層較多的情況下，不同的差分格式求解的不同土壤類型的濕度廓線相差不大，同時對比細(xì)網(wǎng)格(分層較多)和粗網(wǎng)格(分層較少)的濕度廓線發(fā)現(xiàn)：不同粗網(wǎng)格對土壤濕度，尤其是深層土壤濕度的模擬比較差。當(dāng)土壤質(zhì)地不均勻時，不同的差分格式對土壤濕度廓線求解差別比較大，主要表現(xiàn)在不同差分格式計算得到的土壤濕度的連續(xù)性不同，通過對比粗網(wǎng)格和細(xì)網(wǎng)格之間的均方差后發(fā)現(xiàn)，不同離散

4、化方法均方差的變化亦不同。最后，為了比較不同的差分格式求解中離散化過程可能引起的誤差，特引入了一種迭代方法對比，通過對比不同數(shù)值方法求解得到的土壤濕度廓線后，結(jié)果顯示增量法和迭代法求解得到的土壤濕度廓線比較一致。本論文第二章中列出了不同模式和本文中使用的土壤濕度方程的詳細(xì)離散化過程，第三章通過試驗(yàn)的設(shè)計，比較不同的離散化方法的差別。
　　 本論文的第二部分工作為實(shí)際大氣觀測驅(qū)動下的模擬試驗(yàn)。使用中日合作項(xiàng)目“全球能量水循環(huán)之亞洲

5、季風(fēng)青藏高原試驗(yàn)研究”(GAME/Tibet)的觀測數(shù)據(jù)和美國土壤濕度試驗(yàn)(SMEX03)的觀測數(shù)據(jù)，分別對三個陸面模式(CoLM，CABLE和Noah LSM)展開模式比較工作，重點(diǎn)比較了對土壤溫濕度和感潛熱通量的模擬結(jié)果。結(jié)果顯示：不同的陸面模式都能夠模擬出土壤的溫度和濕度的基本特征，表層土壤濕度對降水過程響應(yīng)比較快，但是具體模擬的土壤溫、濕度值卻與實(shí)際觀測存在較大的差別，此外，不同模式模擬得到的土壤溫、濕度之間也存在較大的差別。該

6、部分工作出現(xiàn)在本論文第三章中。其次，來自不同源的土壤濕度的觀測，尤其是微波遙感反演得到的表層(一般深度小于10 cm)土壤濕度可以和陸面模式融合在一起并借助數(shù)據(jù)同化技巧來估算土壤濕度廓線，特別是對植被根區(qū)土壤濕度的改進(jìn)具有更明顯的氣候?qū)W意義。同時，大量的研究結(jié)果表明，多模式的集合預(yù)報已經(jīng)被證明要好于單個模式的集合預(yù)報效果，而多模式集合預(yù)報中的數(shù)據(jù)同化算法的相關(guān)研究還相對較少。本論文的最后一部分內(nèi)容展開了估算土壤濕度廓線的陸面數(shù)據(jù)同化試驗(yàn)

7、。數(shù)據(jù)同化方法使用了集合Kalman濾波，首先分別單獨(dú)使用三個陸面模式來比較它們同化表層土壤濕度觀測對深層土壤濕度、感熱通量和潛熱通量的改進(jìn)效果，同時考察了不同誤差源對同化效果的影響。該部分工作出現(xiàn)在第五章。然后，鑒于多模式的集合預(yù)報效果要好于單個模式的集合預(yù)報效果，展開多模式超集合卡曼濾波的陸面數(shù)據(jù)同化試驗(yàn)，繼續(xù)采用同化表層濕度觀測來估算土壤濕度廓線這一經(jīng)典陸面數(shù)據(jù)同化框架。為此，提出了兩種用來估算超集合背景場及其誤差協(xié)方差的方法，文