Page 97 - 《高原气象》2022年第1期

1 期 付春伟等：基于CLM4.5模式的季节冻土区土壤参数化方案的模拟研究 95
表1 自动气象塔站、行星边界层塔站各项目的观测高度 （Community Earth System Model，CESM）的陆面模
Table 1 The height of observational instrument of AWS 块，CLM 是目前应用最为广泛的陆面过程模式之
Tower and PBL Tower 一。CLM 包含了水文循环过程、生物地球物理过
观测项目 自动气象塔站 行星边界层塔站 程、地表非均匀性、生物化学过程、生物系统动力
风向风速 0. 91，5. 02和10. 36 m 0. 75，1. 5，3，6，12和22 m 过程等。相对于之前版本，CLM4. 5 扩展了模式性
气温 1. 03和8. 41 m 0. 75，1. 5，3，6，12和22 m 能，更新了大气和地表强迫数据集，加入了地表水
空气相对湿度 1. 03和8. 41 m 0. 75，1. 5，3，6，12和22 m 存储的概念，替代了模式原本的湿地单元，校正了
土壤温度 0，4，10，20，40 cm 5，10，20，40，80和160 cm 光合参数，改进了一些参数化方案，包括改进了冻
土壤体积含水量 4和20 cm 5，10，20，40，80和160 cm 土导水参数化方案，修改了植被冠层辐射方案等
等，使得 CLM4. 5 能够更好地模拟出土壤的水热传
表2 BJ观测点观测仪器说明
输过程。
Table 2 Specification of observational instrument at BJ site
3. 2 土壤热传导率参数化方案
观测项目 观测仪器 观测精度 架设高度/埋深
3. 2. 1 Johansen土壤热传导率参数化方案
风速 WS-D32、Komatsu ±5% 0. 91和10. 36 m Johansen（1977）将土壤热导率（STC，Soil ther‐
空气温湿度 HMP45D、Vaisala ±3%，±2% 1. 03和8. 41 m mal conductivity）k（单位：W·m ·K ）用土壤干燥
-1
-1
大气压强 PTB220C、Vaisala 1 hPa 1 m 时热导率K dry 和土壤饱和热导率K sat 表示为：
长波辐射 Radiometer PIR ±5% 1. 5 m （1）
k = ( K sat - K dry )K e + K dry
短波辐射 CM-21、Kipp&Zonen ±5% 1. 5 m
式中： K e 为土壤饱和度 S r 的函数（S r = θ/θ s ， θ 和 θ s
土壤温度 TS-301、Okazaki ±3% 0，-0. 04，-0. 1和 分别是土壤实际含水量和土壤饱和含水量），表达
-0. 2 m
式为：
土壤湿度 Trime EZ、IMKO ±1% -0. 04和-0. 2 m ì0.7 log S r + 1， S r > 0.05
ï ï
K e = í log S r + 1， S r > 0.1 （2）
度、水平风速、降水，以及向下长波辐射、向下短 ï ï
波辐射作为模式的大气强迫场，强迫数据每 0. 5 h î S r ， 冻土时
3. 2. 2 Farouki土壤热传导率参数化方案
更新一次；并结合实际观测，选取 BJ观测点土壤温
Farouki（1981）使用了 Johansen（1977）方程算了
度（5 cm，10 cm，20 cm，40 cm）和土壤体积含水量
干燥土壤的导热系数。但在饱和情况下，Farouki
（5 cm，10 cm，20 cm，40 cm）作为模式的验证资料。
（1981）直接使用了砂土和粘土的含量，用土壤各组
为减少模拟误差，CLM4. 5 模式中所模拟出的
分 的 导 热 系 数 算 出 了 土 壤 的 体 积 导 热 系 数 。
各层土壤温度与土壤湿度的初始值，均修改为观测
CLM4. 5 原模式采用的就是此方案。K sat 的表达式
值；另外，在模式中加入 Chen et al（2012）所给出的
如下：
BJ观测点的土壤成分数据。
K sat = ( f min erals K min erals_wet + f om K om_wet +
表3 BJ观测点土壤成分 f gravel K gravel ) 1 - θ s k w （3）
θ s
Table 3 Soil texture at BJ site 8.80%sand + 2.92%clay
K min erals_wet = （4）
深度/cm 砂土/% 粘土/% 砾石/% 有机碳含量/% %sand + %clay
0~10 87. 3 0. 71 2. 1 2. 1 式中：%sand 和%clay 分别代表矿质土壤中砂土和
10~20 94. 18 0. 01 1. 3 1. 3 粘土的重量分数。Farouki（1981）简化了 K e - S r 的
20~30 92. 32 0. 34 1. 1 1. 1 关系，忽略了土壤粒度分布的影响，如下所示：
30~40 84. 05 1. 34 1. 5 1. 5 { log S r + 1， 非冻土时
K e = （5）
表中数据引自Chen et al（2012） S r ， 冻土时
3. 2. 3 Côté and Konrad土壤热传导率参数化方案
3 模式及参数和参数化方案
Côté and Konrad（2005a）分析了大量实测的干
3. 1 CLM4. 5模式介绍 土壤热导率数据，证明了干热导率和孔隙率之间的
使用的陆面过程模式为美国国家大气研究中 关系很大程度上取决于土壤颗粒形状和大小，这些
心（NCAR）开发的通用陆面过程模式 CLM（Com‐ 在 Johansen 方案中没有体现出来。此外，Johansen
munity Land Model）4. 5版本，为通用地球系统模式 方案中提出的[ K e - S r ]关系可能影响干燥条件下