Page 35 - 《高原气象》2025年第3期

3 期 包逸群等：CLM5.0模式加密土壤分层方案对黄河源区玛多站土壤温湿度的模拟 593
虑地表条件的特殊性。对于高寒地区冻融过程的 西岸（34. 913°N， 97. 553°E）， 海拔为 4274 m， 该地
模拟与预测， 需要进一步完善和改进陆面模式， 以 区是青藏高原三江源自然保护区的重点区域， 也是
提高其模拟能力和准确性， 所以研究不同土壤分层 黄河源区草地退化最为严重的地区之一， 该地区的
对冻融过程模拟结果的影响对于深入理解高原寒 土壤表现出明显的垂直分带性： 海拔 4700 m 以上
区水热传输机理至关重要。基于以上论述， 本研究 的区域主要为高山碎石土， 地表基岩裸露， 植被分
利用黄河源区玛多站的观测资料驱动陆面模式 布稀疏； 海拔 4400~4700 m 的地区以高山草甸土为
CLM5. 0（Community Land Model）在玛多站进行模 主， 同时含有腐殖土和沙土成分； 而海拔 4400 m 以
拟， 使用 CLM5. 0 改进后的三种土壤分层方案， 模 下的区域主要为高山草原土（屈长良等， 2019； 李
拟不同土壤分层对土壤冻融过程中土壤水热输送 静等， 2016）。
的影响， 对比模拟结果与观测资料， 分析改进后的 2. 2 数据来源和仪器介绍
土壤分层方案对陆面模式CLM5. 0在黄河源区冻融 本文所使用的模式驱动资料及观测对比资料
过程中土壤温湿度的模拟能力的提升效果。 均为来源黄河源区玛多境内鄂陵湖草地站的观测
资料， 时段自 2015 年 6 月 1 日至 2018 年 8 月 31 日，
2 研究区域与观测数据
表 1 为观测所用的仪器， 观测项目有向上、 向下短
2. 1 站点介绍 波辐射（1. 5 m）， 向上、 向下长波辐射（1. 5 m）， 地
黄河源区地处青藏高原东北部， 是指青海省玛 表热通量（5 cm， 10 cm）， 感热、 潜热通量（3. 2 m），
多县黄河沿水文站以上的流域。黄河源区的气候 以及土壤温湿度， 观测深度分别为 0. 05 m、 0. 10 m、
类 型 属 亚 寒 带 半 干 旱 气 候 ， 多 年 平 均 气 温 约 0. 20 m、 0. 40 m、 0. 80 m、 1. 60 m、 3. 20 m。观测
-3. 9 ℃， 平均降水量为 312 mm。该地区存在大片 数据均为自动采集， 时间分辨率为 30 min， 由于自
连续的多年冻土和季节性冻土， 其中季节冻土面 动观测项目存在不可控因素， 在进行分析前已对异
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2
积 0. 3×10 km ， 约占整个源区面积的 9. 8%， 多年 常值以及缺测值进行了处理， 剔除了异常值， 对于
冻 土 面 积 达 2. 5×10 km ， 占 整 个 源 区 总 面 积 的 缺测值取前后两天同一时段的平均值作为替代值。
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85. 2%（金会军等， 2010； 陈海存等， 2013； 罗琪 根据玛多站实际的土壤质地（表 2）， 对模型中的土
等， 2017）。 壤参数进行了调整， 除此之外， 地表数据如植被覆
本文研究的玛多站站点位于黄河源区鄂陵湖 盖率等则采用了CLM5. 0模式自带的地表资料。
表1 观测所使用的科学仪器介绍
Table 1 Description of scientific instruments used in the observations

观测项目 仪器 仪器精度 架设高度（埋设深度）/m
感热通量 Campbell公司的CAST3超声风速仪 ±4. 0 cm·s -1 3. 2
潜热通量 LI-COR公司的LI-7500型H O/CO 分析仪 ±2% 3. 2
2
2
辐射四分量 Kipp&Zonen公司的CNR4辐射四分量观测仪 ±2. 5% 1. 5
土壤热通量 Hukseflux公司的HFP01热通量传感器 -15%~5% 0. 05、 0. 2
土壤温度 Campbell公司的109L型热敏温度探头 ±0. 2 ℃ 0. 05、 0. 10、 0. 20、 0. 40、 0. 80、 1. 60、 3. 20
土壤湿度 Campbell公司的CS616 ±2. 5% 0. 05、 0. 10、 0. 20、 0. 40、 0. 80、 1. 60

2. 3 研究方法介绍 式中： M 表示模拟值； M 表示模拟值的平均值； R i
ˉ
i
为验证陆面模式对玛多地区陆面过程的模拟 表示观测值； R 表示观测值的平均值； N 表示样本
ˉ
性 能 ， 本 文 采 用 了 相 关 系 数（R）及 均 方 根 误 差 总数。相关系数（R）用于衡量模拟结果与观测值之
（RMSE）评估模式的模拟性能， 其计算公式如下： 间的相关性， 其取值范围为-1~1。当 R 接近 1 时，
N 表示模拟结果与观测值之间具有很强的正相关关
∑ (M i - M ) ( R i - R)
ˉ
ˉ
R = i = 1 （1） 系， 即模拟效果较好。均方根误差（RMSE）数值越
N N 接近 0， 则表示模拟值与观测值之间的差异越小，
∑ (M i - M ) ∑ ( R i - R) 2
2
ˉ
ˉ
i = 1 i = 1 模拟效果越好。
1 N 2. 4 陆面模式CLM5. 0介绍
RMSE = ∑ (M i - R i ) 2 （2）
N 美国国家大气研究中心（NCAR）研发的陆面模
i = 1