Page 36 - 《高原气象》2025年第3期
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高 原 气 象 44 卷
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表2 黄河源玛多站土壤质地 （Pelletier et al， 2016）， 土壤厚度更加精确， 弃用了
Table 2 Soil texture at Mado station，， Yellow River source CLM4. 5 中使用的无侧限含水层参数化， 取而代之
-3
土层 深度/m 有机质/（kg·m ） 黏土/% 砂土/% 的是零通量边界条件和饱和区与非饱和区的精确
1 0. 0175 85. 00 26. 96 38. 64 模型。默认模型土壤层分辨率增加， 特别是在顶部
2 0. 0451 75. 12 26. 96 38. 64 3 m 内， 更明确地表示了多年冻土带内的活动层厚
3 0. 0906 40. 14 14. 21 68. 60 度。引入了理查德方程的自适应时间步长解， 提高
4 0. 1655 31. 37 21. 28 65. 41 了模拟土壤水的精度和稳定性。
5 0. 2891 18. 14 21. 28 65. 41
3 实验设计
6 0. 4929 1. 92 3. 44 94. 03
7 0. 7289 1. 18 2. 69 93. 42 3. 1 CLM5. 0土壤加密分层方案
8 1. 3828 1. 10 3. 97 94. 17 在 CLM5. 0 中土壤可以离散成任意层数， 模式
9 2. 2961 0. 00 3. 97 94. 17 自带的 4 种分层方案分别为 10 层（3. 5 m）、 20 层
10 3. 8019 0. 00 4. 32 91. 52 （8. 5 m）、 23 层（3. 5 m）和 49 层（10 m）， 其中 20 层
方案为 CLM5. 0中的默认方案。由于 CLM5. 0在描
式 CLM（Community Land Model）是公共地球系统 述土壤厚度方面呈现出随着深度递增的趋势， 导致
模式 CESM（Community Earth System Model）的一 土壤柱的浅层和中层存在土壤厚度逐渐增加、 分层
个组成部分。CLM 作为 CESM 中的陆面模块， 已 不够细致的问题， 这使得模型无法很好地反映整个
经与几个气候模式相耦合， CLM 借鉴和吸收了 活动土壤层的温度梯度分布和热量传递情况。为
NCAR 的陆面过程模式 LSM（Bonan， 1995）、 中国 了解决这一问题， 对 CLM5. 0 的土壤垂直离散化方
科学院大气物理研究所陆面过程模式 IAP94（Dai 案进行了调整， 主要目的是增加浅中层的土壤层
and Zeng， 1997）和生物圈-大气圈传输方案陆面模 数， 同时减少土壤厚度的增加速率。由此前的研究
式 BATS 等陆面模式的优点和相对完整的过程描 （包逸群等， 2024）得到 CLM5. 0 模式原有的四种土
述。在国内外众多学者的共同努力下， CLM 模型 壤分层方案中 20 层方案的模拟效果最好， 在此基
得到了不断的改进， 并已经发展到了 CLM5. 0 版 础上通过对CLM5. 0模式的土壤垂直离散化方案进
本， 被广泛用于大气科学、 气候科学、 水文学和生 行设置， 保持整体土壤深度不变（3. 5 m）， 增加浅
态学等领域， 用于研究陆地表面的能量和水分循 中层土壤层数， 并减少土壤厚度增加速率， 从而提
环、 植被动态、 碳循环和土壤过程等。CLM5. 0 对 高模式对土壤温度和湿度变化的精确度和稳定性，
土壤层次和土壤分辨率有了改进， 土壤厚度可以在 期待在增加了层数和细化了厚度分布后， 模式能更
空间上变化， 而不是应用空间均匀的土壤厚度 好地捕捉到土壤温度和湿度的微观变化。表 3给出
（Brunke et al， 2016； Swenson and Lawrence， 了改进后的三种不同土壤分层方案的节点深度， 分
2015）， 并将其设置为 0. 4~8. 5 m 深度范围内的值 别为10层（3. 5 m）、 20层（3. 5 m）和30层（3. 5 m）。
表3 改进后的3种土壤分层方案的土壤节点深度和土壤层次
Table 3 Soil node depths and soil horizons for the three improved soil layering schemes
方案 土壤节点深度/m 土壤层次/层
方案一 0. 007、 0. 028、 0. 062、 0. 118、 0. 212、 0. 366、 0. 619、 1. 038、 1. 717、 2. 865 10
方案二 0. 007、 0. 017、 0. 027、 0. 045、 0. 062、 0. 09、 0. 118、 0. 165、 0. 212、 0. 289、 0. 366、 0. 492、 0. 619、 20
0. 828、 1. 038、 1. 382、 1. 727、 2. 296、 2. 284、 3. 433
方案三 0. 0004、 0. 001、 0. 0019、 0. 0031、 0. 0045、 0. 0064、 0. 0088、 0. 0118、 0. 0158、 0. 0208、 0. 0273、 30
0. 0357、 0. 0464、 0. 0602、 0. 0778、 0. 1005、 0. 1297、 0. 1671、 0. 2151、 0. 2768、 0. 356、 0. 4577、
0. 5883、 0. 7559、 0. 9712、 1. 2476、 1. 6026、 2. 0583、 2. 6435、 3. 3949
3. 2 实验设计 年 6 月 1 日至 2018 年 8 月 31 日， 由于模式前期的不
使用玛多站观测资料驱动 CLM5. 0 陆面模式， 稳定性， 取前 2 年为 spin-up 时间， 只分析 2017 年 6
利用改进后模式的三种土壤分层方案对玛多站进 月到 2018 年 8 月的模拟结果。模式的输出为日平
行土壤温度和土壤湿度的模拟， 模拟时间段为 2015 均值。通过模拟结果与观测资料进行对比分析改
