Page 8 - 《高原气象》2025年第3期

高 原 气 象 44 卷
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sand）和黏土含量（单位： %clay）纳入考量， 用以计 表2 改进前后方案土壤各层节点深度
算它们对土壤水热特性的影响。然而， 砾石含量 Table 2 The depth of each soil layer node before
（单位： %rock）也是一个不可忽视的因素， 其对土 and after improvement
壤的水热特性同样具有重要影响。在此方案中， 土 方案 原层次 20层方案 30层方案
壤饱和含水量、 饱和导水率以及可调参数 B 被用来 节点 0. 007 0. 007 1. 383 0. 007 0. 314
描述砾石对土壤水力特性的影响； 土壤基质势、 土 深度 0. 028 0. 018 1. 728 0. 014 0. 366
壤容重、 土壤固体导热率、 干土壤导热率和固体土 /m 0. 062 0. 028 2. 296 0. 021 0. 450
壤热容用于描述砾石对土壤热特性的影响。 0. 119 0. 045 2. 865 0. 028 0. 534
目前大多数陆面模式的土壤垂直离散化方案 0. 212 0. 062 3. 433 0. 039 0. 620
各不相同， 最佳的土壤分层问题至今仍无定论， 但 0. 366 0. 091 0. 045 0. 758
先前已有研究表明： 更细致的土壤分层有助于提高 0. 620 0. 119 0. 051 0. 829
土壤水热过程的模拟精度， 使其更贴近真实的自然 1. 038 0. 166 0. 062 0. 896
系统。土壤分层的加密使模式能够更精细地模拟 1. 728 0. 212 0. 081 1. 038
土壤温度和土壤湿度的垂直分布， 能更细致准确地 2. 865 0. 289 0. 100 1. 266
模拟出土壤水热过程， 减少计算误差， 这对于土壤 0. 366 0. 119 1. 493
冻融过程、 季节性温度变化等方面具有重要影响 0. 493 0. 150 1. 728
（De Rosnay et al， 2000； Martinez et al， 2001； Heise 0. 620 0. 180 2. 103
et al， 2003）。BCC-CSM 大气环流模式的土壤垂直
0. 829 0. 212 2. 487
分层一共有 10层， 本试验将其进行加密， 更好地探
1. 038 0. 263 2. 865
究土壤分层对土壤水热模拟的影响。使用的土壤
土壤层
垂直离散化方案如表 2 所示， 在原有 10 层的基础 次/层 10 20 30
上， 保持原先土壤深度， 采用线性插值的方法， 插
值一个 20 层方案和一个 30 层方案。在 BCC-CSM 散化方案， 需要把 10 层地表数据插值为 20 层与 30
模式中关于土壤的垂直离散化方案由下列公式 层与模式分层相匹配。
表示： 将优化好的集成方案耦合到 BCC-CSM 全球气
Z i = f s{exp[0.5(i - 0.5)] - 1} （5） 候系统模式中后， 进行了 2000年 1月 1日至 12月 31
)
ì 0.5( Z 1 + Z 2 ， i = 1 日为期一年的模拟试验。选取的研究区域为青藏
ï ï 高原地区（25°N -40°N， 73°E -105°E）。青藏高原
ï ï
)
Δz i = í0.5( Z i + 1 - Z i - 1 ， i = 2，3⋯N - 1 （6）
ï ï 的高海拔和复杂地形导致该地区土壤温湿度观测
ï ï Z N - Z N - 1 ， i = N 资料的严重匮乏， 这一数据缺口严重制约了对该地
î
)
ì0.5( Z 1 + Z 2 ， i = 1，2，⋯N - 1 区气候变化的研究工作。为了缓解数据缺失所带
Z h，i = í （7）
î Z N + 0.5ΔZ N ， i = N 来的影响， 中国国家气象信息中心采纳了包括集合
式中： Z 为土壤各层的节点深度； ΔZ 为土壤各层的 同化算法、 多源数据融合方法、 陆面过程模式 No‐
i
i
厚度； Z 为土壤各层的界面深度； i 表示土壤层的 ah 3. 3 以及地表参数优化在内的多项核心技术， 构
h， i
系数； f 为标准系数， 在模式中等于 0. 025； N 为土 建了中国全球陆面再分析系统（CRA）。这一系统
s
壤总层数， 在原始模式中N定义为10层。 的建立旨在提高对中国区域陆面过程的模拟和理
解， 从而为气候变化研究提供更为可靠的数据支
3 试验设计及资料使用
持。该系统提供了从 1979 年至今的全球陆面再分
为了将砾石参数化方案耦合到国家地球系统 析产品， 即 CMARA/Land。这些产品具有 3 h 的时
模式中心的 BCC-CSM 大气环流模式中， 有必要构 间分辨率和 34 km 的空间分辨率， 并分为 4 个垂直
建一套全新的地表数据集。在本研究中， 我们使用 层次， 涵盖了从土壤表层到 2 m 深度的范围。经过
了徐悦等人基于中山大学提供的砾石数据所建立 产品评估， 发现 CMARA/Land 在中国区域的表现
的地表数据集， 该数据集包含 10个土壤层， 以适应 优于其他产品， 特别是在土壤湿度（0~10 cm）以及
BCC-CSM 模式的土壤层次结构（徐悦等， 2020）。 地表温度和各层土壤温度方面。这些评估结果表
为了成功运行土壤垂直 20 层离散化方案和 30 层离 明， 该系统为青藏高原地区和全球气候研究提供了