Page 9 - 《高原气象》2025年第3期
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3 期    杨发利等：BCC-CSM模式土壤分层及其冻融砾石参数化集成方案对青藏高原土壤水热输送的模拟研究                                     567
               重要的数据支持。                                          0. 1 m）和土壤深层（0. 4~1. 0 m）做分析。本研究首
                   为了评估模式对土壤水热模拟性能的提升效                           先将土壤冻融参数化方案与土壤砾石参数化方案
               果， 本文将使用上述同化资料 CRA 土壤温湿度数                         相结合， 并将其耦合至 BCC-CSM 大气环流模式中
               据集与模拟结果对比分析， 该同化资料土壤垂直方                           形成集成方案， 通过对比分析， 评估不改变土壤层
               向 上 分 为 4 层（0~0. 1， 0. 1~0. 4， 0. 4~1. 0 和 1. 0~  次的情况下模式原始方案与集成方案的模拟效果。
               2. 0 m）， 时间分辨率为 3 h， 空间分辨率为 34 km。                随后， 对集成方案的土壤垂直离散化方案进行了加
               相较于国际上现有的再分析资料， CRA在中国及其                          密处理， 以探究土壤层加密对土壤水热状况的影响。
               邻近区域在地面、 高空、 海洋和飞机观测数据的使                          4. 1 原始方案与集成方案模拟结果分析
               用量上显著增加。国家气象中心发布的 CRA/Land                            把土壤冻融参数化方案与土壤砾石参数化方
               产品经过对比评估， 在土壤湿度模拟方面， 相较于                          案相结合， 并将其耦合至 BCC-CSM 大气环流模式
               GLDAS 和 CFSR-Land， 有较小的偏差和均方根误                    中， 形成土壤层为 10层的参数化集成方案， 将模拟
               差， 以及较高的相关系数。这一结果表明， CRA/                         结果与模式原始方案的模拟结果分别与 CRA 数据
               Land在土壤湿度模拟的精确度方面略胜一筹。                            进行对比分析， 评估不改变土壤层次的情况下模式
                   模式模拟的结果土壤层次过多， 而对比资料
                                                                 原始方案与集成方案的模拟效果。表 3列出了在青
               CRA 的层次较少， 为了研究方便， 将使用线性插值
                                                                 藏高原地区， 土壤分层不变的情况下， 原始方案和
               和加权平均的方法， 选取一个土壤浅层（0~0. 1 m）对
                                                                 集成方案在夏冬两季， 土壤浅层和深层温度的模拟
               应同化资料的第一层， 一个土壤深层（0. 4~1. 0 m）对
                                                                 值与 CRA 数据之间的均方根误差及相关系数， 表
               应同化资料的第三层。对模拟结果的检验主要选
                                                                 中统计量针对研究区域和时间进行了区域平均和
               用两种统计方法： 一是均方根误差（RMSE）， 表示
                                                                 时间平均处理。从表 3 中可以得出， 在加入土壤冻
               模拟结果与对比资料的偏差， 是模拟结果与对比资
                                                                 融参数化方案和土壤砾石参数化方案后， 土壤温度
               料之间总体离散程度的量度； 二是相关系数（r）， 表
                                                                 的模拟效果得到了提升。夏季土壤浅层温度均方
               示模拟结果与对比数据变化趋势的相似程度， 具体
                                                                 根误差从 5. 71 ℃减小到 5. 69 ℃， 相关系数从 0. 53
               公式如下：
                                                                 提升到 0. 54； 土壤深层温度均方根误差从 4. 42 ℃
                                    1  N         2
                          RMSE =                )        （8）     减小到 4. 17 ℃， 相关系数从 0. 80 提升到 0. 82。冬
                                    N  ∑( M i - R i
                                      i = 1                      季模拟效果比夏季好， 土壤浅层温度的均方根误差
                              ∑( M i - M )( R i - R )            从 5. 27 ℃ 减小到 4. 88 ℃， 相关系数从 0. 86 提升
                               N
                                              -
                                      -
                       r =    i = 1                      （9）     到 0. 87； 土壤深层温度均方根误差从 3. 34 ℃ 减小
                            ∑( M i - M ) ∑(  R i - R )  2        到 3. 03 ℃， 相关系数从 0. 86 提升到 0. 96。表 4 列
                                       2
                                                 -
                                    -
                             N
                                          N
                            i = 1         i = 1
                                                                 出了在青藏高原地区， 土壤分层不变的情况下， 原
                                                         ˉ
               式中： M 代表模拟值； R 代表对比资料的值； M 代                      始方案和集成方案在夏冬两季， 土壤浅层和深层湿
                                     i
                      i
               表模拟值的平均值； R 代表对比资料的平均值； N
                                  ˉ
                                                                 度的模拟值与 CRA 数据之间的均方根误差及相关
               代表样本数。本文中采用的青藏高原地图来源于
                                                                 系数， 表中统计量针对研究区域和时间进行了区域
               国家测绘地理信息局标准地图服务网站， 地图审图
                                                                 平均和时间平均处理。从表 4 中可以得出， 土壤湿
               号为 GS（2016）1609 号。该标准地图作为底图， 在
               本文中未经任何修改。                                         表3  10层土壤层原始方案与集成方案土壤温度的模拟值
                                                                                   与CRA比较
               4  结果分析                                            Table 3  The comparison between the simulated soil tem‐
                                                                    peratures of the original scheme and the integrated
                   为了验证 BCC-CSM 大气环流模式不同土壤分
                                                                         scheme for the 10 soil layers with CRA
               层集成方案在青藏高原地区的模拟效果， 将模拟结
                                                                                     夏季               冬季
               果与国家气象中心的 CRA同化资料进行对比分析。                               参数
               模式的模拟时间为 2000 年 1 -12 月， 空间分辨率为                                  原始方案 集成方案       原始方案 集成方案
               1. 125°×1. 125°， 选取的研究区域为青藏高原地区。                   土壤   RMSE/℃    5. 71   5. 69    5. 27  4. 88
                                                                  浅层
               为了探究不同时间段和不同土壤深度的模拟效果，                                     R      0. 53   0. 54    0. 86  0. 87
               对 比 分 析 时 选 取 时 间 段 夏 季（6 -8 月）和 冬 季               土壤   RMSE/℃    4. 42   4. 17    3. 34  3. 03
              （10 -12 月）做分析， 土壤深度选取土壤浅层（0~                        深层      R      0. 80   0. 82    0. 86  0. 96
   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14