NCAR_CLM系列模式全球陆面模拟对比分析

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"NCAR_CLM系列模式对全球近50 a陆面状况的模拟及其比较分析 (2013年)" 这篇论文详细探讨了NCAR（美国国家大气研究中心）的Community Land Model（CLM）系列在模拟全球近50年的陆面状况方面的表现。CLM是一种用于模拟地球表面过程的陆面模型，它被广泛用于气候建模和气候变化研究。在该研究中，科研人员使用了普林斯顿大学提供的1948年至2006年的3小时一次、1°×1°空间分辨率的全球陆面驱动数据，对CLM3.0、CLM3.5和CLM4.0三个不同版本进行了离线模拟试验。作者们对比分析了这些版本在模拟土壤温度、土壤湿度、地表感热、潜热和地表径流等方面的结果，旨在揭示不同版本模式之间的差异和各自的特点。研究结果显示： 1. 不同版本的CLM在模拟土壤温度和湿度时存在显著差异。CLM3.0和CLM3.5在1月和7月的模拟中，对于北半球中高纬度地区的浅层和深层土壤温度有明显的过暖现象。这可能会影响对冬季寒冷条件和夏季热浪的预测精度。 2. CLM3.0在模拟土壤湿度时，特别是在北半球高纬度地区表现出过度湿润，而在热带和中纬度地区则倾向于过干。特别指出的是，对于热带地区的深层土壤湿度，CLM3.0的模拟存在严重的干燥偏差，这可能对理解热带气候系统和水循环有重要影响。 3. 对于地表感热和潜热的模拟，不同版本的CLM也可能有不同的表现，这将直接影响到对热量平衡和能量交换的理解。地表径流的气候态模拟差异则可能反映了模型在处理水分循环和地表水文过程方面的差异。 4. 这项工作强调了模型版本升级的重要性，因为每个版本的改进可能会对某些特定的陆面过程有更精确的描述。例如，CLM4.0相对于早期版本可能在某些方面有更准确的模拟结果，但并不意味着在所有参数上都优于前代。通过这样的对比分析，研究不仅提供了对CLM系列模型性能的深入理解，也为未来模型的优化和改进提供了方向。对于气候科学家来说，这种评估有助于选择合适的模型版本来研究特定的气候问题，并为政策制定者提供更可靠的信息支持，以应对气候变化带来的挑战。

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大气科学学报

第 36卷

年，经过对地球生物物理部分参数化过程的改进和

程序优化，C L M 3 . 0 版本正式发布（Oleson et al.，

2 0 0 4 ) 。之后，N C A R 在 2 0 0 7 和 2 0 1 0 年相继发布了

C L M 3 . 5 和 C L M 4 . 0 两个后续版本( Oleson et al.，

2 0 0 8 ，2 0 1 0 )。

近年来，国内外学者利用该系列模式开展了大

量研究。例如：杜川利等（2 0 0 8 ) 用 N C E P / D O E R 2

大气强迫资料驱动 C L M 3 . 0 ，对中国区域的陆面过

程进行了数值模拟，认为 C L M 3 . 0 基本上可以反映

站点观测土壤湿度的年际变化，但模式模拟的年际

振幅较观测明显偏小。宋耀明等（2 0 0 9 a ，20 0 9 b )利

用 C L M 3 . 0 对长白山温带混交林和千烟洲热带人

工针叶林两种典型生态系统的陆气相互作用进行了

模拟，认为该模式能较好地模拟出观测站点地表能

量和水分平衡的基本特征。陈海山等( 2 0 1 0 ) 、熊明

明等( 2 0 1 1 )利用普林斯顿大学全球大气外强迫场

资料驱动C L M 3 . 0 ，分别对中国区域土壤温度、湿度

进行了模拟和评估，认为模式总体上能模拟出中国

地区多年平均土壤温度和湿度的空间分布，能较好

地反映出中国地区土壤温度的年际变化，但对土壤

湿度年际变化的模拟能力总体较差。 Li and M a

(20 10 ) 利用 4 套不同的大气强迫资料驱动

C L M 3 . 5 ，对黄河流域的土壤湿度进行了模拟，认为

模式不但能模拟出土壤湿度的季节和年际变化，而

且能模拟出土壤湿度变化的长期趋势。 Nicolsky et

al. ( 2 0 0 7 )的工作则改进了 C L M 3 . 0 对永久冻土层

温度的模拟能力。 Sakaguchi and Z e n g ( 2009 ) 在

C L M 3 . 5 中引人了一种新的可变土壤阻抗处理方

案。 B o n a n and Levis( 2 0 1 0 )利用 C L M 4 . 0 模拟了氮

循环对全球碳收支的影响。

尽管利用 C L M 系列模式开展的研究工作已经

很多，但是大多数研究主要针对单个模式的应用;尽

管有少数研究通过单点模拟，分析了不同模式之间

的差异，但这些模式在全球尺度上的差异具有什么

样的特征？其空间分布的特征是什么？目前尚不清

楚。与此同时，C L M 系列陆面模式在物理过程上存

在很大的差异，这些差异对模拟结果到底能够产生

什么样的影响？回答上述问题，有助于提高我们对

陆面模式关键物理过程的理解。本文旨在利用不同

版本的 C L M 模式，在对全球陆面过程进行模拟的

基础上，对比和分析 C L M 系列模式之间的结果差

异，以此加深对陆面物理过程的认识，也为该系列模

式的应用和改进提供一定的参考。

1 模式简介

本文所用陆面模式为美国国家大气研究中心

(N C A R ) 的公用陆面模式（C om m u n i t y L a nd M o d 

el) ，该系列模式是目前较具代表性的陆面模式，被

广泛应用于陆面过程和全球气候的模拟研究。早期

版本 C L M 3 . 0 包括一个植被层、至多 5 个雪层、10

个土壤层，可以对生物物理过程、生物化学过程和水

文过程等进行模拟，另外还包含了动态植被模块供

用户选择。

其后，N C A R 发布了新一版的陆面模式

C L M 3 . 5 ( Oleson et al.，2008 ) 。在该版本中，模式

使用了新的基于M O D I S 资料的地表数据集（L a w 

rence and C h as e ，2 0 0 7 ) ，改进了模式中冠层对降水

的拦截系数和冠层积分方案（Lawrence et al.，2 0 0 7 ;

Thornton and Z i m m e r m a n n ，2 0 0 7 ) ，采用了一•个基于

水文模型（T O P - M O D E L )的模块来模拟表层和次表

层径流（Niu et al.，2 0 0 5 ) ，加人了一个简单的地下

水模块以确定地下水埋深（Niu et al.，2 0 0 7 ) ，并引

人了新的冻土过程方案（Niu and Y a n g ，2 0 0 6 )。

2 0 1 0 年 N C A R 推出了全新的 C L M 4 . 0 版本

(Oleson et al.，2 0 1 0 )。与 C L M 3 . 5 相比，它改进了

水文参数化方案，增加了 5 层基岩层，使得土壤层数

达到 1 5 层 ;此外，模式还引人了城市冠层模块，可用

于研究城市化引起的相关效应;在模拟积雪时，考虑

了气溶胶沉降对反照率的影响；更新了描述植被类

型的地表数据集，在模式中增加了描述碳氮循环的

模块（Lawrence et al.，2 0 1 1 )。

2 资料和方法

试验的驱动数据为普林斯顿大学 1948— 2006

年 3 h 一次、1。x 1 °空间分辨率的全球大气外强迫

场资料。该驱动数据是基于 N C E P / N C A R 的再分

析资料、气候研究中心（C R U ) 的逐月气候变量资

料、全球降水气候计划（G P C P ) 的逐日降水资料、热

带降水观测计划（T R M M )的降水资料以及美国国

家航空航天管理局（N A S A )的逐月地表辐射收支资

料等基础数据发展而来的。该驱动数据集包括近地

面 2 m 气温、风速、比湿、降水、近地面气压、大气向

下长波辐射通量和太阳向下短波辐射通量等7 个近

地面气象要素（Sheffield et al.，2 0 0 5 )。地表数据资

料分别来自各个版本模式自带的陆面特性参数数据

集。本文利用3 个版本的模式进行76 a 的离线（of

fline) 模拟试验，其中前 18 a 为 spin u p 期，利用

1 9 4 8 年的强迫场资料反复驱动模式运行，这里选取

1957— 2 0 0 6 年的模拟结果进行分析。

由于模式输出的部分陆面变量的垂直分布并不

均勻，因此本文在分析土壤温度和土壤湿度时，分别

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