基于高時空分辨率驅(qū)動數(shù)據(jù)的中國區(qū)域土壤溫度模擬與評估

朱智+師春香+梁曉+韓帥

摘要：土壤溫度在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中是一個重要的陸面變量，但是僅通過觀測很難獲取大范圍的、時空連續(xù)的土壤溫度數(shù)據(jù)，而通過陸面模式模擬的土壤溫度可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和研究提供較為準(zhǔn)確的土壤溫度格點(diǎn)場?；诟邥r空分辨率的驅(qū)動數(shù)據(jù)，使用Noah-MP陸面模式對中國區(qū)域的土壤溫度進(jìn)行模擬，并使用2 400多個國家級氣象站的土壤溫度觀測數(shù)據(jù)對模擬結(jié)果進(jìn)行評估。結(jié)果表明：（1）Noah-MP陸面模式能夠很好地模擬出中國區(qū)域土壤溫度的空間分布、時間變化，偏差在±0.5 ℃以內(nèi)，相關(guān)系數(shù)在0.9以上；（2）從選取的8個研究區(qū)的土壤溫度模擬結(jié)果來看，Noah-MP陸面模式能夠抓住各研究區(qū)的土壤溫度變化趨勢，僅對東北地區(qū)冬季的土壤溫度存在輕微的低估；（3）基于高時空分辨率驅(qū)動數(shù)據(jù)得到的土壤溫度模擬結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性，對于農(nóng)業(yè)氣象研究具有積極意義。

關(guān)鍵詞：高時空分辨率；Noah-MP陸面模式；土壤溫度模擬

中圖分類號： P416.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）05-0228-05

發(fā)生在陸地表面與大氣之間水分、熱量和動量交換的過程，稱為陸面過程[1]。作為全球氣候系統(tǒng)的重要組成部分，陸面-水文過程是重要陸面過程之一，對區(qū)域乃至全球氣候有十分重要的作用，尤其在東亞區(qū)域，陸面-水文過程及該過程與大氣的相互作用對區(qū)域氣候有重要影響[2]。研究陸面水文過程，獲取陸面數(shù)據(jù)的方法主要有3種：（1）站點(diǎn)觀測；（2）遙感觀測；（3）陸面模式模擬。站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)可以給出觀測時刻、觀測位置的真值，但是陸地表面的高度時空分異性造成站點(diǎn)觀測難以給出時空連續(xù)的陸面物理量格點(diǎn)數(shù)據(jù)[3]；通過衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)對陸面變量進(jìn)行反演能夠在一定程度上彌補(bǔ)觀測數(shù)據(jù)的不足，但是遙感觀測數(shù)據(jù)會受到云、植被和地表粗糙度等的影響，造成反演結(jié)果的不準(zhǔn)確[4]，同時遙感觀測難以獲取深層土壤的信息[5]。因此，通過使用陸面模式對全球以及區(qū)域的陸面過程進(jìn)行模擬是可行的陸面過程研究方法。

土壤溫度是重要的陸面變量，在土壤水熱平衡過程中起到重要作用，在數(shù)值預(yù)報模式中的很多物理過程中是不可忽視的變量[6]；[JP2]同時，土壤溫度也可以影響土壤中碳氮等物質(zhì)的化學(xué)、生物學(xué)過程，進(jìn)而影響農(nóng)作物的生長、發(fā)育及產(chǎn)量[7]。運(yùn)用陸面模式對土壤溫度進(jìn)行模擬，可以獲取大范圍的、時空連續(xù)的土壤溫度格點(diǎn)模擬結(jié)果，為數(shù)值模式研究和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供參考。

陳海山等利用CLM3.5模式對中國區(qū)域1948—2001年的土壤溫度進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，CLM3.5模式能夠較好地模擬出中國區(qū)域土壤溫度的空間分布，但在大部分地區(qū)土壤溫度模擬值高于實(shí)際觀測結(jié)果[8]。陳曉磊等利用CLM3.0和SHAW（英文全稱Simulation Heat and Water）模式對青藏高原瑪切氣象站的土壤溫度進(jìn)行了模擬，認(rèn)為土壤溫度模擬值與觀測值相關(guān)性很強(qiáng)，并且土壤溫度的模擬在夏季好于冬季[9]。王澄海等利用CoLM（英文全稱Common Land Model）對青藏高原西部獅泉河觀測站的陸面特征開展了模擬研究，結(jié)果表明CoLM對于深層土壤溫度的模擬效果好于淺層[10]。[JP]

在土壤溫度觀測數(shù)據(jù)很有限的情況下，筆者試圖通過改進(jìn)大氣驅(qū)動數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和時空分辨率，進(jìn)而改善陸面模式對于中國區(qū)域陸面過程的模擬結(jié)果，獲取更為準(zhǔn)確的土壤溫度格點(diǎn)場，從而為農(nóng)業(yè)研究提供更為準(zhǔn)確的陸面參量數(shù)據(jù)。

1材料與方法

1.1土壤溫度觀測數(shù)據(jù)

目前土壤溫度觀測包括淺層、深層土壤溫度觀測，在垂直方向上分為8層：5、10、15、20、40、80、160、320 cm，一般稱5～20 cm的土壤溫度為淺層地溫，40～320 cm層的為深層地溫[11]。本研究所用的土壤溫度觀測數(shù)據(jù)來源于國家氣象信息中心資料服務(wù)室，包括2 400多個國家級氣象站2014—2014年的逐小時10、40 cm土壤溫度觀測數(shù)據(jù)，土壤溫度觀測站點(diǎn)的空間分布見圖1。

1.2模式驅(qū)動數(shù)據(jù)

本研究所用的驅(qū)動數(shù)據(jù)是國家氣象信息中心師春香研究員課題組制作的中國氣象局陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)（CMA land data assimilation system，簡稱CLDAS）2.0版本驅(qū)動數(shù)據(jù)（以下簡稱CLDAS 2.0驅(qū)動數(shù)據(jù)），包括近地面氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)速、降水量和短波輻射6個要素，空間分辨率為0.062 5°，時間分辨率為1 h。

CLDAS 2.0近地面溫、壓、濕、風(fēng)驅(qū)動數(shù)據(jù)是基于多重網(wǎng)格[CM（25]變分分析方法[12]，以ERA-Interim再分析產(chǎn)品作為背景[CM）]

[JP2]場，融合中國氣象局布設(shè)的超過4萬個國家級氣象站、區(qū)域氣象站的逐小時地面觀測資料，建立2008—2014年的CLDAS 20驅(qū)動數(shù)據(jù)中的近地面氣溫、氣壓、濕度和風(fēng)速驅(qū)動數(shù)據(jù)。[JP]

CLDAS 2.0降水、輻射驅(qū)動數(shù)據(jù)都使用了成熟的產(chǎn)品：通過對中國地面與CMORPH融合逐小時降水產(chǎn)品（V1.0）[13-15]和美國CMORPH降水產(chǎn)品[16]進(jìn)行空間拼接與插值，制作降水驅(qū)動數(shù)據(jù)；基于中國FY-2C/E衛(wèi)星的可見光波段觀測數(shù)據(jù)，使用基于DISORT方法的短波輻射反演系統(tǒng)[17]，制作短波輻射驅(qū)動數(shù)據(jù)。

1.3Noah-MP陸面模式

[JP2]Noah-MP（the Community Noah Land Surface Model with Muti-Parameterization Options）陸面模式是美國楊宗良教授開發(fā)的新一代陸面模式[18-20]，在Noah陸面模式[21]的基礎(chǔ)上添加了新的生物物理過程，包括1個相互作用的植被冠層[22]，具有多個層次的積雪覆蓋層[23]以及1個基于TPOMODEL（TOPography based hydrological model）的蒸發(fā)模型[24]等。[JP]

[JP2]基于CLDAS 2.0驅(qū)動數(shù)據(jù)，運(yùn)行Noah-MP陸面模式對中國區(qū)域陸面過程進(jìn)行模擬，并提取土壤溫度模擬結(jié)果進(jìn)行評估。本研究在淺層、深層土壤溫度中各選取了1層（10、40 cm），探討在使用高時空分辨率驅(qū)動數(shù)據(jù)的情況下，Noah-MP陸面模式對土壤溫度的模擬效果。為了減少模擬驗(yàn)證時站點(diǎn)尺度匹配比較所帶來的不確定性，參照前人的研究[25-26]并結(jié)合觀測站點(diǎn)的分布狀況，將中國分為8個研究區(qū)，其中Ⅰ區(qū)為東北地區(qū)，Ⅱ區(qū)為華北地區(qū)，Ⅲ區(qū)為江淮地區(qū)，Ⅳ區(qū)為東南地區(qū)，Ⅴ區(qū)為西北東部地區(qū)，Ⅵ為西南地區(qū)，Ⅶ為西北西部地區(qū)，Ⅷ區(qū)為青藏高原地區(qū)。研究區(qū)的劃分如圖2所示。[JP]

2結(jié)果與分析

2.1土壤溫度模擬結(jié)果誤差的空間分布特征

由圖3可以看出，在10、40 cm 2個深度，偏差的空間分布基本一致，但是在山西省周圍地區(qū)的部分站點(diǎn)，10 cm土壤溫度模擬值與觀測值的偏差略高于40 cm土壤溫度模擬值與觀測值的偏差，而在青海省東部的站點(diǎn)，40 cm土壤溫度模擬值與觀測值的偏差較大?？傮w來看，Noah-MP模式中部地區(qū)（30°～40°N）[JP2]呈現(xiàn)正偏差，而在其他地區(qū)呈現(xiàn)負(fù)偏差，在東北地區(qū)存在1個負(fù)偏差高值區(qū)，偏差在-2 ℃以上。這是由于冬季東北地區(qū)的土壤溫度觀測站可能會存在積雪，而在有積雪的情況下，雪會反射大部分太陽輻射[27]，造成土壤所能獲得的能量大幅度減少，因此盡管觀測儀器仍然在進(jìn)行土壤溫度觀測，但是缺少了太陽輻射的影響，土壤溫度觀測數(shù)據(jù)變化幅度很?。欢懨婺Ｊ胶茈y模擬出這種微小尺度的積雪情況，仍然按照沒有積雪的情況模擬該站點(diǎn)及周邊的土壤溫度，這就造成了東北地區(qū)土壤溫度模擬值與觀測值存在較大偏差。

從Noah-MP模式10、40 cm土壤溫度模擬值與觀測數(shù)據(jù)偏差的統(tǒng)計情況可以看出，兩者的統(tǒng)計情況類似，偏差都主要分布在±2 ℃以內(nèi)，其中10 cm土壤溫度模擬值在90.8%的站點(diǎn)與觀測數(shù)據(jù)的偏差分布在±2 ℃以內(nèi)，而40 cm土壤溫度模擬值在90%的站點(diǎn)與觀測數(shù)據(jù)的偏差分布在±2 ℃以內(nèi)；在10 cm處的土壤溫度呈現(xiàn)負(fù)偏差的站點(diǎn)占總站點(diǎn)數(shù)的 51.3%，略多于呈現(xiàn)正偏差的站點(diǎn)，而對于40 cm處的土壤溫度，呈現(xiàn)負(fù)偏差的站點(diǎn)同樣多于呈現(xiàn)正偏差的站點(diǎn)，其中模擬值在52.1%的站點(diǎn)與觀測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)負(fù)偏差，在剩余47.9%的站點(diǎn)模擬值與觀測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)正偏差（圖4）。

從圖5-a、圖6-a可以看出，在絕大部分站點(diǎn)（864%），Noah-MP模式的10 cm土壤溫度模擬值與觀測數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)超過0.9，在青藏高原地區(qū)的站點(diǎn)與觀測數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)較低，在0.8～0.9之間，但在云南省南部的部分觀測站點(diǎn)與觀測數(shù)據(jù)的相關(guān)性偏低，但相關(guān)系數(shù)仍大于06，可以通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn)。從圖5-b、圖6-b可以看出，對于40 cm的土壤溫度，在絕大部分站點(diǎn)（841%），Noah-MP模式的溫度模擬值與觀測數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)超過0.9，在云南省南部存在1個相關(guān)系數(shù)的低值區(qū)，相關(guān)系數(shù)主要分布在0.6～0.8的區(qū)間上，有零星站點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)<0.5，但>0.4，這一低值中心與 10 cm 土壤溫度模擬值與觀測值相關(guān)系數(shù)的空間分布是類似的，與10 cm處土壤溫度不同的是，Noah-MP模式的40 cm土壤溫度與觀測數(shù)據(jù)在東北地區(qū)的相關(guān)系數(shù)略低于 10 cm 處的相關(guān)系數(shù)，但是相關(guān)系數(shù)仍然大于0.8。從10、40 cm 土壤溫度模擬值與觀測值的相關(guān)系數(shù)分布區(qū)間來看，相關(guān)系數(shù)主要分布在0.8及以上，其中在97.5%的站點(diǎn)，10 cm 土壤溫度模擬值與觀測值的相關(guān)系數(shù)大于0.8，而在98.4%的站點(diǎn)，40 cm 土壤溫度模擬值與觀測值的相關(guān)系數(shù)大于0.8

可以看出，在1年中10 cm土壤溫度最高的月份是7、8月，超過20 ℃；最低的月份是12、1月，最低10 cm土壤溫度低于0 ℃；從每天的10 cm土壤溫度變化來看，在冬季10 cm土壤溫度變化幅度較小，這是由于積雪反射和吸收了大部分的太陽輻射，輻射的變化并沒有引起土壤溫度的明顯變化，而在其他季節(jié)，10 cm土壤溫度的高值出現(xiàn)在世界時間06：00（北京時間14：00）附近。從圖7-a、圖7-b的對比來看，Noah-MP模式較好地模擬出10 cm土壤溫度的日變化情況，但是在冬季模擬值與實(shí)際觀測值有所差別，冬季的 10 cm 土壤溫度模擬值仍然出現(xiàn)了較強(qiáng)的日變化，在世界時間06：00（北京時間14：00）附近出現(xiàn)1 d中的高值，而觀測值在冬季的日變化較弱。相對于10 cm處的土壤溫度，40 cm處的土壤溫度變化更為緩和（圖7-c），在1 d中變化很小。從土壤溫度的月際變化來看，40 cm土壤溫度的高值出現(xiàn)在夏季，超過20 ℃，低值出現(xiàn)在冬季，低于5 ℃。從圖7-c、圖7-d的對比來看，Noah-MP模式能夠模擬出40 cm土壤溫度的日變化情況，但是在冬季出現(xiàn)了輕微的高估現(xiàn)象。

2.3研究區(qū)尺度土壤溫度模擬結(jié)果與觀測數(shù)據(jù)的比較

的8個研究區(qū)及全國2013年1月至2014年12月日平均10 cm土壤溫度模擬值及觀測值的時間序列可以看出，無論是在研究區(qū)尺度還是全國尺度，Noah-MP模式的 10 cm 土壤濕度模擬值與實(shí)際觀測值的變化趨勢基本一致，可以模擬出土壤溫度的時間變化；各研究區(qū)的土壤溫度在1年中呈現(xiàn)單峰型，峰值出現(xiàn)在7—8月，谷值出現(xiàn)在1—2月；相對于北方的4個研究區(qū)（東北、華北、西北東部和西北西部地區(qū)）的10 cm土壤溫度在1年中的變化幅度，南方的3個研究區(qū)（江淮、東南、西南地區(qū)）的10 cm土壤溫度在1年中變化幅度更為平緩。從圖8-a、圖8-e可以看出，Noah-MP對于東北、西北東部地區(qū)的冬季10 cm土壤溫度模擬出現(xiàn)了明顯的低估，并且東北、西北東部地區(qū)的冬季10 cm土壤溫度變化很小，這可能是積雪對觀測產(chǎn)生了影響，積雪不僅可以反射和吸收太陽輻射，同時也起到了保溫的作用，造成冬季北方地區(qū)10 cm土壤溫度的變化幅度明顯小于其他季節(jié)，這也是圖3-a中土壤溫度模擬結(jié)果在東北地區(qū)與觀測數(shù)據(jù)偏差較大的原因。從全國尺度來看，Noah-MP模式的10 cm土壤溫度模擬值與觀測值的變化趨勢基本一致，僅在冬季存在輕微的低估，而在其他季節(jié)與觀測值更為接近（圖8-i）。

由表1可見，在所有研究區(qū)，Noah-MP模式的 10 cm 土壤溫度模擬值與觀測數(shù)據(jù)的相關(guān)性都很強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)均大于0.98；相關(guān)系數(shù)最低的是東北地區(qū)，相關(guān)系數(shù)為 0.980；相關(guān)系數(shù)最高的是江淮地區(qū)，相關(guān)系數(shù)為0.994。從偏差來看，有3個研究區(qū)呈現(xiàn)正偏差，5個研究區(qū)呈現(xiàn)負(fù)偏差；從全國尺度來看，為輕微的負(fù)偏差（-0.172 ℃）；東北地區(qū)的偏差顯著大于其他研究區(qū)，為-2.250 ℃。從圖5-a可以看出，負(fù)偏差主要是由于Noah-MP模式對于東北地區(qū)冬季 10 cm 土壤溫度的低估造成的。從均方根誤差來看，東北、西北西部地區(qū)10 cm土壤溫度模擬值與觀測值的均方根誤差較大，超過 2 ℃，其他6個研究區(qū)的均方根誤差都小于2 ℃，均方根誤差最小的研究區(qū)是青藏高原地區(qū)，為0.818 ℃小尺度的積雪情況，造成模擬結(jié)果出現(xiàn)了一定的誤差。

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[HT5”SS〗江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)2017年第45卷第5期

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3結(jié)論

基于高時空分辨率的CLDAS 2.0驅(qū)動數(shù)據(jù)，使用Noah-MP陸面模式對中國區(qū)域的土壤溫度進(jìn)行了模擬，并利用中國氣象局布設(shè)的土壤溫度自動站觀測數(shù)據(jù)對模擬結(jié)果進(jìn)行了評估與研究，主要結(jié)論有以下幾點(diǎn)：（1）Noah-MP陸面模式的10、40 cm土壤溫度模擬值與觀測數(shù)據(jù)相關(guān)性很強(qiáng)，絕大部分站點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)大于0.8，偏差主要分布在-2～2 ℃；Noah-MP陸面模式能夠很好地模擬出土壤溫度的日變化，但是對于冬季的土壤溫度模擬存在輕微的低估；（2）從區(qū)域尺度看，Noah-MP陸面模式能夠較好地模擬出各研究區(qū)的土壤溫度變化，但是對于東北地區(qū)冬季的表層土壤溫度存在低估，主要原因是由于冬季積雪會吸收和反射輻射，并且會對土[CM（25]壤起到保溫的作用，而Noah-MP陸面模式很難模擬出微