陆面模式植被根系吸水与冠层截留参数化方案的评估与改进

Hydrological cycle is an important part of land surface process, and plants is one of the key factors in the land surface hydrological cycle. And two crucial processes for plants—root water uptake and canopy interception—plays an important role in the land-surface hydrological cycle. In current land surface models, the parameterization scheme of root water uptake and canopy interception is relatively simple, without considering many important impact factors. The purpose of this study is to evaluate and improve the parameterization schemes of root water uptake and canopy interception in the land surface model and to quantitatively analyze its role in land surface process simulation. Considering soil temperature, salinity, compensatory water uptake and hydraulic redistribution in the root water uptake simulation, and the effect of rainfall intensity and wind effect on canopy interception simulation, a more realistic approach of root water uptake and canopy interception parameterization in land model is proposed. Using the FLUXNET site data and the CRUNCEP atmospheric forcing data, CoLM\CLM will be driven to conduct single-point and global off-line experiments. The impact of the new parameterization scheme on simulation results will be analyzed and verified in order to improve the capabilities of those two models on root water uptake and canopy interception simulating, which could also be increasing the confidence of the model results.

陆面水循环过程是陆面过程中的重要组成部分，而植被则是影响陆面水循环过程的关键因子。植被的根系吸水过程和冠层截留过程在陆面水循环中扮演着重要角色。现有陆面模式中，根系吸水和冠层截留的参数化方案较为简单，没有考虑诸多重要的影响因子。本研究拟对陆面模式中根系吸水和冠层截留参数化方案进行评估和改进，定量分析其在陆面过程模拟中的作用，考虑土壤温度、土壤盐度、根系补偿吸水、水分再分配效应等因子对于根系吸水的影响，以及降雨强度和风力作用对于冠层截留的影响，提出一个更加合理的根系吸水和冠层截留参数化方案。利用FLUXNET站点观测数据和CRUNCEP等大气强迫数据，驱动陆面模式CoLM\CLM进行单点和全球离线试验，分析验证新的参数化方案对模拟结果的影响，以期提高陆面模式对根系吸水和冠层截留的模拟能力。

植被作为陆面过程中的关键因子之一，是水分在陆地和大气之间交换的重要桥梁。因而，在陆面模式中，植被以及相关的水分循环过程一直是模式模拟的重点。植物的根系吸水过程和冠层截留过程对于水分在陆-气之间的交换有着重要影响，准确的模拟上述过程对模式性能的提升有重要的意义。因此，本项目利用站点和全球观测数据，对陆面模式CoLM/CLM中的根系吸水和冠层截留参数化方案进行了评估和改进。主要研究进展包括：1）对陆面模式CoLM的根系吸水过程进行了改进，考虑了土壤低温胁迫的影响，并利用FLUXNET站点观测数据和FLUXNET-MTE全球重建潜热数据对改进后的模式进行了评估。在根系吸水过程参数化方案中考虑土壤低温胁迫的作用，可以修正模式对于能量通量的模拟偏差，提高模式对三个研究站点乃至全球中高纬地区的能量通量的模拟能力；2）评估了冠层截留系数与冠层最大承载量对CLM模式中全球陆面蒸散发，降水，径流等因子的影响，修订了原版模式中的冠层截留参数化方案，提升了模式对全球陆面蒸散发的的模拟能力；并在CoLM模式中考虑了风速和雨强对冠层截留的影响，降低了模式对冠层蒸发和潜热通量的模拟误差；3）在CoLM模式中引入了一个有物理基础的植物水力方案（PHS），在其中考虑了包括土壤低温在内的环境因子对根系吸水过程的影响，改进了模式对于植被蒸腾速率的模拟能力，尤其是在干旱/半干旱地区。通过项目研究，完善了陆面模式中根系吸水过程和冠层截留过程的参数化方案，改进了模式对地表能量通量的模拟能力，进而有助于提升陆面模式乃至气候系统模式结果的可信度。