干旱半干旱区土壤水热参数的观测及其在陆面模式中参数化方案的改进

In order to improve the parameterization schemes of soil thermal conductivity and soil hydraulic conductivity in land surface model, the field observations of soil thermal cnoductivity, soil hydraulic conductivity, soil moisture ,soil temperature, soil texture and soil organic matter content in farm field and grassland will be performed in arid and semiarid areas of China. Firstly, the relationship between soil thermal conductivity and soil hydraulic conductivity with soil moisture, soil temperature, and soil texture and soil organic matter content will be analyzed through the observed data. Then, the soil thermal conductivity and soil hydraulic conductivity parameterization schemes in NCAR/CLM4.5 will be optimized. In addition, the performance of the improved soil thermal conductivity and soil hydraulic conductivity schemes will be evaluated using the four sites measurements (Pinliang, Jingning and Dunhuang). According to this proposed programe, a better soil water and heat parameterization scheme will be developed, which is very important for better understanding land surface processes and climate change in arid and semiarid regions.

针对目前陆面模式中土壤水热参数化方案中没有考虑土壤温度对导热率和导水率的影响，在干旱半干旱区农田和草地典型下垫面开展土壤导热率和土壤导水率的野外观测，利用实际观测资料分析土壤导热率和土壤导水率与土壤温度、土壤湿度、土壤质地和有机质含量之间的关系；并优化NCAR/CLM4.5模式中现有的土壤水热传输参数化方案，对比分析优化前后NCAR/CLM4.5在干旱半干旱区域的模拟性能，通过平凉、静宁和敦煌3个已有地面实际观测资料对改进后的参数化方案进行评估，进一步优化土壤水热参数化方案。通过本申请项目的实施，将建立一套适合我国干旱半干旱区下垫面的土壤水热参数化方案，这对陆面过程模式的发展以及未来干旱半干旱区域气候变化研究和预测有着重要的意义。

目前研究中，针对黄土高原地区陆面过程中土壤导水率和导热率认识仍然不足，对黄土高原地区土壤水热参数化研究中的水热参数化方案仍然需要改进。因此，本项目研究对干旱半干旱区农田、草地和森林典型下垫面开展了土壤导热率和土壤导水率的野外观测，并分析了土壤导热率受土壤温度、土壤湿度和土壤质地的影响，以及土壤导热率在冻融和非冻融情况下的主要特征和主要影响因素。.研究结果表明：土壤含水量是影响土壤热性质的重要因素，土壤导热率与土壤体积比热容随着土壤含水量的减小而降低，由于二者降低的程度不同，导致土壤热扩散率增大，土壤热扩散率是导热率和比热容的比值。因此，这两个热性能的变化都将影响到热扩散率。.在冻结前阶段，退耕还林还草区观测点主要是由于土壤温度的影响，导致了土壤冻结，进而引起土壤导热率的变化。而退耕还林区土壤含水量对导热率影响大于土壤温度对导热率的影响。在冻融阶段，土壤导热率主要受土壤含水量的影响。在完全冻结阶段，退耕还草区观测点和退耕还林区观测点土壤含水量变化对土壤导热率的影响更大，而退耕还林区土壤含水量对土壤导热率有明显的影响。