青藏高原陆面过程模拟中物理参数不确定性研究及相应物理过程的分析

It is a drawback to uncertainty of numerical simulation of land surface processes over the Tibetan Plateau for one of the core scientific issues—understanding land surface processes and land-air interactions over the Tibetan Plateau for “The Changing Tibetan Plateau Land-Atmosphere Coupled System and Its Impacts on Global Climate” in major research program of the national natural science foundation of China. To improve the simulation ability of land surface processes over the Tibetan Plateau, and to comprehend the land surface processes and land-air interactions over the Tibetan Plateau, the new approach of identifying the sensitivity of physical parameter set and Common Land Model (CoLM) are employed. Among the numerous physical parameters to bring to simulation uncertainty of land surface processes over the Tibetan Plateau, the sensitive and important physical parameters set is determined for reducing the uncertainty of numerical simulation. The new approach of identifying the sensitivity of physical parameters set is based on the approach of conditional nonlinear optimal perturbation related to parameter error (CNOP-P). The character of the new approach considers the nonlinear interaction among physical parameters, and could identify the sensitivity and importance of physical parameters set. The above discussion instructs how to ascertain the sensitive physical parameter value through observation data, and supplies scientific help of improving the numerical ability. The above exploring establishes a theoretical foundation for which of physical parameters are assimilated or optimized in developing the assimilation system or the optimization system of land surface processes over the Tibetan Plateau.

青藏高原地区陆面过程模拟的不确定性是重大研究计划项目“青藏高原地—气耦合系统变化及其全球气候效应”的核心科学问题之一—理解青藏高原地区地表过程与陆-气相互作用的一个障碍。为了改进青藏高原地区陆面过程的模拟能力，从而理解青藏高原地区地表过程与陆-气相互作用，本项目利用一个新的识别参数组合敏感性的方法和通用陆面模型（CoLM），在导致青藏高原陆面过程模拟不确定性的众多物理参数中，识别出那些相对重要和敏感的物理参数组合。新的识别参数组合敏感性的方法基于与参数误差有关的条件非线性最优扰动（CNOP-P）方法。新方法的特点是能够考虑参数之间的非线性相互作用，从而确定相对敏感和重要的物理参数组合。上述工作可以指导我们如何通过观测数据等手段确定那些关键的物理参数值，为提高数值模拟能力提供一定的科学支持。同时也为开展青藏高原陆面过程的同化系统或者优化系统研究中，同化或者优化哪些物理参数奠定理论基础。

青藏高原地区陆面过程的数值模拟和预报存在较大的不确定性。在青藏高原地区，导致陆面过程模拟和预报不确定性的众多物理参数中，应该优先减少哪些物理参数的不确定性？我们利用一个基于条件非线性最优参数扰动（CNOP-P）的识别敏感物理参数组合的新方法和通用陆面模式（the Common Land Model，CoLM），探索了由模式物理参数误差导致的土壤湿度、土壤温度、潜热通量和感热通量的模拟误差的最大程度。发现了其物理参数导致的陆面过程（土壤湿度、感热通量、潜热通量和土壤温度）模拟的最大不确定性程度随地点的变化而变化。揭示出MS3478站土壤湿度模拟不确定性程度最大（0.64 m3 m-3），而ShiQuanHe站土壤湿度模拟不确定性程度最小（0.33 m3 m-3）。AnDuo站和MS3637站土壤湿度模拟不确定性程度也都大于0.6 m3 m-3。对于感热通量而言，不确定性程度超过100 W m-2的是AnDuo站和ShiQuanHe站，分别是131.2 W m-2和161.8 W m-2。其余三个站的感热通量的不确定性程度较小。AnDuo站、GaiZe站和ShiQuanHe站的潜热通量模拟不确定性的程度为166.1、130.9和251.5 W m-2。MS3478站和MS3637站潜热通量模拟不确定性的程度只为64.9和54.0 W m-2。五个站点土壤温度模拟的不确定性程度与潜热通量类似。识别出导致青藏高原地区陆面过程（土壤湿度、感热通量、潜热通量和土壤温度）模拟和预报不确定性的相对敏感和重要的物理参数组合。揭示了导致陆面过程模拟和预报不确定性的相对敏感和重要的物理参数组合是区域依赖的。上述数值结果为提高青藏高原地区陆面过程的数值模拟能力和预报技巧奠定了基础，并且为在青藏高原地区进行哪些物理过程和物理参数的观测提供了依据。