关键陆面参数的反演和优化及其对陆气相互作用过程的改进

As one of the fundamental processes of climate system, land-atmosphere interaction plays key role in affecting weather and climate changes at various spatial and temporal scales. The uncertainties of parameters restrict the performance of land surface model in much degree, especially under the background of better representation of model processes, and more accurate forcing field and boundary conditions. In this proposal, we are going to adopt a new approach to analyze the sensitivity of a group of model parameters, and identify the key land surface parameters accordingly. Aiming at the key parameters, the retrieval value will be calculated based on the data from a number of field experiments together with the turbulent fluxes exchange theory within boundary layer. At the same time, a new method, Conditional Nonlinear Optimal Perturbation (CNOP) will be introduced to carry out optimization for the rest of the key parameters which are empirical and cannot be retrieved. Furthermore, to evaluate the effects of the above mentioned studies, we choose semi-arid region as a target domain where the land-atmosphere interaction is strong while the performance of land surface models is relatively poor. The evaluation will focus on the simulation of land surface fluxes, energy and water cycle, and main regional climate characteristics as well by using a land-atmosphere coupled regional model. In addition, the achievements from the project are also expected to make continuous contributions to the establishment of a regional climate modeling system which suits the regional land surface characteristics in China given the availability of broader data resources.

陆-气相互作用是气候系统的基本过程之一，对于不同时、空尺度上的天气和气候过程具有深刻的影响。在陆面过程模式本身结构不断改进和驱动场及边界条件逐步完善的情况下，陆面参数的不确定性更加成为制约陆气相互作用模拟能力的突出因素。为此，我们首先利用能考虑参数耦合效应的方法对陆面模式中的主要参数进行敏感性分析，甄别出关键陆面参数。进而利用多个野外试验的观测数据，结合大气边界层湍流交换理论，对关键陆面参数进行反演。同时，引入条件非线性最优扰动（CNOP）方法，对不能进行反演的敏感参数做优化，减小其不确定性。在此基础上，选取陆气相互作用强烈且陆面模式模拟能力有限的半干旱区作为典型区域，将改进了关键陆面参数的陆面过程模式与区域气候模式相耦合，并对耦合模式对该地区能量水分循环及区域气候特征的模拟能力的改进程度进行评估。在更多试验数据的支持下，本研究还有望为建立符合中国陆面特征的区域气候模拟系统做出持续的贡献。

陆-气相互作用是气候系统的基本过程之一，它对于不同时、空尺度上的天气和气候过程具有深刻的影响。在陆面过程模式本身结构不断改进和驱动场及边界条件逐步完善的情况下，陆面参数的不确定性更加成为制约陆气相互作用模拟能力的突出因素。. 本项目首先系统收集了ChinaFlux通量网、“北方干旱-半干旱区协同观测”（2008-2009年夏季）以及中科院和南京大学等单位运维的陆气相互作用野外试验台站数据。利用能考虑参数耦合效应的拓展傅里叶幅度敏感性分析（EFAST）方法对陆面模式中的主要参数进行敏感性分析，甄别发现地表粗糙度，叶面积指数，土壤“b”参数（对土壤湿度的模拟有重要影响）为影响陆-气通量交换的关键陆面参数。进而基于多个野外试验站的外场观测数据，结合大气边界层湍流交换理论，对关键陆面参数进行反演，减小其不确定性。发现更新关键陆面参数后能在单点尺度上显著改进陆气通量模拟。此基础上，利用现有的遥感产品反演出更多的地表关键参数，如：植被绿叶分数、植被高度、零平面位移、地表粗糙度、空气动力学阻抗 (包括冠层到大气以及地表到冠层)等。这些参数更合理地反映了区域尺度地表特征的时空变化。将改进了关键陆面参数的陆面过程模式与区域气候模式相耦合，发现可以较为一致地改进东亚地区大部分子区域季风降水的模拟能力。. 从项目执行情况看，预期的三条研究内容均得以顺利开展。项目执行期间已正式发表受资助论文11篇，包括Nature子刊论文1篇（其中第一标注5篇，第二标注4篇），超出了项目计划任务书中完成论文6篇的目标。项目成果预期对于我国气候系统模式的发展和短期气候预测业务具有应用价值。项目执行期间共培养毕业博士研究生3名，硕士研究生3名。两名研究生获得国家奖学金，一名获得江苏省优秀硕士论文。参加国际学术会议交流6人次，做国际会议特邀报告3次，做国内会议特邀报告2次。