青藏高原东南缘典型农田和森林下垫面关键陆面物理过程研究

The Southeastern side of Tibetan Plateau is the non-adiabatic heating sensitive area for the heat source over the Tibetan Plateau. The land and atmospheric states over this area have important impact on the general atmospheric circulation in adjacent areas and Eastern Asia. But there are still few studies on systematic evaluation of key land surface processes over typical cropland and forest on Southeastern Tibetan Plateau. In this project, the sensitivities of different land surface process schemes will be evaluated systematically through employing typical cropland and forest field observations, and the key (most sensitive) land surface processes will be identified and the optimal physical parameterizations set will be extracted by building Noah-MP multi-parameterizations physics ensemble system of land surface process. Based on comparison of similarities and differences of the key land surface processes and optimal schemes over two different underlying surfaces, in combination with the analysis of field observations and remote sensing data, the relative physical parameters and parameterizations will be modified and optimized in Noah-MP land surface model. Through quantifying the influence of modified parameters and parameterizations on the flux simulation, the intrinsic mechanism how the crucial land surface processes impact land-atmospheric flux exchange will be investigated. This study will benefit the further development of land surface model appropriate for typical cropland and forest ecosystem over Southeastern Tibetan Plateau.

青藏高原东南缘是青藏高原热源非绝热加热的敏感区，该区域的陆面和大气基本状况对邻近区域及东亚大气环流的变化有着重要的影响，但是系统评估青藏高原东南缘典型农田和森林下垫面关键陆面物理过程的研究还较少。本研究拟利用青藏高原典型农田和森林边界层观测数据，通过Noah-MP陆面过程多参数化物理集合模拟，系统评估两种下垫面陆面过程参数化方案的敏感性，确定典型农田和森林下垫面的关键(最敏感)陆面物理过程并提取最优方案配置。通过分析两种下垫面关键陆面物理过程及最优参数化方案的异同，结合对不同下垫面野外观测数据和遥感数据的深入分析，订正Noah-MP关键陆面物理过程相关物理参数，从而优化已有关键物理过程参数化方案。通过定量评估关键陆面物理过程参数化方案的优化对陆气通量模拟的影响，揭示关键物理过程影响青藏高原东南缘陆-气通量交换的内在机制，为深入发展青藏高原东南缘陆面过程模式提供参考。

耦合陆面过程的天气气候模式是研究青藏高原地－气相互作用对区域或全球气候影响的重要科学手段，陆面模式的准确性很大程度上决定了耦合数值模式对青藏高原地－气相互作用模拟的正确性。然而，陆面过程模式对青藏高原复杂地形和高度非均匀地表状况的描述均存在不同程度的不足，这些物理过程的不确定性严重影响了陆面过程模式在青藏高原陆气相互作用研究中的模拟性能，进而制约了陆气相互作用对高原天气/气候影响研究的准确理解和客观认识。本研究利用青藏高原不同生态系统边界层观测数据，通过Noah-MP陆面多参数化物理集合模拟，系统评估不同下垫面陆面物理过程参数化方案的不确定性和敏感性，以及不同下垫面关键物理过程的异同。通过两种统计分析方法：自然选择法和Tukey测试方法，评估了大气强迫条件、植被参数和子物理过程的不确定性及其对模拟结果的影响，确定了陆面关键物理过程并提取出最优方案配置，并辨识出Noah-MP陆面模式在青藏高原地区并未考虑的物理过程，如土壤有机质。同时，通过改进模式已有的关键物理过程参数化方案，如地表湍流交换系数方案，明显提高了感热通量的模拟效果，在Noah-MP模式中加入土壤有机质物理模块，提高了潜热通量的模拟效果。这些研究具有重要的科学价值，有助于改进在青藏高原地区的精细化天气及气候预报。