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复杂下垫面对土壤湿度非均匀性影响的超高分辨率陆面模拟
袁星1,曾俊涵1,季鹏2,师春香3
1南京信息工程大学,水文与水资源工程学院 2中国科学院大气物理研究所,东亚区域气候-环境重点实验室 3国家气象信息中心
由于地表复杂多样,土壤湿度分布具有强非均匀性特征,给精细化陆面水文模拟、监测和预报带来巨大挑战。随着计算资源的提升以及模式框架与物理过程的不断完善,超高分辨率陆面模拟可望合理地刻画土壤湿度非均匀性,然而地形、植被覆盖、土壤质地、降水等地表要素以及被一维陆面模式普遍忽视的地下水平流动过程对土壤湿度非均匀性的影响尚缺乏系统研究。本报告利用发展的联合地表-地下过程模型CSSPv2开展不同下垫面复杂程度对土壤湿度非均匀性影响的超高分辨率陆面模拟研究。基于中国区域1932个土壤湿度自动观测站点的验证结果表明,CSSPv2很好模拟出土壤湿度的时间变率和空间非均匀性,模拟效果优于最新的ERA5和GLDASv2.1再分析资料,相关系数提高达30% ~ 66%,误差降低8% ~ 20%。进而,选取10个典型气候带的30km×30km区域,在考虑不同地表要素非均匀性情景下,进行100米超高分辨率模拟。结果表明,除了占主导地位的复杂地形外,非均匀分布的植被覆盖、土壤质地、降水或其组合均显著增强了土壤湿度非均匀性。当只有地形非均匀性存在时,地下水平流动过程显著增强了各子区域土壤湿度的非均匀性,而当同时考虑地形非均匀性和其它地表要素非均匀性时,地下水平流动的影响有所降低。在部分地区,地下水平流动甚至导致土壤湿度非均匀性减弱,这主要与同时考虑地下水平流动和土壤质地非均匀性有关。因此,尽管各地表要素均能在地形非均匀性的基础上,进一步增加土壤湿度的非均匀性,但土壤质地与陆面物理过程(如地下水平流动)并非一致协同地增强土壤湿度非均匀性。