蔡福(1980-),男,辽宁海城人,副研究员,主要从事应用气象、陆面过程及模型模拟研究. E-mail:caifu_80@163.com
设置合理的冠层辐射传输参数有利于地表能量过程的真实表达,将对改善陆面过程模型模拟精度起到重要作用。基于2008年和2012年锦州农田生态系统的通量、气象及生物因子连续观测,分析了玉米农田叶面积指数、植被覆盖度、平均叶倾角、叶片反射率和透射率动态变化规律及各因子间的关系,对CoLM模型辐射传输参数进行优化,并对模型优化效果进行定量评价。结果表明:叶面积指数与植被覆盖度和平均叶倾角分别呈幂函数和二次函数关系;平均叶倾角的参数优化对模型模拟几乎没有影响;叶片反射率和透射率优化后,冠层反照率模拟精度明显提高;净辐射、感热模拟值对实测值解释能力分别提高0.6%和4.0%,Nash-Sutcliffes系数增大0.008和0.028,相对均方差(RRMSE)减小0.068和0.050;潜热模拟精度改善程度小于感热,地表热通量未表现出改善。
A reasonable canopy radiative transfer parameters setting will play an important role in improving the simulation performance of land surface process model. This research was to investigate and assess the effects of optimized radiative transfer parameters in CoLM model on simulating land-atmosphere flux exchanges. Firstly, based on continuous observations of land-atmosphere flux exchanges, meteorological and biological elements from 2008 and 2012 at Jinzhou agricultural ecosystem research station, dynamic rules of maize field Leaf Area Index(LAI), fraction of vegetation coverage(
植被在陆面过程中扮演着重要角色,它的存在及季节变化通过影响地—气系统的能量、物质和动量交换对陆面过程乃至区域气候产生重要影响[ 1~ 3]。植被冠层内辐射传输过程直接影响地表反照率的模拟。地表反照率是计算地表辐射平衡的重要参数,通过直接控制太阳辐射在地表和大气之间的分配影响植物光合、呼吸等多种生物化学过程[ 4],其估算精度直接影响地气热量交换和地表温度计算的准确性[ 5],从而影响陆面过程或气候模式模拟的准确性。相对于裸土,植被下垫面地表反照率影响因子较多且机制复杂,很多研究集中在下垫面性质变化相对较小的多年生常绿或落叶森林[ 6],而一年生如草地、农田等植被反照率研究相对较少[ 7, 8]。张果等[ 9]、蔡福等[ 10]研究发现,叶面积指数(LAI)和植被覆盖度(Fveg)对植被反照率影响明显。随着第三代陆面过程模型如美国国家大气研究中心的陆面过程模型(NCAR LSM)、简单生物圈模型第二版(SiB2)[ 11]、SiB3[ 12, 13]、通用陆面过程模型CLM3[ 14]、CoLM[ 15, 16]等的不断涌现,植被的生理生化甚至是各类化学元素(C,N)的循环过程被考虑得更为精细,模型模拟精度得到显著提升。众多模型中,戴永久等[ 15]发展的CoLM是国际上最为先进的模型之一,结合了公认较好的LSM,BATS,IAP94 3个模式的特点[ 17],广泛应用于气候模式[ 18]。辛羽飞等[ 19]、王澄海等[ 20]、罗斯琼等[ 21]、宋耀明等[ 22]和肖瑶等[ 23]研究证明该模型对不同下垫面类型的地表能量平衡及陆气通量的日、季变化都能实现较好的模拟。CoLM模型计算植被冠层反照率采用二流辐射传输方案[ 24],决定冠层结构和性质且影响辐射传输的关键参数除了LAI和Fveg以外,还有叶片反射率、透射率及叶片倾角,它们在现有辐射传输方案中被赋为定值,这种赋值方式是否合理,模型对它们的改变是否敏感以及更为真实的赋值能否提高模型模拟精度,关于此类问题的研究鲜有报道。玉米农田因其冠层高度、LAI和Fveg等下垫面结构和状态随生育期的较大变化使辐射、水分、热量的分配和传输等一系列物理过程不断变化,加之分布广泛,可对局地大气环流和区域气候产生影响,在陆面过程研究中是非常重要的植被类型[ 25],对其开展陆面过程及模型参数研究不但有助于深入理解陆气相互作用规律,还将为进一步加深农业生产对气候变化响应规律的认识提供参考[ 26, 27]。目前, 利用CoLM模型对玉米农田进行陆面过程模拟以及利用二流辐射传输方案对玉米冠层辐射传输过程进行模拟的研究都很少,因此,很有必要通过连续实测资料对模型参数进行验证和优化。
综上所述,本研究拟利用锦州农田生态系统野外观测站连续观测的玉米叶片反射率、透射率、叶片倾角等植被冠层参数对CoLM模型中辐射传输参数进行优化,定量评价参数优化对玉米农田水热通量模拟的影响,以期为陆面过程模型植被冠层参数方案的完善提供参考,也为开展玉米农田下垫面陆气相互作用规律研究提供依据。
锦州农田生态系统野外观测站位于东北玉米带(41°49´N,121°12´E,海拔17 m),属典型温带季风型气候区,1971—2000年30年年平均气温9.5 ℃,1月平均气温-8.0 ℃,7月平均气温24.4 ℃,年降水量565.9 mm,玉米生育期为5~9月,土壤为典型棕壤。该站建有涡度相关观测系统和气象梯度观测系统,可实现不同高度各类气象要素和地表通量的观测 25, 28]。
于2012年4月10日、4月30日、5月10日、5月20日在研究地点进行玉米分期播种,从出苗开始,每隔10天利用LAI2200冠层分析仪进行LAI和平均叶倾角的测定,利用冠层照相机进行Fveg的测定,利用FieldSpec®ProJR分光光谱分析仪进行叶片反射率和透射率测定,考虑到人为和采样误差,对异常数据进行剔除。
利用2008年气象梯度观测系统测得的气温、比湿、降水、风速、太阳总辐射、向下长波辐射、气压等气象要素以及LAI和Fveg对CoLM模型进行驱动。通量观测系统测得的感热通量、潜热通量以及净辐射、土壤热通量资料用于模拟结果验证,上述资料均为通过湿度修正、高频衰减修正和WPL校正等质量控制后的30 mins平均值[ 28, 29]。2008年逐日LAI由王玲等[ 30]所建立的相对积温方法利用玉米各生育期LAI实测数据和日平均气温资料求得[ 31],利用2012年测得的LAI和Fveg所建立的关系和所求得的2008年逐日LAI可计算得到该年逐日Fveg值。
本研究设计3次试验,即原模型引入逐日LAI和Fveg进行模拟的对照试验,把在对照试验基础上引入动态平均叶倾角进行模拟定义为改进试验1,在对照试验基础上优化叶片反射率和透射率进行模拟定义为改进试验2。利用2008年全年资料对模型进行连续10次起转(spin-up)独立离线(off-line)数值模拟,确保各种陆面参量趋于稳定,考虑玉米生育期在5~9月,因此本研究只针对该时段第10次模拟结果进行模型模拟精度比较。
CoLM 模型精细地考虑了陆面的生态、水文等过程, 对土壤—植被—积雪—大气之间能量与水分的传输进行了合理的描述,包括一层可以实现光合作用的植被和一个底部达到3.43 m深的10层不均匀的垂直土壤及5层积雪。计算叶面温度和气孔阻抗采用双大叶模型;在解决植被反照率产生的奇异点中采用二流近似, 并且在计算辐射时区分了植被的阴、阳面;计算叶面温度采用新迭代算法;计算叶面截留水量时对对流降水和大尺度降水分开处理;考虑了冠层下的湍流传输;土壤水、热传导过程考虑了土壤基岩厚度;考虑了地表径流和次地表径流;考虑了土壤中植物根的分布和水压对植被抽吸土壤水的影响。
模型中冠层辐射传输基本方程为:
I↑和 I↓分别是向上和向下的辐射通量, K=G(μ)/μ为冠层消光系数, μ为太阳天顶角的余弦值,
蔡福等[ 10](2011c)研究表明LAI与Fveg在玉米拔节前呈对数关系,拔节后呈指数关系,但由于采用样本数较少,所确定的关系不确定性很大,本研究在2008年观测资料基础上在2012年又开展了一些针对性观测,累计样本数26个,以期更为准确地表达二者关系。由图1可见,指数、对数和幂函数3种关系都达到显著性水平(P<0.05),但LAI与Fveg为幂函数关系时拟合相关系数最大,达到极显著水平(P<0.001)。通过确立二者关系,代入逐日LAI可实现Fveg的动态模拟。
CoLM原模型中玉米平均叶倾角被设定为69.5°,通过观测发现(图2),随着玉米生育期的变化平均叶倾角介于30°~85°间变化,与LAI呈二次曲线关系,表达式为:
AML=-2.5795ILA2+5.227ILA+45.205, n=132, R2=0.3225, P<0.0001 (1)
式中:AML为平均叶倾角,ILA为LAI。平均叶倾角最大值出现在LAI为3前后,利用与LAI的二次曲线关系,可实现平均叶倾角的动态模拟。
图3给出了可见光和近红外波段玉米不同生育阶段上层和下层叶片反射率和透射率的动态变化情况。由图3a可见,可见光波段叶片反射率随着生育进程呈增大趋势,变化范围一般介于0.06~0.09之间,下层叶片反射率略大于上层,这种差异随叶龄增大而增大。玉米叶片反射率在生育后期偏大主要是由于叶片的枯黄和死亡所致,大部分生育时期都明显小于模型设定值0.11。就透射率而言,玉米成熟前上层叶片透射率大于下层,在玉米生长前期(拔节前)和后期(成熟后)这种差异相对较大。玉米成熟后,下层叶片透射率反而大于上层,原因是此时下层叶片已完全干枯,基本无叶绿素,对光的吸收很小,使大部分光线透射。从整个生育期来看,在叶片枯黄前叶片透射率变化趋势不明显,与模型设定值0.07相比明显偏小。近红外波段(图3b),上下层叶片反射率和透射率差异很小,几乎不随发育期变化而变化,变化范围在0.3~0.4之间,与模型设定反射率0.58和透射率0.25相差较大。
利用2008年梯度观测资料并引入逐日LAI和Fveg对CoLM模型进行驱动,模拟结果作为对照;在此基础上利用平均叶倾角与LAI的二次曲线关系(1)式,实现平均叶倾角的动态参数化,模拟结果定义为改进1;在对照基础上利用实测叶片反射率和透射率替换原模型设定值,模拟结果定义为改进2。考虑到影响叶片反射率和透射率的因素的复杂性,这里对玉米生育期内实测值求平均,具体赋值见表1。
3.4.1 辐射传输参数改进对冠层反照率模拟的影响
图4为改进和对照试验模拟的冠层反照率与实测值各月日动态对比情况。5月大部分时段植被覆盖度很小,下垫面以裸土为主,CoLM模型对裸土反照率设定为常数,且没有进行考虑太阳高度的日动态处理,在此基础上进行的叶片倾角、反射率和透射率的改进还没有得到体现,因此改进效果不明显。从6月开始,随着冠层覆盖度逐渐增大,冠层参数对辐射传输的作用增大,通过比较发现,平均叶倾
角的改善对反照率改进作用不明显,分析原因认为:从图2可知,当LAI大于2时,平均叶倾角与原模型值差异在10°以内,这种较小范围内的变化可能不足以影响辐射传输过程;而当LAI小于2时,玉米冠层植被覆盖度仅约为0.5,土壤对辐射传输过程影响还很大,虽然此时平均叶倾角与模型值有较大差异,但由于冠层在辐射传输过程中的作用很小,导致平均叶倾角较大幅度优化对辐射过程改进仍不明显。相比之下,反射率和透射率的改进对冠层反照率模拟改善作用更为明显,尤其在7,8月,参数改进已使反照率模拟值十分接近实测值,9月由于玉米植株开始进入成熟,上下层叶片枯黄进度不同,增大了模型对活叶与死叶判断的不确定性,因此导致冠层反照率模拟误差较7,8 月偏大,但参数改进的作用仍很明显,与对照相比模拟精度有了很大提升。
3.4.2 辐射传输参数改进对辐射模拟的影响
从反照率模拟精度比较中发现,平均叶倾角优化对反照率模拟几乎没有改善作用,因此在以下分析中对改进1试验结果不做比较。从各月净辐射平均日变化模拟值与实测值对比情况看(图5),除5月外,其他各月改进2模拟值较对照都不同程度有所改善,7,8月改进更为明显。总体上看,生长季内净辐射与
反照率改进情况相对应。从生长季内拟合精度来看(图6),参数改进后拟合相关系数大于对照,拟合趋势系数更接近1,模拟值对实测值的解释能力提高0.6%,表明叶片反射率和透射率的优化对辐射传输过程起到明显的改进作用。
从感热月平均日动态模拟值与实测值比较情况看(图7a),由于5,6月净辐射在参数优化后模拟精度改善不明显,导致感热的模拟几乎没有得到改进,而7,8月模拟精度提高明显。9月在参数优化后感热模拟误差反而增大,分析其原因认为,原模型净辐射模拟值较实测值低估的情况下感热却有所高估,参数优化后净辐射模拟值大于原模型且更接近于实测值,而潜热和土壤热通量在该月模拟精度都几乎没有改善,使净辐射增大的部分反映在感热的增大上,这与原本原模型中感热的高估叠加,使感热高估幅度进一步增大,进而导致模型优化后误差增大。究其最终原因,还是原模型在9月对感热高估所致,而感热的高估则主要由潜热的明显低估所造成,潜热的低估则由土壤湿度的不真实模拟引起[ 29, 33]。从潜热模拟情况看(图7b),参数优化的改进作用非常有限,尤其对9月原模型较大的模拟误差没有丝毫的改善,表明辐射参数优化对潜热模拟影响较小。对于土壤热通量的模拟(图7c),参数优化几乎没有改进作用。
3.4.3 辐射传输参数改进对热通量模拟的影响
生长季感热(H)、潜热(LE)模拟值对实测值拟合精度的比较
Comparison of the fitting precision of simulation for observation of sensible and latent heat fluxes in growing season between controlled and improved tests
从整个生长季情况来看(图8),参数优化后,感热模拟值对实测值的拟和相关系数有所增大,解释能力提高约4%,且拟和趋势系数更接近1。潜热模拟值对实测值的拟合趋势系数更接近1,但拟合相关系数略有减小,模拟改进情况不明显。土壤热通量模拟值对实测值的拟合精度没有改善。
利用NS和RRMSE2种判断模型精度的指标对模型参数优化后的改进作用进行评价,净辐射的NS提高约0.008,RRMSE减小0.068,在原模型对其有较高模拟精度的前提下,参数优化能进一步降低误差,表明参数优化作用十分明显。感热的NS提高0.028,RRMSE减小0.050。潜热NS提高0.013,RRMSE减小0.007。进一步证明感热模拟精度提高更为明显。
通过对玉米整个发育期LAI、植被覆盖度、平均叶倾角、叶片反射率和透射率等与辐射传输有关参数的动态观测,分析各参数动态变化规律并确立参数间关系,对CoLM模型相应参数进行优化,通过比较模拟值与实测值拟合相关系数、相对均方差(RRMSE)和模型效率系数(NS)等指标对参数优化后模型模拟精度进行评价,得出以下几点结论:
①玉米农田LAI与植被覆盖度呈幂函数关系,与平均叶倾角呈二次函数关系。②CoLM模型中玉米农田平均叶倾角、叶片反射率和透射率等参数设置与实际情况差异较大,各参数比实测值不同程度偏大。③平均叶倾角在模型中为不敏感参数,其参数优化对模型模拟几乎没有影响。④叶片反射率和透射率在辐射传输过程中起到重要作用,在模型中对其优化可明显提高冠层反照率的模拟精度,进而使净辐射模拟得到改善,模拟值对实测值解释能力提高0.6%,NS增大0.008,RRMSE减小了0.068。⑤叶片反射率和透射率的参数优化也使模型对陆气通量交换过程的模拟得到一定改善,其中感热模拟精度提高较为明显,模拟值对实测值的解释能力提高约4%,NS提高0.028,RRMSE减小了0.050;潜热NS提高0.013,RRMSE减小0.007,较感热改善程度偏小;模型对地表热通量模拟未因参数优化而得到改善。
通过以上研究结论可以证明,植被叶片反射率和透射率是辐射传输中重要参数,模型中对它们的优化可改善能量通量的模拟,进而实现了对陆气相互作用过程更为真实的描述,与各类复杂的参数化方案改进相比,这类参数的优化简单而且效果明显。房云龙等[ 34]、蔡福等[ 25, 26]研究发现,参数方案改进后反而出现某些参量模拟精度下降的现象,而当某些参数或参量优化后会使参数化方案改进的效果更加明显,说明合理的参数化方案只有在更为真实的参数设置前提下才能更好的发挥作用,因此,改善现有模型中一些不合理参数的设置是开展参数化方案研究的重要前提,对改进陆面过程模型模拟能力非常重要。
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