植物根系描述方法及其对陆面过程模式模拟结果的影响

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植物根系是土壤-植被-大气系统的重要部分,根系参数是陆面过程模式中的重要参数。因此,研究根系模型及其改进方案,及其对陆面过程模式感热、潜热等通量模拟结果的影响,对改进陆面过程模式具有重要意义。因此本文一、在前人研究基础上,结合锦州玉米农田试验,给出了一个根系模型的参数化改进方案。(1)首先对作物生长模型CERES-Maize中的根系子模型进行了验证分析。模拟验证分为土壤湿度适宜和水分控制两种情况,将模拟值与锦州田间根系观测资料进行对比,结果表明:a.土壤湿度适宜时,根长密度模拟结果较好:模拟值和观测值的相关系数R为0.816,线性拟合的均方根误差RMSE为1.417。b.控水条件下,对三叶-拔节期控水而言,根长密度模拟结果较好:R达到0.879,RMSE为1.296;然而,对吐丝-乳熟期而言,模拟结果相对较差:R为0.392,RMSE为2.087。(2)针对控水条件下吐丝-乳熟期模拟效果相对较差这一情况,根据前人研究和进一步的模拟验证,发现根系模型中的根分布权重因子wr的设置存在一定缺陷。结合经典根系分布理论和实际根系观测资料的分析,探讨性的给出了参数化改进方案:当土壤水分条件较差时,应当在wr因子中适当增大Zmax(最大根系深度参数)或减小δ (根系分布负指数递减率参数),以期更好的描述较差的土壤水分条件对根系生长分布的影响过程。实际验证支持了上述理论探讨,即:在吐丝-乳熟期控水条件下,随着Zmax由200cm增大到210cm,以及δ从4减小到1,根长密度模拟值与实测值的R增大了0.105,线性拟合的RMSE减小了0.119,根长密度模拟精度有所提高。二、根系模型在陆面过程模式SSiB2中的应用及其对感热、潜热等通量的模拟结果影响分析。首先,对陆面过程模式SSiB2进行了锦州玉米农田的参数本地化处理。将CERES-Maize的输出结果,作为SSiB2模式的动态参数化过程,将参数化后的SSiB2模式对整个生育期内的感热、潜热等通量,土壤湿度、土壤温度和冠层空气温度进行了模拟分析,结果表明:上述变量的模拟值与实测值吻合的很好,说明经过参数本地化后,SSiB2模式基本可用于锦州玉米农田陆面过程研究。在此基础上,将根系模型与参数化后的SSiB2模式嵌套,探讨以下两种不同的根系处理方案对SSiB2模式感热、潜热等通量模拟结果的影响:(1)当根系模型只为SSiB2模式提供根系深度参数时,SSiB2模式的感热、潜热等通量的模拟精度有所提高:整个生育期内,向上长波辐射通量、净辐射通量、感热通量和潜热通量模拟值与观测值的R分别增大0.002、0.002、0.030和0.017,线性拟合的RMSE分别减小了0.099、0.425、0.38和1.84。然而对整个生育期而言,根系模型的加入对CO2通量模拟精度基本没有任何改进,但是在生育期后期(播种后121天-成熟),根系模型的加入使得CO2通量的模拟精度有所提高:R增大了0.013,RMSE减小了0.26。(2)当根系模型为SSiB2模式同时提供根系深度和根长密度两种参数时,SSiB2模式对感热、潜热等通量的模拟精度较单纯参数化后的SSiB2模式同样得以提高:整个生育期内,净辐射通量、潜热通量和感热通量模拟值与观测值的R分别增大了0.0005、0.006和0.008,线性拟合的RMSE分别减小了0.097、0.36和0.62。在生育期后期(播种后121天-成熟),CO2通量的模拟精度也有所提高:R增大了0.006,RMSE减小了0.103。但与上述方案(1)相比,虽然此方案考虑因素更为复杂、全面,但各通量的模拟效果却反而有所下降。总之,本文研究表明:在陆面过程模式SSiB2中加入根系生长过程会提高陆面过程模式感热、潜热等通量的模拟效果,但是不同的根系处理方案对感热、潜热等通量的模拟效果提升能力不同。当同时考虑根深和根长密度两种参数时,相对仅考虑根深参数而言,更复杂的处理方案反而使感热、潜热等通量的模拟效果有所降低,其原因尚待进一步研究。
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