结合作物模型的陆面模式BCC_AVIM改进研究——以北方典型农区为例

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陆面模式BCC_AVIM是国家气候中心研发的大气-植被相互作用模式,在设计时通常对植被进行简化,模拟的结果可以满足基本需求,但也导致了部分地区模拟的不足。东北、华北,都是我国主要的粮食产区,其特殊的农业下垫面使该地区陆气之间物质和能量交换与其他地区存在巨大差异,对陆面模式模拟结果有较大的影响。目前BCC_AVIM缺乏对植被功能类型中作物的细分,下垫面数据也较为陈旧,影响到了在典型农区的输出结果,尤其对于普遍种植某种具体作物的大面积农田,使作物生长更符合实际可以更好地改进整个模式的模拟效果,因此非常有必要进行改进。本研究以东北、华北为主要研究区域,通过更新华北研究区下垫面网格化数据、在陆面模式对主要农区的模拟中结合作物模型引入具体作物及其生育期两个方面,对BCC_AVIM2.0进行改进,并分析改进效果。具体如下:(1)利用两种较为常见的10m分辨率数据遥感数据集(清华FROM-GLC10数据、美国Esri-G10m数据)计算华北研究区植被的占比和农业作物占植被的比例,得到相对更符合当前华北实际的作物下垫面值,认为原本普适的植被占比和作物占比均已不适用于当前的下垫面,需要进行调整和提高;利用2015年全国重要农业气象站作物发育期数据资料,得到春玉米、冬小麦、夏玉米在主要站点的播种和成熟日期的插值分布网格化数据,选取了改进陆面模型的播种时间,为进一步的精细研究做准备。(2)利用作物模型,将陆面模式BCC_AVIM中原本仅有的一种普适性的作物,在东北改为春玉米、在华北改为冬小麦、春玉米;对陆面模式的作物生长部分,引入作物发育期,使作物根据积温随发育期动态生长;将原本统一的跟随物候的分配系数,改进为跟随发育期阶段动态变化的分配系数;并添加了平滑方案,让不同发育阶段作物的分配系数渐进平缓,从而实现在研究区内对具体作物的区分模拟。(3)结果表明,将BCC_AVIM与作物模型相结合,引入具体作物发育期并随发育期动态变化的分配系数后,在东北研究区内对叶面积指数有较好的模拟效果,利用GLASS(Global LAnd Surface Satellite)叶面积指数产品中的数据作为北方典型农区的实际叶面积指数数据,在叶面积指数峰值月(8月),结合作物模型的陆面模式叶面积指数模拟结果的(2.59)相比原模式(2.87)更接近实际数据(2.61),全年叶面积指数模拟结果的均方根误差(0.560)明显小于原模式模拟结果(0.642),并且改进作物生长也成功实现对其他植被的生长及感热通量的动态影响;在华北研究区内,因受其他因素限制,叶面积指数虽仍未能表现出明显的双峰特点,但在春季快速生长、订正过大的南北差异、总净初级生产力及根、茎、叶的生物量模拟结果等方面都表现出了较好的改进效果;对温度变化产生了符合实际的反馈。通过本文对下垫面、结合作物模型改进具体作物生长过程的两方面改进,使得陆面模式BCC_AVIM对作物生长过程有更符合实际的模拟,并且提高北方典型农区陆面过程的模拟能力,为陆面模式的作物改进提供参考。
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