用于陸面模擬的中國土壤水力參數(shù)集的建立

陸面過程模式在模擬水文氣象時需要有合理的徑流和能量水分通量，而對土壤水分的合理描述是其先決條件。土壤水分平衡通過理查德方程來描述。該方程需要有對應(yīng)的參數(shù)來提供對土壤水力屬性的準(zhǔn)確描述：對于田間尺度，需要參數(shù)在土壤剖面不同土層的垂直變化；對于區(qū)域或全球尺度，還需要有參數(shù)的地理水平變化。一套能反映垂直和水平變化的土壤水力參數(shù)集對陸面模式的水文模擬具有重要意義。本項目研究使用土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)（Pedotransfer function，PTF）為陸面模擬發(fā)展一套中國區(qū)域的土壤水力參數(shù)集。這一參數(shù)集包含使用最多的由Clapp and Hornberger (1978)，van Genuchten(1980)和Mualem(1976)提出的土壤水壓頭和導(dǎo)水率經(jīng)驗函數(shù)的參數(shù)，以及土壤吸力為33kPa 和1500kPa 時的土壤水分含量（分別接近于田間持水量和永久凋萎點）。本項目在項目計劃書針對中國區(qū)域的研究擴(kuò)展到了全世界，重要研究成果包括中國和基礎(chǔ)土壤屬性數(shù)據(jù)集、中國和世界的土壤水力參數(shù)集。另外還進(jìn)行了與本項目緊密相關(guān)的兩項研究，即土壤粒徑分布模型的比較研究和中國土地利用與土壤多樣性。本項目的成果將推動世界和中國區(qū)域的水文氣象模擬的發(fā)展。 2100433B

土壤水力屬性的定量化信息對陸面模型中的水文氣象模擬十分重要。本項目使用土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)發(fā)展一套適用于陸面過程模式的中國區(qū)域土壤水力參數(shù)集。土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)的輸入數(shù)據(jù)包括砂粒、粉粒和粘粒含量、容重和有機(jī)質(zhì)含量等；輸入數(shù)據(jù)基于第二次全國土壤普查的中國土壤圖和土壤剖面，使用土壤類型連接法而得。優(yōu)選多種土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)利用上述基礎(chǔ)土壤數(shù)據(jù)估計土壤水力參數(shù)。該參數(shù)集包括Clapp and Hornberger和van Genuchten兩個體系的土壤水分特征曲線參數(shù)和土壤導(dǎo)水率，以及田間持水量和永久凋萎點。為反映土壤水力屬性的水平和垂直變化，參數(shù)集包含七個標(biāo)準(zhǔn)土層，其空間分辨率為1公里。這一參數(shù)集將促進(jìn)中國區(qū)域的水文氣象模擬效果的提高。

水文過程的準(zhǔn)確刻畫對提高陸面模擬能力具有重要作用，降水條件下植被和地表的水文功能較為復(fù)雜，對該過程參數(shù)化的真實性和合理程度成為制約陸面模式性能的關(guān)鍵。本項目基于當(dāng)前廣泛應(yīng)用的通用陸面模式CLM，通過理論分析、數(shù)值擬合和模擬試驗等方法，研究降水對陸面蒸發(fā)過程的影響機(jī)制，建立包含雨強(qiáng)和截留殘余的冠層截留模型，建立基于生態(tài)系統(tǒng)蒸散模型PT-FI的冠層蒸發(fā)方案，研究和設(shè)計薄水膜模型解決非均勻徑流影響下的表層蒸發(fā)問題，以此改進(jìn)降水條件下蒸發(fā)過程參數(shù)化方案。將改進(jìn)的陸面過程CLM引入?yún)^(qū)域氣候模式RegCM，針對東亞地區(qū)夏季風(fēng)期分別進(jìn)行陸面離線模擬試驗和陸氣耦合模擬試驗，前者旨在檢驗降水單向強(qiáng)迫下陸面過程模擬性能的改進(jìn)效果，后者檢驗降水條件下陸氣相互作用對氣候模擬能力的影響。項目研究成果是對陸面過程參數(shù)化理論的重要完善和創(chuàng)新，對提高陸面水文過程模擬能力和改進(jìn)陸氣相互作用關(guān)系具有應(yīng)用意義。

降水條件下植被和地表的水文功能較為復(fù)雜，對該過程參數(shù)化的真實性和合理程度成為制約陸面模式性能的關(guān)鍵。本項目基于通用陸面模式 CLM，通過理論分析、 數(shù)值擬合和模擬試驗等方法，研究降水對陸面蒸發(fā)過程的影響機(jī)制，分析了不同降水強(qiáng)度下地面蒸發(fā)差異，提出了“薄水膜”地表蒸發(fā)方案，能夠顯著增強(qiáng)西南地區(qū)季風(fēng)期的地表蒸發(fā)通量和潛熱通量，同時削弱感熱通量，對非季風(fēng)期的模擬效果也具有一定的改進(jìn)。結(jié)合地形坡度影響，在模式中設(shè)計引進(jìn)了圣維南擴(kuò)散波模型，合理考慮地形坡度對地表徑流的匯流作用，通過坡面坡降和摩擦坡降控制回水效應(yīng)，實現(xiàn)了地表徑流水量的平流再分配，改進(jìn)了地形復(fù)雜地區(qū)模式地表徑流的模擬；考慮地表非均勻性，基于史密斯-帕蘭格（1978）提出的經(jīng)典入滲公式及王政友經(jīng)過大量野外試驗提出的入滲經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，引入考慮雨強(qiáng)影響的累積滲透方案，該方案在雨強(qiáng)較大時和降雨較多的夏秋季能夠顯著地削弱滲透、提高地表徑流以及降低土壤濕度，經(jīng)試驗設(shè)計作為新的入滲模型，改進(jìn)了模式陸面土壤下滲和降水再分配問題?；谀Ｊ浆F(xiàn)有冠層方案，研究提出了冠層攔截參數(shù)優(yōu)化和考慮風(fēng)速影響的冠層蒸發(fā)改進(jìn)方案，并用于全球、中國區(qū)和云南地區(qū)等不同尺度蒸散過程模擬分析研究。將改進(jìn)的陸面過程 CLM 引入?yún)^(qū)域氣候模式 RegCM，針對東部地區(qū)、云南等典型區(qū)域分別進(jìn)行陸面離線模擬試驗和陸氣耦合模擬試驗，前者旨在檢驗降水單向強(qiáng)迫下陸面過程模擬性能的改進(jìn)效果，后者檢驗降水條件下陸氣相互作用對氣候模擬能力的影響。項目研究成果是對陸面過程參數(shù)化理論的重要完善和創(chuàng)新，對提高陸面水文過程模擬能力和改進(jìn)陸氣相互作用關(guān)系具有應(yīng)用意義。 2100433B

由于目前的計算機(jī)只能處理數(shù)字信息，我們得到的照片、圖紙等原始信息都是連續(xù)的模擬信號，必須將連續(xù)的圖像信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式。可以把圖像看作是一個連續(xù)變化的函數(shù)，圖像上各點的灰度是所在位置的函數(shù)，這就要經(jīng)過數(shù)字化的采樣與量化。下面簡單介紹圖像數(shù)字化采樣的方法。

對連續(xù)圖像f（x，y）進(jìn)行等間隔采樣，在（x，y）平面上，將圖像分成均勻的小網(wǎng)格，每個小網(wǎng)格的位置可以用整數(shù)坐標(biāo)表示，這樣采樣值就對應(yīng)了這個位置上網(wǎng)格的灰度值。若采樣結(jié)果每行像素為M個，每列像素為N個，則整幅圖像對應(yīng)于一個M x N 數(shù)字矩陣，這樣就獲得了數(shù)字圖像中關(guān)于像素的兩個屬性：位置和灰度。

模擬圖像水平讀出和垂直轉(zhuǎn)移率

水平讀出率是像素從移位寄存器中讀出的速率，水平讀出率越快，幀率就越高。像素讀出速度可變可使CCD具有最大靈活性。較慢的讀出通常使讀出噪聲降低，然而，卻以較慢的幀頻為代價。不同CCD可設(shè)置不同的讀出率?！〈怪鞭D(zhuǎn)移率可變很重要。不同的外部事件需要不同的垂直轉(zhuǎn)移速度，事件越短等于速度越高。較快的垂直轉(zhuǎn)移率能克服低時鐘感應(yīng)電荷（尤其對于EMCCD），但缺點是降低了電荷轉(zhuǎn)移效率，但導(dǎo)致強(qiáng)信號時像素內(nèi)的電荷殘留而降低空間分辨率。較低頻率的垂直時鐘確保了較好的轉(zhuǎn)移效率，但導(dǎo)致了最大幀頻下降和阱深的升高。為了改進(jìn)轉(zhuǎn)移效率，可通過設(shè)置垂直時鐘電壓幅度來增加時鐘電壓。然而，電壓越高，時鐘感應(yīng)的電荷越高。

模擬圖像像素合并及子成像

通過有效降低讀出像素的總量能提高幀頻。降低讀出像素總量的方法有：　1.像素合并；　2.子成像模式讀出?！∠袼睾喜褋碜砸唤M像素的電荷合在一起計算總量，除了達(dá)到較快幀頻意外，提高了信噪比，但也降低了成像分辨率，合并像素的效果等同于一個大像素。子成像模式通過剪裁讀出有效成像部分，放棄周邊無關(guān)圖像。子成像區(qū)可以是探測器的任何小型矩型區(qū)，并且子區(qū)域越小，可讀出的像素越少，幀頻越快。像素合并和子像區(qū)也可結(jié)合使用，來達(dá)到更快的幀頻。實現(xiàn)超快幀頻的另一種方法是隔離剪裁模式，可在特殊環(huán)境中進(jìn)一步提高幀頻。比如，如果探測器左下角有入射信號而其他部分無入射，可輸出最近鄰讀出寄存器的子圖像，而不需要放棄圖像的剩余部分，從而節(jié)省了時間，提高了剪裁的速度。