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考虑人类取用水、地下水侧向流动及土壤冻融界面变化的高分辨率陆面过程模式发展及其应用
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2018-08-10 | 【 【关闭】

  人类取用水、地下水侧向流动及土壤冻融界面变化影响陆地水热过程以及陆气间水分能量交换。在陆面过程模式中合理表述这些过程有助于进一步理解陆地生态水文过程与陆气相互作用机制。

  近日,中国科学院大气物理研究所谢正辉研究员、曾毓金博士、刘双博士等同时将人类取用水、地下水侧向流及冻融界面变化等参数化方案与已有的陆面过程模式耦合,由此发展了包含这些过程的中国科学院陆面过程模式(Land Surface Model for Chinese Academy of Sciences, CAS-LSM)。同时,他们还设计了尺度转换与并行计算方案,实现了全球高分辨率地下水侧向流模块与该陆面模型的耦合,以模拟大尺度高分辨率地下水侧向流动及其对陆面过程影响。

  将所发展的模式分别应用于中国西北内陆河流域(黑河流域)与全球,探讨了人类取用水及侧向流对陆面生态水文的影响以及冻土对气候变化的响应。与观测相比,CAS-LSM合理重现了地下水、蒸散发及多年冻土的分布,并且能较好模拟地表温度、陆气热通量及土壤冻融界面的时间变化,表明了模式的合理性。黑河流域结果显示,取用水活动显著提高潜热、降低感热和净生态系统交换量、减少向下流生态脆弱区输送的河道流量,同时多年冻土区的活动层厚度在过去三十年以每年8.63毫米的速率增加。另外,全球模拟结果显示,地下水侧向流使得北非、中亚、澳大利亚南部及阿拉伯半岛的气候态地下水埋深增加超过6米。

  此项研究已经发表于《Journal of Advances in Modeling Earth Systems》和《Journal of Geophysical Research – Atmospheres》。

  参考文献:

  Zhenghui Xie, Shuang Liu, Yujin Zeng, Junqiang Gao, Peihua Qin, Binghao Jia, Jinbo Xie, Bin Liu, Ruichao Li, Yan Wang, Longhuan Wang. A high-resolution land model with groundwater lateral flow, water use and soil freeze-thaw front dynamics and its applications in an endorheic basin, 2018. Journal of Geophysical Research- Atmospheres, 123. doi: 10.1029/2018JD028369.

  (https://doi.org/10.1029/2018JD028369 )

  Yujin Zeng, Zhenghui Xie, Shuang Liu, Jinbo Xie, Binghao Jia, Peihua Qin, Junqiang Gao. Global Land Surface Modeling Including Lateral Groundwater Flow, 2018. Journal of Advances in Modeling Earth Systems. In press. doi: 10.1029/2018MS001304.

  (https://doi.org/10.1029/2018MS001304)

 

 

  图1 包含取用水、地下水侧向流及土壤冻融界面变化的陆面模式CAS-LSM的耦合与计算流程示意图:黑色虚线框表示陆面模式主程序;蓝色框表示土壤冻融界面与土壤温度模块耦合程序;红色框表示人类取用水和地下水侧向流与土壤水模块的耦合。

 

  图2 1-km高分辨率地下水侧向流模块与1°分辨率陆面模式的耦合示意图

 

  图3 针对地下水、蒸散发、热通量、水储量及冻融界面变化的模式验证

 

  图4 黑河流域人类取用水对水热通量的影响及多年冻土活动层厚度对气候变化的响应。

 

  图5 全球气候态地下水埋深模拟结果:(a)CONTROL为考虑侧向流;(b)LATERAL考虑侧向流;(c)LATERAL-CONTROL表示地下水侧向流对地下水埋深的影响;(d)全球平均地下水埋深年平均变化;(e)全球平均地下水埋深季节变化

 
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