多层植被模型CLM-ml在核桃园通量模拟中的优化与验证

《Agricultural and Forest Meteorology》：Beyond surface fluxes: Observational and computational needs of multilayer canopy models – A walnut orchard test case

本文针对陆地表面模型在模拟稀疏植被冠层（如核桃园）能量通量时存在的偏差，开展了CLM-ml模型（社区陆地模型多层版本）的改进与验证研究。通过整合CHATS（Canopy Horizontal Array Turbulence Study）观测数据，研究人员优化了模型在冠层湍流、植物水分关系和植被光学特性等方面的参数化方案。结果表明，优化后的CLM-ml v2模型能更准确地模拟净辐射（Rnet）、感热通量（H）、潜热通量（λE）和摩擦速度（u*），尤其在非中性大气条件下表现优异。该研究提升了模型对农业生态系统水热交换的模拟能力，对改进区域气候和陆面过程模型具有重要意义。

　　

准确模拟植被与大气之间的能量、水分和动量交换，对于理解气候系统、管理水资源以及预测农业生产力至关重要。陆地表面模型是连接陆地生态系统与大气模型的关键桥梁。然而，现有的许多模型在模拟稀疏植被冠层，如果园等非均匀地表时，常常表现出较大的偏差。这类冠层结构独特，其内部的湍流混合、辐射传输以及植物生理过程与茂密的森林或均匀农田存在显著差异。社区陆地模型（Community Land Model, CLM）是广泛应用的地球系统模型中的陆面分量，其标准版本采用“大叶”近似，将整个冠层视为一个均匀层面，这难以捕捉冠层内垂直方向上的物理和生理过程梯度。为了克服这一局限，发展了多层版本的CLM（CLM-ml），旨在更精细地描述冠层内部的通量变化。

为了检验和改进CLM-ml模型在稀疏冠层条件下的性能，研究人员选择了加州核桃园通量观测实验（Canopy Horizontal Array Turbulence Study, CHATS）的数据作为验证基准。该实验于2007年在美国加利福尼亚州的一片核桃园进行，提供了包括风速、温度、湿度、辐射以及湍流通量在内的详尽观测数据，为模型验证提供了难得的机遇。本研究的目标是评估CLM-ml模型在模拟核桃园能量平衡方面的表现，识别其不足，并通过引入新的参数化方案和数值方法，发展出改进版的CLM-ml v2模型，以期提高模型对类似生态系统的模拟精度。相关研究成果发表在《Agricultural and Forest Meteorology》期刊上。

为开展此项研究，作者主要依托CHATS实验提供的核桃园高频气象塔观测数据，包括不同高度的风速、温度、湿度、辐射和湍流通量（如感热通量H、潜热通量λE、动量通量）等。研究采用了模型-数据融合方法，将观测数据用于驱动和验证CLM-ml模型。关键技术方法包括：利用基于Harman和Finnigan理论的粗糙度亚层参数化方案处理冠层顶部的湍流交换；采用包含植物水力结构（如茎秆和根系导水率）的机理模型来模拟植物水分运输和气孔导度对水分胁迫的响应；通过β分布函数描述植物面积密度（叶面积和茎面积）的垂直分布；以及应用四阶龙格-库塔数值方法求解冠层内的能量和质量守恒方程，以提高计算的稳定性和精度。模型参数，如核桃叶片的最大羧化速率（V_cmax25）、水分利用效率参数（ι）以及叶片光学属性（反射率ρ_leaf、透射率τ_leaf）等，均根据核桃（Juglans regia）的特定文献值进行了校准。

模型配置与优化

研究首先详细描述了用于模拟核桃园的CLM-ml模型配置。模型将10米高的冠层离散为20个垂直层，每层厚度为0.5米，以实现对冠层内过程的精细解析。关键的模型改进（CLM-ml v2相对于早期版本v1）涉及多个方面：时间步长从30分钟缩短至5分钟，并采用四阶龙格-库塔法进行数值积分，提升了计算稳定性。对大气强迫数据（如风速）进行了线性插值，并降低了最小风速阈值至0.5 m s^-1。在湍流参数化方面，修订了Obukhov长度（L）和稳定性参数（ζ = (z-d)/L）的应用约束条件（-2 ≤ L_c/L ≤ 1），使其更符合粗糙度亚层理论的适用范围。同时，采用Harman (2012) 修订的β参数化方案（β = u_*/U(h)），以改善在强不稳定条件下的模拟效果。对于叶片边界层导度（g_bh）和空气动力学导度（g_a），设定了合理的最小值限制，以避免在静风条件下出现不切实际的极值。

核桃园特定参数确定

研究针对核桃（Juglans regia ‘Chandler’）的生理生态特性，确定了CLM-ml模型的关键参数。植物面积密度（PAD）的垂直廓线通过β分布函数进行拟合，区分了无叶期（仅茎秆）和展叶期（茎秆+叶片）的分布。叶片光合作用参数中，25°C下的最大羧化速率（V_cmax25）设定为125 μmol m^-2 s^-1，边际水分利用效率（ι）设定为375 μmol CO₂ mol^-1 H₂O，这些值基于Rosati等人的核桃叶片气体交换观测数据确定，能够较好地复现观测到的光合速率（A_n）与气孔导度（g_s）的关系。植物水力参数方面，茎秆水力导度（k_p）设为7 mmol H₂O m^-2 s^-1 MPa^-1，细根水力阻力（R_r^*）设为14 MPa s g mmol^-1 H₂O，依据Tyree等人对核桃水力结构的研究。叶片光学属性（反射率ρ_leaf、透射率τ_leaf）和叶角分布参数（χ_l）则采用了Majasalmi和Bright综述中针对核桃的测量值。土壤纹理设定为粉砂质粘壤土，并基于CLM5的模拟结果和CHATS的实地观测，对表层土壤湿度进行了调整。

模型性能评估

利用2007年5月的CHATS观测数据驱动CLM-ml v2模型，并将其模拟结果与观测值进行对比。结果显示，模型能够较好地捕捉能量通量的日变化和月际变化特征。对于冠层上方的净辐射（R_net）、感热通量（H）和摩擦速度（u），模型在不同大气稳定度条件下（从不稳定到稳定）均表现出与观测较好的一致性。对于潜热通量（λE），模型在近中性和稳定条件下的模拟效果良好，但在强不稳定和弱不稳定条件下存在一定程度的高估。模型成功再现了观测到的冠层空气热储存（S）的日变化幅度（约±40 W m^-2）。模型计算的位移高度（d）随时间（随大气稳定度）的变化趋势也与基于观测推导的结果吻合良好。此外，模型模拟的β（β = u/U(h)）值与观测值在不同稳定度区间的分布规律基本一致，特别是在近中性条件下，模型采用的β_N = 0.35与观测平均值相符。对白天（10:00-14:00 PST）和夜间（00:00-04:00 PST）能量平衡分量的平均统计表明，模型在净辐射、感热和潜热通量的模拟上虽有偏差，但相对于观测数据本身存在的能量不闭合现象，模型的总体表现是可以接受的。

参数敏感性分析

研究还进行了一系列敏感性试验，以评估关键参数不确定性对模拟结果的影响。结果表明，光合能力参数V_cmax25和水分利用效率参数ι的选择对模拟的潜热通量（λE）有显著影响。V_cmax25过高（如150 μmol m^-2 s^-1）会导致最大光合速率和蒸腾的高估，而过低（如100 μmol m^-2 s^-1）则会产生低估。ι值增大（如750 μmol mol^-1）会使气孔对水分利用更加“保守”，导致模拟的A_n-g_s关系斜率变陡，与观测不符。叶片水势（ψ_l）对气孔导度的调节函数（f(ψ_l)）的参数（ψ₅₀, α）设定，直接影响植物在水分胁迫下的行为模拟。采用基于核桃观测数据校准的参数（ψ₅₀ = -1.6 MPa, α = 40）比采用其他文献值能产生更符合预期的气孔关闭响应。植物水力导度（k_p, R_r^*）影响水分从土壤到叶片的传输阻力，进而影响叶片水势和气孔导度。叶片光学属性（ρ_leaf, τ_leaf, χ_l）的改变会影响冠层内的辐射截获和分配，从而影响能量平衡。此外，对Obukhov长度约束条件和土壤湿度初始化方案的敏感性分析表明，这些设置对模拟结果，特别是稳定条件下的通量，也有重要影响。

本研究通过将多层冠层模型CLM-ml应用于核桃园生态系统，并对其进行针对性的参数化和算法优化，显著提升了对稀疏植被冠层与大气间湍流交换过程的模拟能力。优化的CLM-ml v2模型能够较为可靠地再现CHATS观测到的能量通量、动量通量以及冠层内热储存的动态变化，尤其是在复杂的大气稳定度条件下。研究证实，采用物种特异性的生理参数（如光合作用、气孔导度、水力结构）和冠层结构参数（如植物面积密度垂直分布、光学属性）对于提高模型模拟精度至关重要。同时，改进的数值方法（如更小的时间步长、高阶积分方案）和更合理的物理约束（如湍流参数化方案的适用条件）也增强了模型的鲁棒性。

这项工作的意义在于，它展示了机理性的多层模型在模拟农业生态系统（特别是果园等非均匀冠层）水热通量方面的潜力和改进方向。所建立的模型框架和确定的参数集可为类似生态系统的模拟提供参考。研究成果有助于更准确地表征植被在陆气相互作用中的作用，从而为改进区域气候模型、陆面过程模型中的植被表征，以及优化农业用水管理和应对气候变化影响提供更可靠的工具和理论基础。未来研究可进一步将模型应用于更长时间的序列、不同的物候阶段（如展叶前后）以及不同水分胁迫情景下，以全面检验其性能并推动模型的持续发展。