植物根系描述方法及其对陆面过程模式模拟结果的影响

【摘要】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。
【作者】才奎冶；
【导师】刘晶淼；
【作者基本信息】中国气象科学研究院，气象学，2014，硕士
【关键词】根系；根系模型；土壤湿度；SSiB2模式；通量；

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