CLM3.5模型在水資源管理中的應用探索

張 寧

（海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計研究軍事代表室，上海 200011）

引言

CLM3.5是通用陸面模型 Community Land Model version 3.5的簡稱，是美國國家大氣科學研究中心研發(fā)的第三代陸面模型［1］，本文對CLM3.5模型在水資源管理中的應用進行了探索，并以海河流域為例，進行模擬試驗。

1 思路

CLM包括最多5層雪層和10層不等間距的土壤層。為了表示氣候模式網(wǎng)格內(nèi)的陸表復雜性，CLM采用次網(wǎng)格技術(shù)來考慮下墊面的不均勻性。每個CLM網(wǎng)格內(nèi)包含四種可能的陸表覆蓋類型：冰川、濕地、湖和植被，而植被類型又可以進一步劃分為17種植被功能型（PFTs）。每種PFT分別對其水文、能量平衡關(guān)系進行求解，再整合至每一網(wǎng)格內(nèi)。CLM3.5模擬的生物物理過程包括短波、長波輻射與植被冠層、土壤間的相互作用，土壤、植被冠層的動量、湍流通量，土壤與雪層的熱量傳輸，冠層、土壤、雪層的水文過程，植物葉片氣孔的生理變化與光合作用等。CLM3.5主要的參數(shù)化方案包括：地表反照率、輻射通量、動量、感熱與潛熱通量、土壤與雪的溫度、水文過程、氣孔阻抗與光合作用、湖模型、河流傳輸模型（RTM）、可揮發(fā)性有機物。

本文采用添加用水模塊的CLM3.5模型，模擬的區(qū)域范圍設(shè)為105°～127°E，30°～46°N，覆蓋海河流域全境，空間分辨率為0.25°×0.25°。氣候強迫數(shù)據(jù)選用普林斯頓全球三小時1°×1°的氣候數(shù)據(jù)［2］。

首先，基于海河流域用水需求數(shù)據(jù)［3］，利用添加取用水模塊的CLM模型進行從1971年至2000年間30年的開采試驗（P1）模擬，試驗在2000年的結(jié)果已經(jīng)受人類開采活動嚴重影響；另外，利用CLM模型，在不考慮人類活動情況，進行30年的參考試驗（CTL）模擬，用以模擬流域不受人類活動影響的理想狀態(tài)。其次，基于開采試驗P1在2000年的最后結(jié)果，進行了一組200年（2001－2200）的理想試驗，用以探討在未來極端情況下陸面變量的變化。第一個試驗（Pmp）繼續(xù)維持開采過程，用水需求保持2000年的水平，一旦地下水位由于開采活動下降至基巖深度，開采活動將立即停止。第二個試驗（Rst）在P1試驗2000年結(jié)果的基礎(chǔ)上停止一切開采活動，使地下水資源自然恢復200年。而參考實驗（CTL＿E）是基于歷史時期的參考試驗（CTL）繼續(xù)運行200年。這三個試驗采用10年（1991－2000）平均的年內(nèi)氣候數(shù)據(jù)進行驅(qū)動，并無年際變化，因此試驗中陸面變量的變化完全來自陸面過程的響應，而與氣候變化無關(guān)。

2 結(jié)果分析

兩組采用固定氣候強迫的試驗（Pmp和Rst試驗）與自然狀態(tài)下控制試驗（CTL＿E）的差異時間序列，時間長度為200年（如下頁圖1）。圖1－1和1－2是持續(xù)開采地下水資源的Pmp試驗顯示，地下水儲量與水位仍然會持續(xù)下降，在2000年末，流域內(nèi)雖然存在虧水，但可以通過一些措施解決，如抽取其他需水量較低地區(qū)的水資源或者人為減少對用水效率較低的設(shè)施產(chǎn)業(yè)供水等。然而至2200年，越來越多的地區(qū)水資源枯竭，流域內(nèi)的用水活動將難以維持。從圖1可得知，隨時間推移，地下水儲量下降的速度會逐漸減緩，這是由于越來越多格點內(nèi)的地下水資源面臨枯竭，開采活動也被迫停止。另一方面，停止一切開采，自然恢復地下水的Rst試驗顯示，水儲量與地下水位將會緩慢恢復。值得注意的是，經(jīng)過了200年模擬期地下水資源仍未回到初始狀態(tài)，而這與氣候降水量偏低有關(guān)，不同的降水強迫將極大地影響地下水的恢復速度。

圖1 各種差異的時間序列

如圖1－3，Pmp試驗的徑流仍然較控制試驗高，與控制試驗CTL＿E的徑流差異持續(xù)減少，因為流域內(nèi)用于灌溉的水量也會因水資源的枯竭而減少。Pmp試驗的2m高氣溫差異（圖1－4）也同樣隨時間而逐漸減少，但持續(xù)200年后，流域平均仍有0.01°K的偏冷差異。對于圖1－5中的土壤濕度差異而言，土壤中的增濕效應在模擬期前50年內(nèi)仍在不斷累積，之后隨著水資源利用量的減少而逐漸減弱。對于圖1－6和1－7中Pmp試驗的能量通量差異而言，基本與土壤濕度和溫度的變化相似，但其極限值出現(xiàn)在2030年左右，較土壤溫濕度的變化早，這可能因為地表變量與土壤的變化相比，其響應更為敏感迅速所致。

3 結(jié)語

本文利用陸面模型CLM3.5，結(jié)合人類取用水模塊，對CLM3.5模塊在水資源管理中的應用進行了探索，并以地下水嚴重超采的海河為例進行了模擬試驗，試驗結(jié)果表明，方法有效。

［1］ Oleson K W，Niu G Y，Yang Z L，et a.Improvements to the Community Land Model and their impact on the hydrological cycle［J］.J.Geophys.Res，2008，113：1.

［2］ Sheffield，J.，Goteti，G.，Wood，F(xiàn)..Development of a 50－yr high resolution global dataset of meteorological forcings for land surface modeling ［J］.J.Climate，2006，19（13）：3 008－3 111.

［3］ Zou，J.，Xie，Z.，Yu，Y.，et al.Climatic responses to anthropogenic groundwater exploitation：a case study of the Haihe River Basin，Northern China ［J］.Climate Dynamics，2014，42（7－8）：2 125－2 145.