陆面数据同化系统及其在全球变化研究中的应用
CLDAS-V1.0产品说明书
CMA Land Data Assimilation System Version1.0（CLDAS-V1.0）中国气象局陆面数据同化系统第一版本产品说明编写：姜立鹏师春香张涛国家气象信息中心2013-07-24目录1.CLDAS简介 (3)2.CLDAS-V1.0输入数据 (3)3.CLDAS-V1.0技术方法 (5)4.CLDAS-V1.0产品 (6)5.CLDAS-V1.0验证与评估 (8)5.1驱动场产品验证评估 (8)5.1.1 气温、气压、湿度和风速 (8)5.1.2 太阳短波辐射 (9)5.1.3 降水 (11)5.1.4土壤湿度产品验证评估 (15)6.CLDAS-V1.0产品使用 (22)6.1数据可视化 (22)6.2数据读取 (22)6.3技术支持 (25)参考文献 (25)1.CLDAS简介中国气象局气象信息网络十二五计划中明确提出到2015年研制出高分辨率的多源土壤温湿度业务产品的目标。
为此国家气象信息中心在研制多源土壤温湿度融合分析产品方面进行了较长远的发展规划，并进行了总体目标和实施方案的设计。
陆面数据同化技术是获取高质量土壤湿度数据的有效手段,根据国内外陆面数据同化技术的发展情况，制定了分阶段实现CMA陆面数据同化业务系统的计划,该计划分为四个阶段，即CLDAS-V1.0--CLDAS-V4.0。
CLDAS-V1.0的科学目标是利用数据融合与同化技术，对地面观测、卫星观测、数值模式产品等多种来源数据进行融合，获取高质量的温度、气压、湿度、风速、降水和辐射等要素的格点数据，进而驱动陆面过程模型，获得土壤温湿度等陆面变量。
研究重点是对于陆面驱动数据的处理和合适陆面过程模型的选择。
CLDAS-V1.0的业务目标是设计一个可扩展性强的陆面数据同化系统框架，开发一个可用于业务运行的CLDAS-V1.0系统，并为版本升级预留接口。
CLDAS-V2.0将实现多个陆面模式的运行和多模式集成，并继续改进地表、土壤和植被参数和陆面驱动数据；CLDAS-V3.0将实现地面观测土壤湿度、卫星反演土壤湿度数据的同化；CLDAS-V4.0将实现卫星观测亮温数据同化。
CLDAS气温数据在中国区域的适用性评估
CLDAS气温数据在中国区域的适用性评估作者：刘莹师春香王海军韩帅来源：《大气科学学报》2021年第04期摘要以中国48 708个地面气象自动站逐小时气温数据为基础，采用平均偏差（Bias）、相关系数、均方根误差（RMSE）、平均绝对误差（MAE）等评估指标，对比分析2017年10月、2018年1月、4月、7月CLDAS-V2.0气温（分辨率为0.062 5°），探讨中国8个分区春、夏、秋、冬4个季节CLDAS与站点气温的相关性及偏差分布特征。
结果表明：1）CLDAS气温较好地反映了中国气温的年际变化，非独立性检验、独立性检验与站点气温的平均相关系数分别为0.995、0.991，东北地区相关性最高，西南地区相关性最低。
2）CLDAS与站点气温的Bias为-0.011 ℃，非独立性检验的RMSE、MAE分别为1.275、1.645 ℃，独立性检验的RMSE、MAE分别为0.867、1.089 ℃，总体上CLDAS气温误差小，可信度较高。
3）春、秋季的偏差小于夏、冬季;东北、华北、江淮、华南地区的偏差小于西北、西南地区;84.6%站的冷偏差或暖偏差在1 ℃内，冷暖偏差空间分布均匀。
4）CLDAS的最高气温存在冷偏差，最低气温存在暖偏差，夏季最高气温的最大误差为-0.59 ℃。
5）CLDAS平均偏差的日变化为-0.23～0.07 ℃，白天呈冷偏差，夜间呈暖偏差，夏季平均偏差的日变化较显著，偏差的日较差为0.26 ℃;全国8个分区夏季平均偏差日变化最大为1.06 ℃，秋、冬、春季变幅相似，西南地区平均偏差日变化最大而江淮地区最小。
关键词 CLDAS; 气温; 相关系数; 偏差; 日变化陆面作为地球系统中重要的组成部分，与大气进行着物质和能量交换，陆面状况的变化对大气和气候有重要影响（成璐等，2014;高路和郝璐，2014;高志刚等，2015;孙帅等，2017）。
在20世纪90年代，越来越多人重视陆面同化的研究（麻巨慧等，2011;闵锦忠等，2016），比较成熟的陆面数据同化系统主要有美国的全球陆面数据同化系统（GLDAS）、北美陆面数据同化系统（NLDAS）、欧洲陆面数据同化系统（ELDAS）、美国高分辨率陆面数据同化系统（HRLDAS）、韩国陆面数据同化系统（KLDAS）、中国西部陆面数据同化系统、中国气象局陆面数据同化系统（CLDAS）等。
CMA高分辨率陆面数据同化系统(HRCLDAS-V1.0)研发及进展
气象科技进展CMA高分辨率陆面数据同化系统（HRCLDAS-V1.0）研发及进展韩帅1 师春香1 姜志伟1 徐宾1 李显风2 张涛1 姜立鹏1 梁晓1 朱智1 刘军建3 孙帅4（1 国家气象信息中心，北京 100081；2 江西省气象信息中心，南昌 330046；3 中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，乌鲁木齐 830002；4 南京信息工程大学，南京 210044）摘要：回顾了中国气象局高分辨率陆面数据同化系统（High Resolution China Meteorological Administration Land Data Assimilation System，HRCLDAS）的研发历程，重点介绍了HRCLDAS研发过程中的重要进展和突破，概要阐述了这些进展对HRCLDAS业务化的贡献。
主要包括：引入1 km分辨率地形数据，采用多重网格变分分析技术制作1 km分辨率气象驱动数据；基于FY-2卫星1 km可见光通道、高分辨率地形及地表反照率等数据，改善地面入射太阳辐射产品质量与空间分辨率，利用辐射计算模型（Hybrid）模型与地面站日照时数、气温等观测资料模拟地面太阳辐射，并利用多重网格变分分析技术实现二者融合；实现东亚多卫星集成降水产品（EMSIP）与4万余自动站观测降水融合，并实时生成格点融合产品，针对陆面模拟分辨率高、数据量大的特点，设计了分块并行与模式并行结合的计算方案，建立了高效的土壤湿度模拟产品业务系统，有效地推动各级气象部门开展相关业务应用工作。
关键词：HRCLDAS，驱动数据，陆面模式，业务系统DOI：10.3969/j.issn.2095-1973.2018.01.013Development and Progress of High Resolution CMA Land Surface Data Assimilation SystemHan Shuai1, Shi Chunxiang1, Jiang Zhiwei1, Xu Bin1, Li Xianfeng2,Zhang Tao1, Jiang Lipeng1, Liang Xiao1, Zhu Zhi1, Liu Junjian3, Sun Shuai4(1 National Meteorological Information Centre, Beijing 100081 2 Jiangxi Meteorological Information Center,Nanchang 330046 3 Institute of Desert Meteorology, CMA, Urumqi 830002 4 Nanjing University of InformationScience and Technology, Nanjing 210044)Abstract: This paper reviews the development of HRCLDAS, a high-resolution land data assimilation system, focuses on the important progress and breakthroughs in HRCLDAS research and development, and summarizes the contribution of these developments to the HRCLDAS operation. These include the 1 km resolution of meteorological data by using multi-grid variation analysis technique; The ground Radiation product quality and spatial resolution based on the data of 1-km visible channel, high-resolution terrain and surface albedo of FY-2 satellite; Simulation of ground solar radiation using hybrid model and ground station sunshine hours, air temperature and other elements; Achieving the integration of the these information by using multiple grid variation analysis technology; Achieving integration of the East Asia satellite precipitation products (EMSIP) and observational data at 40-thousand automatic stations. A parallel calculation scheme combining the block parallel and mode is designed to realize efficient soil moisture simulation based on the characteristics of high terrestrial simulation resolution and large data volume. The HRCLDAS did promote all meteorological departments at varous levels to carry out related operation applicationsKeywords: HRCLDAS, forcing data, land model, operation收稿日期：2017年6月26日；修回日期：2017年12月16日第一作者：韩帅（1989—），Email：hans@通信作者：师春香（1964—），Email：shicx@资助信息：国家气象科技创新工程攻关任务“气象资料质量控制及多源数据融合与再分析”；国家自然科学基金项目（91437220）；国家气象信息中心青年基金（NMICQJ201606）0 引言长期以来，地面气象要素及土壤温湿度等数据的获取，主要依靠地面人工站和自动站的观测仪器进行定时观测，由于站点离散且分布不均匀，难以覆盖整个中国区域。
土壤湿度同化研究进展
土壤湿度同化研究进展摘要：土壤湿度是陆气相互作用中一个重要物理量，在气象学、水力学、农业、林业和气候等诸多学科的研究及实际应用中都具有重要作用，是影响地面蒸散、径流、地表反照率、地表发射率以及地表感热和潜热通量的重要参数。
本文首先介绍了基于集合卡尔曼滤波及陆面过程模型的中国区域陆面土壤湿度同化系统及其五个组成部分，了解同化系统的主要结构。
接着本文重点介绍了目前国内外关于土壤湿度同化研究的进展，从基于站点资料的同化到基于遥感资料的同化，并介绍了同化方法的不断改进，众多的研究都表明，土壤湿度的同化所得的估计值较单独的站点观测、遥感反演以及模式模拟具有很大的优势，能够得到更好的估计，且能够给出一定观测深度以下的土壤湿度估计。
关键字：土壤湿度同化；中国区域陆面土壤湿度同化系统；同化方法；遥感观测1、引言对全球水循环过程的理解和定量化研究是气候研究的一个重要课题，而土壤湿度作为全球水循环中的重要变量更是受到了广泛的关注。
尤其是地球表层1-2 米深的土壤湿度在气象学、水利学、农业、林业和气候等诸多学科的研究及实际应用中都具有重要作用。
土壤湿度是陆气相互作用中一个重要物理量，虽然土壤表层含水量与全球总水量相比微不足道，但它制约着农作物的产量并决定了地表能量向感热和潜热转换的分配比例以及地表水下渗和形成地表径流的比例。
因此，陆气相互作用在很大程度上依赖土壤湿度状况，土壤湿度通过改变土壤反照率、热容量等下垫面参数参数来影响陆面与大气之间的水分通量、地表的感热和潜热输送等，对陆气之间的物质、能力平衡产生影响，进而影响局地的气候变化。
它在气候变化中的作用是仅次于SST （海表温度）的重要参量⑴，在陆地上甚至超过SST的作用，平均陆地上约三分之二的降水来自于陆地表面的蒸发，而大约三分之一的降水来自海洋，而蒸发量的大小与土壤湿度有很大关系。
此外，土壤湿度还可作为地表水文过程的一个综合指标，积累了地表水文过程的大部分信息，同时也是固体地球和生物圈的界面及其生物体、生物化学循环的主要过程[2]。
不同陆面模式对我国地表温度模拟的适用性评估
不同陆面模式对我国地表温度模拟的适用性评估孙帅;师春香;梁晓;韩帅;姜志伟;张涛【摘要】基于CLDAS大气驱动数据驱动CLM3.5陆面模式和3种不同参数化方案下的Noah-MP陆面模式模拟得到的地表温度,利用中国气象局2009 2013年2000多个国家级地面观测站地表温度进行质量评估.结果表明:从时间分布看,模拟地表温度与观测的偏差及均方根误差均呈季节性波动;从空间分布看,模拟地表温度与观测的偏差及均方根误差在中国东部地区相对于中国西部地区更小.选择Noah-MP陆面模式3种不同参数化方案模拟结果进行对比,结果表明:Noah-MP模式的非动态植被方案不变时,考虑植被覆盖度的二流近似辐射传输方案的Noah-MP陆面模式模拟的地表温度优于考虑太阳高度角和植被三维结构的二流近似辐射传输方案Noah-MP陆面模式模拟的地表温度;选择动态植被方案的Noah-MP陆面模式模拟的地表温度优于选择非动态植被方案的Noah-MP陆面模式;总体而言,考虑动态植被方案的Noah-MP陆面模式模拟的地表温度优于其他两种参数化方案的Noah-MP陆面模式以及CLM3.5陆面模式模拟的地表温度.%As an important physical quantity in the land surface process,the ground temperature plays an important role in climate change research,agricultural production and ecological environment.A set of simulation experiments are carried out,in which ground temperature are simulated by Community Land Model 3.5 (CLM3.5) land surface model and Noah-Multi Parameterization Land Surface Model (Noah-MP) of three different parameterization schemes,forced by China Meteorological Administration Land Data Assimilation System (CLDAS) atmosphere forcing data containing high-quality temperature,pressure,humidity,wind speed,precipitation and solarshortwave radiation.The different model-simulated ground temperature is verified by 2000 national ground temperature observation stations of China Meteorological Administration from 2009 to 2013.Results show that errors of different model-simulated ground temperature compared with observations behave seasonal fluctuations from the error analysis of time series.And the ground temperature simulated by CLM3.5 land surface model and Noah-MP land surface model can better represent the spatial distribution of ground temperature of China in seasonal climate state.The ground temperature is underestimated in general,and the underestimation in spring and autumn is smaller than that in summer and winter.On the spatial distribution,the error of the model-simulated ground temperature in the eastern China is smaller than that in the western China,and in the northeastern China and northern Xinjiang the error is even greater.Three different parameterization schemes of Noah-MP land surface model are selected to compare the simulation result.Results show that when the non-dynamic vegetation scheme remain unchanged,considering different radiation transferring schemes,the two-stream approximation radiative transferring scheme considering vegetation coverage of Noah-MP land surface model performs better than the radiative transferring scheme considering the solar altitude angle and vegetation 3D structures of Noah-MP surface land model.When the default two-stream approximation radiative transferring scheme in Noah-MP land model doesn't change,considering the dynamic vegetation scheme of Noah-MP land surface model,the result shows that the ground temperature choosing thedynamic vegetation scheme of Noah-MP land surface model is better than the non-dynamic vegetation scheme named of NoahMP land model.Above all,the ground temperature simulated by the dynamic vegetation scheme of NoahMP land surface model is better than the other two parameterization schemes of Noah-MP land model and the CLM3.5 land surface model.【期刊名称】《应用气象学报》【年(卷),期】2017(028)006【总页数】13页(P737-749)【关键词】CLDAS;CLM3.5;Noah-MP;地表温度;站点观测【作者】孙帅;师春香;梁晓;韩帅;姜志伟;张涛【作者单位】南京信息工程大学地理与遥感学院,南京210044;国家气象信息中心,北京100081;国家气象信息中心,北京100081;国家气象信息中心,北京100081;国家气象信息中心,北京100081;国家气象信息中心,北京100081【正文语种】中文基于CLDAS大气驱动数据驱动CLM3.5陆面模式和3种不同参数化方案下的Noah-MP陆面模式模拟得到的地表温度，利用中国气象局2009—2013年2000多个国家级地面观测站地表温度进行质量评估。
两种陆面模式对中国区域土壤温度模拟的对比分析
两种陆面模式对中国区域土壤温度模拟的对比分析孙帅;师春香;梁晓;姜立鹏;徐宾;韩帅;谷军霞;粟运【期刊名称】《气象学报》【年(卷),期】2022(80)4【摘要】为研究不同陆面模式对中国区域土壤温度的模拟效果,基于中国气象局陆面数据同化系统(CMA Land Data Assimilation System,CLDAS)大气驱动数据分别驱动Noah和Noah-MP陆面模式进行中国区域土壤温度的模拟(简称:CLDAS_Noah和CLDAS_Noah-MP试验),使用2010—2018年中国气象局2380个土壤温度观测站点10和40 cm观测数据以及美国全球陆面数据同化系统(The Global Land Data Assimilation System,GLDAS)驱动的Noah模式(GLDAS_Noah试验)模拟的土壤温度结果,从空间分布、季节、分区等角度进行了评估,实现了不同驱动数据相同陆面模式和相同驱动数据不同陆面模式的对比分析。
结果表明:GLDAS_Noah、CLDAS_Noah和CLDAS_Noah-MP试验均能合理模拟出中国区域土壤温度空间分布,但在量级上有一定差异,主要表现在中国东北、新疆、青藏高原等积雪区。
对于相同陆面模式不同驱动数据,均方根误差显示CLDAS_Noah试验在季节与分区上均优于GLDAS_Noah试验,间接表明CLDAS大气驱动数据优于GLDAS大气驱动数据,且大气驱动数据是提高土壤温度模拟精度的重要因素之一;对于相同驱动数据不同陆面模式,总体上CLDAS_Noah-MP试验棋拟效果优于CLDAS_Noah试验,其中CLDAS_Noah试验模拟的10和40 cm 深度土壤温度在冬季积雪区误差明显大于CLDAS_Noah-MP试验,可能与Noah-MP模式改进了积雪方案有关,但10和40 cm深度下CLDAS_Noah-MP试验在东北、华北、青藏高原地区对春季土壤温度模拟误差明显大于CLDAS_Noah试验,可能与Noah-MP模式融雪方案有关。
全球多变量陆面数据同化-ESAEarthOnline
全球多变量陆面数据同化
韩旭军, Harrie-Jan Hendricks Franssen, Carsten Montzka, Harry Vereecken, 晋锐, 李新
为了更好地理解气候变化背景下全球水循环变化特征，本研究在以陆面过程模型CLM为基础的陆面数据同化系统中研究土壤水分、陆地水储量和雪水当量遥感产品的多变量数据同化方法。
通过多源遥感产品的数据同化来改善全球土壤水分、蒸散发、雪深和径流的估计。
在CLM中全球采用0.5度的网格划分为720×320格点，利用局部变化集合卡尔曼滤波（LETKF）方法来研究土壤水分、陆地水储量和雪水当量的最优同化方案。
最后采用全球的观测数据来验证同化结果。
通过本研究我们试图借助多源遥感观测产品来改善陆面过程模型对全球水循环的表达能力，另外陆面数据同化系统生产的长时间序列陆表产品也有助于理解全球变化背景下的水资源动态变化。
中国陆面数据同化系统研究的进展与前瞻.pdf
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中国陆面数据同化系统研究的进展与前瞻 "
李 ! 新 "" ! 黄春林 ! 车 ! 涛 ! 晋 ! 锐 ! 王书功 ! 王介民 ! 高 ! 峰 张述文 ! 邱崇践 ! 王澄海
!#中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 ! 兰州 * & $ $ $ $""#兰州大学大气科学学院 ! 兰州 * & $ $ $ $
摘要 !! 陆面数据同化的核心思 想 是 在 陆 面 过 程 模 型 的 动 力 框 架 内 ! 融 合 不 同 来 源 和 不 同 分 辨 率 的直接与间接观测 ! 准确一致地估计地表水分和能量循环的各个分量 #作者已初步建立了中国陆面 数据同化系统 & 同化方法采用了集合 ] . 0 . 8 滤波 ! 模型算子使用 @ D Y9 和 : / F " 等陆面过程模型 ! 观测算子采用针对土壤 # 包括融化和冻结 $ " 积雪等不同地表状态的微波辐射传输模型 #该系统同化 被动微波遥感观测如 : % !I9 : 9 O和 B9: E 以及土壤和积雪的常规观测 !已计算得到 中国西 北干 O 旱区和青藏高原的土壤水分 " 土壤温度 " 积雪和冻 土的同 化资 料 #文中 阐 述 了 在 同 化 系 统 的 构 建 " 同化算法的研究 " 陆面过程模型和微波辐射传输模型的集成 以及 大气驱 动数据 制备等 方面 的进展 ! 讨论了陆面数据同化的特点和面 临 的 问 题 ! 展 望 了 未 来 的 研 究 重 点 和 同 化 方 法 在 陆 地 表 层 系 统 科 学研究中的应用前景 # 关键词 !! 陆面数据同化 ! 陆面过程 ! 被动微波遥感 !, . / 0 滤波 !! 研究大尺度和 流 域 尺 度 的 水 分 和 能 量 循 环 ! 获 取完备的地球表层 系 统 的 时 空 信 息 ! 都 离 不 开 模 型 模拟和观测这两种基本手段 #它们有着各自 的 优 势 ! 模型 模拟 的优势在 于依靠 其内 在的物 理 过 程和 动 力 学机制 ! 可以给出所 模 拟 对 象 在 时 间 和 空 间 上 的 连 续演进 " 而观测的优 势 在 于 能 得 到 所 测 量 对 象 在 观 测时刻和所代表的空间上的 ( 真值 ) # 由于几 乎 所 有 地 表 变 量 在 时 间* 空 间 上 都 具 有高度的异 质 性!导 致 对 它 们 的 模 拟 和 观 测 都 具 有 很 大 的 不 确 定 性 #从 模 型 方 面 而 言 ! 现 有 的 全 球 和区域气候 模 式 以 及 陆 面 过 程 模 型 通 常 都 包 含 了 复杂的陆面过 程 参 数 化 方 案! 但 是! 这 些 模 型 对 陆 面 状 况 的 模 拟 精 度 依 然 较 差 #例 如 ! 在 全 球 土 壤 % 中!研究人员利用 : 湿度项目# G :LC / F "! : : / F!
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摘 要 ： 面数 据 同化 的研 究起 源 于 ２ 陆 ０世 纪末 ， 展 比 较 迅 速 。本 文 从 当前 发 展 比 较 成 熟 的 陆 面 数 据 同化 系 发 统、 同化 方 法 以及 陆 面数 据 同化 在 全 球 变 化 研 究 中 的 应 用 三 方 面 做 了综 述 。 比 较 成 熟 的 陆 面 数 据 同 化 系 统 主 要 是 美 国（ 球 ） 欧 洲 的 陆 面 数据 同 化 系 统 ， 拿 大 、 国 和 我 国 的 数 据 同化 系 统 最 近 才 有 所 发 展 ； 据 同化 方 法 全 和 加 韩 数 主要 以基 于 统 计 估 计 理 论 和 以基 于 变分 的 两 大 类 方 法 为 主 流 ， 年 来 人 工 神 经 网络 和 粒 子 滤 波技 术 有 所 发 展 ； 近 在 生 态水 文 学 、 循 环 和 作 物估 产 的 应 用研 究 中 ， 面 数 据 同化 方 法 已经 发 挥 了重 要 作 用 。 碳 陆
关 键 词 ： 面数 据 同化 系 统 ； 据 同化 方 法 ； 球 变 化 陆 数 全
ｄ ｉ１ ． ９ ９ ｊｉｓ ． ０ ０ ３ ７ ． ０ ０ ０ ． ２ ｏ： ０ ３ ６ ／．ｓｎ １ ０ — １ ７ ２ １ ． ４ ０ ４
中 图分 类 号 ： ７ ＴＰ ９
文献标识码 ： Ａ
文 章 编 号 ：０ ０ １ ７ ２ １ ）１ — １５ ９ １ ０ —３ ７ （ ０ ０ １ ０ ３ —０
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２ １． ＯＯ４
综 述
遥感信息
陆 面数据 同化系统及其在全球变化研究中的应用
张 秀 英①， 洪① ， 英① 江 ～ 韩
（ 南 京 大 学 国 际地 球 系 统 科 学 研 究 所 ， 京 ２ ０ ９ ； ① 南 １ ０ ３ ② 浙 江 林 学 院 国际 空 间生 态 与 生 态 系 统 生 态 研 究 中心 ， 州 ３ １０ ） 杭 １ ３ ０
（ Ｉ ｔ ｎ ｔ ｎ ｌ ｎ ｔ ｕｅｆ ｒ ａ ｔ ｙ ｔｍ Ｓ ｉ ｃ ， ｉ ｇＵｎｖ ｒｉ Ｎａ ｊｎ １ ０ ３ ① ｎ ｅ ａ ｉ ａ ｓ ｔ ｔ ｏ ｒｈ Ｓ ｓ ｃｅ ｅ Ｎａ ｎ ｉ ｅｓ ｙ， ｎ ｉ ｇ ２ ０ ９ ； ｒ ｏ Ｉ ｉ Ｅ ｅ ｎ ｔ
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