城市陆面模式变分资料同化研究

遥感观测资料同化研究对于提高城市陆面模式模拟能力至关重要。同化算法是遥感观测资料同化研究的核心，同化算法的运行速度是算法中的关键因子之一。本申请项目将发展和完善简化的变分同化算法，在地表及冠层温度变分同化研究基础上，对城市陆面模式中的土壤湿度进行变分同化以及同时同化地表及冠层温度与土壤湿度。充分发挥城市复杂下垫面遥感观测资料以及城市陆面模式二者各自的优势，得到空间、时间上连续且更准确的地表参数及通量模拟结果。以北京地区为例，选取有代表性的站点及区域对城市陆面模式同化结果进行单点和区域验证。本研究可以为城市精细化气象预报研究提供较准确的城市复杂下垫面初始场，对于城市气候变化、城市生态以及城市气象灾害研究也具有非常重要的意义。

城镇化是我国的一项基本国策。我国正处于城镇化快速发展阶段，城市规模逐步扩大，城市人口比例不断提高。城市化改变了城市地区和周边区域热力、辐射、动力以及水文气象过程，从而对地表与大气相互作用产生一系列复杂的影响。因此，需要对城市地表特征及及城市化影响进行深入研究。.本项目的主要研究内容包括以下几部分：1）城市陆面模式研发。包括高分辨率城市地表分类数据应用及升尺度化处理；城市地表能量平衡及水分平衡模型发展；模式关键物理量的参数化。2）城市陆面模式变分资料同化研究。包括代价函数权重解析算法发展；自然下垫面下地表温度变分同化方法研究；城市下垫面下地表温度变分同化方法研究；土壤湿度变分同化方法研究；地表温度与土壤湿度同时同化方法研究。3）并行算法优化。4）城市陆面模式应用研究。.本项目取得的主要成果如下：1）研发了集成城市陆面模式。集成城市陆面模式是具有多尺度、全区域、全物理过程等特点的陆面模式。集成城市陆面模式已和高分辨率城市陆面资料同化系统进行了比较。2）研发了城市陆面模式简化的四维变分同化算法，并且对算法进行了验证。3）研发了基于区域分解的并行算法。4）开展了集成城市陆面模式在交通、城市热环境和水文方向的应用研究。.本项目研究具有重要意义。本项目发展的集成城市陆面模式和简化的四维变分同化算法可以与中尺度天气模式耦合用于数值天气预报，为城市精细化气象预报研究提供较准确的城市复杂下垫面初始场；集成城市陆面模式可以作为地表辐射平衡、能量平衡、水分循环及地气交换通量等深入研究的重要工具；集成城市陆面模式可以和较大尺度区域及全球气候模式耦合，用于气候变化及城市化气候效应研究；陆面是地球五大圈层之一，集成城市陆面模式可以和地球系统模式耦合，用于全球变化研究；集成城市陆面模式和四维变分同化算法可以模拟城市及自然下垫面地表过程，在交通、城市生态、水文水资源、城市规划、城市防灾减灾以及城市热环境等领域也有着广泛的应用。