CLM3.5模型在水资源管理中的应用探索

张 宁

（海军驻上海地区舰艇设计研究军事代表室，上海 200011）

引言

CLM3.5是通用陆面模型 Community Land Model version 3.5的简称，是美国国家大气科学研究中心研发的第三代陆面模型［1］，本文对CLM3.5模型在水资源管理中的应用进行了探索，并以海河流域为例，进行模拟试验。

1 思路

CLM包括最多5层雪层和10层不等间距的土壤层。为了表示气候模式网格内的陆表复杂性，CLM采用次网格技术来考虑下垫面的不均匀性。每个CLM网格内包含四种可能的陆表覆盖类型：冰川、湿地、湖和植被，而植被类型又可以进一步划分为17种植被功能型（PFTs）。每种PFT分别对其水文、能量平衡关系进行求解，再整合至每一网格内。CLM3.5模拟的生物物理过程包括短波、长波辐射与植被冠层、土壤间的相互作用，土壤、植被冠层的动量、湍流通量，土壤与雪层的热量传输，冠层、土壤、雪层的水文过程，植物叶片气孔的生理变化与光合作用等。CLM3.5主要的参数化方案包括：地表反照率、辐射通量、动量、感热与潜热通量、土壤与雪的温度、水文过程、气孔阻抗与光合作用、湖模型、河流传输模型（RTM）、可挥发性有机物。

本文采用添加用水模块的CLM3.5模型，模拟的区域范围设为105°～127°E，30°～46°N，覆盖海河流域全境，空间分辨率为0.25°×0.25°。气候强迫数据选用普林斯顿全球三小时1°×1°的气候数据［2］。

首先，基于海河流域用水需求数据［3］，利用添加取用水模块的CLM模型进行从1971年至2000年间30年的开采试验（P1）模拟，试验在2000年的结果已经受人类开采活动严重影响；另外，利用CLM模型，在不考虑人类活动情况，进行30年的参考试验（CTL）模拟，用以模拟流域不受人类活动影响的理想状态。其次，基于开采试验P1在2000年的最后结果，进行了一组200年（2001－2200）的理想试验，用以探讨在未来极端情况下陆面变量的变化。第一个试验（Pmp）继续维持开采过程，用水需求保持2000年的水平，一旦地下水位由于开采活动下降至基岩深度，开采活动将立即停止。第二个试验（Rst）在P1试验2000年结果的基础上停止一切开采活动，使地下水资源自然恢复200年。而参考实验（CTL＿E）是基于历史时期的参考试验（CTL）继续运行200年。这三个试验采用10年（1991－2000）平均的年内气候数据进行驱动，并无年际变化，因此试验中陆面变量的变化完全来自陆面过程的响应，而与气候变化无关。

2 结果分析

两组采用固定气候强迫的试验（Pmp和Rst试验）与自然状态下控制试验（CTL＿E）的差异时间序列，时间长度为200年（如下页图1）。图1－1和1－2是持续开采地下水资源的Pmp试验显示，地下水储量与水位仍然会持续下降，在2000年末，流域内虽然存在亏水，但可以通过一些措施解决，如抽取其他需水量较低地区的水资源或者人为减少对用水效率较低的设施产业供水等。然而至2200年，越来越多的地区水资源枯竭，流域内的用水活动将难以维持。从图1可得知，随时间推移，地下水储量下降的速度会逐渐减缓，这是由于越来越多格点内的地下水资源面临枯竭，开采活动也被迫停止。另一方面，停止一切开采，自然恢复地下水的Rst试验显示，水储量与地下水位将会缓慢恢复。值得注意的是，经过了200年模拟期地下水资源仍未回到初始状态，而这与气候降水量偏低有关，不同的降水强迫将极大地影响地下水的恢复速度。

图1 各种差异的时间序列

如图1－3，Pmp试验的径流仍然较控制试验高，与控制试验CTL＿E的径流差异持续减少，因为流域内用于灌溉的水量也会因水资源的枯竭而减少。Pmp试验的2m高气温差异（图1－4）也同样随时间而逐渐减少，但持续200年后，流域平均仍有0.01°K的偏冷差异。对于图1－5中的土壤湿度差异而言，土壤中的增湿效应在模拟期前50年内仍在不断累积，之后随着水资源利用量的减少而逐渐减弱。对于图1－6和1－7中Pmp试验的能量通量差异而言，基本与土壤湿度和温度的变化相似，但其极限值出现在2030年左右，较土壤温湿度的变化早，这可能因为地表变量与土壤的变化相比，其响应更为敏感迅速所致。

3 结语

本文利用陆面模型CLM3.5，结合人类取用水模块，对CLM3.5模块在水资源管理中的应用进行了探索，并以地下水严重超采的海河为例进行了模拟试验，试验结果表明，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..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.