水文模型与陆面模式耦合研究进展

水文模型与陆面模式耦合是目前全球变化研究中的热点问题,如何实现分布式水文模型与陆面过程模式的双向耦合,并将其有机嵌入大气模式中,是未来大气环流模式(GCM)和区域气候模式(RCM)发展和完善的重要目标之一.在简单介绍陆面过程模式和水文模型发展历程的基础上,对水文模型和陆面过程耦合研究的国内外进展进行了综述,指出了模式耦合中存在的共同问题和未来工作的研究要点.最后,探讨了分布式水文模型与陆面模式耦合在全球变化研究框架中的地位与意义,并展望了陆面水文过程发展的主流趋势和研究方向.     

西北内陆河山区流域内循环过程与机理研究:现状与挑战

山区水资源及其变化对于中国西北干旱区的绿洲经济系统和生态系统具有重要意义,准确认识山区流域中不同下垫面(冰川、冻土、积雪、森林带、草甸带等)中植被—土壤—大气中水分的迁移和循环过程既是寒旱区水研究的基本问题,也是开展寒旱区水资源精细化管理和调控的基础。目前国内外对山区不同下垫面的水文功能、流域水文过程等已有较好的研究积累,但对流域内不同下垫面之间水分在土壤—植被—大气之间的内循环过程的认识才刚刚开始,对于内循环的机制及内循环在流域水文过程中作用的定量研究还处于探索阶段,也面临诸多挑战。国家自然科学基金重点项目"西北内陆河山区流域水文内循环过程及机理研究"拟选择具有较好观测基础和资料积累的阿克苏河山区流域和疏勒河山区流域为研究对象,通过对不同下垫面的径流小区试验,植被水分、土壤水分和大气水分的同位素示踪与解析,不同下垫面蒸散发的地面观测和遥感反演,区域气候模式与陆面水文模式的耦合,以及再分析资料的水汽通量分析,获取不同下垫面的水汽交换特征和输移过程,识别大气中水汽输移路径,从而系统分析不同下垫面对山区水文过程的作用及其对中下游绿洲的影响,为深入理解我国西北内陆河流域的水循环过程提供科学支撑。     

大型灌区陆地水循环模式的参数化方案:LWCMPS_ID

地表水系统、地下水系统和土壤植物大气连续体的强烈耦合作用是大型灌区水文过程的基本特点,这导致对大型灌区的陆地水循环和水资源进行评价必须采取综合的方法,然而目前还缺少适用的模拟工具。农业灌区的水文特征与天然流域存在显著差别,常规流域水文模型和陆面过程参数化方案用于大型灌区陆地水循环的分析还存在较大的困难。LWCMPS_ID是本文提出的一个适用于大型灌区陆地水循环模式的参数化方案,采用分块集中参数模型简明地实现了地表水、地下水和土壤水的动力学耦合分析,并且包含了一个土壤水冻结融化的简化模型。对处在黄河流域的内蒙古河套灌区,用LWCMPS_ID进行20 年水文动态的模拟,取得了较好的效果。     

黑河流域陆地—大气相互作用研究的几点思考

陆地和大气之间是相互作用、相互影响的,不仅陆面分布与地表过程对大气变化有着响应过程,而且陆面物理过程、地表特征分布对大气过程也有着重要影响。我国西北地区地形分布极不均匀,是水资源变化和气候变化的敏感区与脆弱地区。这里,由于海拔高度起伏造就了以水为主线的上游山区冰雪、冻土—中游森林、绿洲—下游戈壁荒漠的多个自然景观带共存的内陆河流域,是开展陆—气相互作用研究的理想场所。文章集中黑河流域水循环过程、冰雪/冻土与大气相互作用、降水异质性、人类活动影响以及尺度等问题,阐述了流域研究现状以及研究热点,指出发挥各学科优势,将大尺度的大气过程与中间尺度和小尺度的陆面水文/生态过程结合,建立流域尺度大气—水文—生态过程真正的双向耦合模式,不仅研究气候变化对陆面水文、生态的影响,同时探讨陆面小尺度过程对大气的反馈机理,探索流域尺度的水循环过程和驱动机理,为水资源合理利用提供理论基础。     

珠江流域大尺度陆面水文耦合模式的构建及应用

以珠江流域为研究对象,通过更新陆面水文模式所需的下垫面参数数据库,建立适合于珠江流域的大尺度陆面水文耦合模式系统,并利用该模式开展了1963~2006年流域水文水循环过程的数值模拟,通过与实测流量比较,系统考察了陆面水文耦合模型对珠江流域水循环各分量的模拟性能。分析结果表明,该陆面水文耦合模式对珠江流域年平均各水循环要素具有良好的模拟能力;模式对珠江流域干流主要控制水文站的月平均流量也有较高的模拟精度,模式模拟的水量平衡系数均接近1,相关系数均高于0.84,IOA相似度系数均高于0.9;相对而言,模式对流量峰值的模拟能力还有待提高。     

土壤湿度参数化及对天气和气候模拟影响的研究进展

陆面过程中土壤湿度相关的水文过程及对天气和气候模拟的影响已经受到国内外学者的广泛关注。首先,追溯了土壤湿度的定义和确定方法,回顾了陆面模式中土壤湿度相关的水文参数化过程,包括不同土壤类型的水文曲线和土壤湿度方程的数值求解方法;其次,详细地给出了目前陆面模式中所使用的土壤水文参数的确定方法及其存在的不确定性,指出了参数敏感性分析和优化方法在陆面参数确定中的重要性,及最新的陆面水文参数集的建立在陆面模式的发展和土壤湿度准确模拟中的重要性。最后,总结了国内外关于土壤湿度对降水的反馈机制的研究进展,主要分为土壤湿度的时空分布特征和异常对季节性降水的正反馈作用,以及中尺度土壤湿度的非均匀性对局地对流激发的负反馈作用。通过总结已有的研究进展后分析了土壤湿度模拟中存在的不确定性因素,给出了土壤湿度对未来天气和气候模拟影响的主要研究方向。     

大气水文模式耦合研究综述

首先阐明大气水文模式耦合的必要性，总结作为二者耦合的共同界面——陆面模式的发展过程。在此基础上，从耦合研究方法和目的出发，分4个类别详细论述当前国内外大气水文模式耦合研究的现状。指出了单向耦合不足和进行双向耦合所面临的几个关键问题包括：尺度问题、次网格分布非均匀性、降水模拟等。未来要求充分利用“3S”、四维变分同化等新技术和新方法，加强多学科的联合研究，深入开展大气水文模式的双向耦合试验和敏感性分析，研究大气—植被—土壤—水文系统的交互影响，从根本上提高大气和水文模式的模拟和预报水平。     

干旱区流域生态水文耦合模拟与调控的若干思考

系统识别全球变化和高强度人类活动影响下干旱区流域生态水文耦合作用机制及演变规律,并通过综合生态水文调控,构建健康水循环和生态安全格局,是干旱区流域亟待解决的关键科学问题。传统的基于水文过程与生态过程的分离模拟与调控,尚不能满足上述实践需求;需结合原型观测与实验,对大气模式、水文模型、生态模式（包括天然生态模拟模型和作物生长模式）进行耦合开发,构建具有统一物理机制的流域生态水文模型。以此为支撑,对干旱区流域生态水文过程演变规律及阈值特征进行系统识别;并结合水生态服务功能评价,提出流域生态安全修复及水资源合理配置与调度方案;制定有效的风险管理措施,对流域生态水文过程进行动态调控。     

气候变化对陆地水循环影响研究的问题

简要地回顾了现存的由气候情景驱动水文模型研究气候变化对陆地水循环影响的方法。指出这种单向连接方法很难将气候变暖及人类活动引起的陆地水循环变化反馈给大气。这既影响对降雨的预测精度,又不能正确地描写陆地水循环的变化。近10年来气候学家对大气环流模型中陆面过程模型的改进以及水文气候学家对大尺度水文模型研究所取得的进展,展现了它们之间的互补性,以及未来用水文-气候耦合模型方法研究气候变化与人类活动对陆地水循环影响及水资源预测的可能性。     

大气、陆面与水文耦合模式在中国西北典型流域径流模拟中的新应用

水文模式在较长的发展阶段由简单的概念模型逐步演变复杂的分布式物理模型,大气学科的各类气候模式在近年来迅猛发展同时也逐步带动了水文学的发展。从大气、水文两个学科发展角度纵向开展研究,通过分析以往研究成果认为,虽然大气、水文模式在其各自的发展已经到达了较为完善的地步,然而其相互耦合并取长补短的优势并未发挥。在探讨大气、陆面及水文模式发展的基础上,选取XJLDAS(Xinjiang Land Data Assimilate Datasets)大气陆面同化系统,CLM3.5(Community Land Model,Version 3.5)公用陆面模式及快速汇流模式RAPID(Routing Application for Parallel computation of Discharge)作为关键耦合对象,利用以上耦合系统对新疆精博河流域径流过程进行模拟。通过研究分析,认为:XJLDAS+CLM3.5+RAPID模式可较好地重现流域地表径流年内分布状况,然而,由于陆面参数化方案选取等原因,研究区径流量出现一定偏差。此外,在本研究中发现,陆面模式径流汇流模拟结果与实际结果存在一定偏差,将这种偏差进行分析后发现:在进行大尺度水文模拟时,需要在考虑在研究区相关地理特性(如地质构造、地表覆被)基础上进行模式相应改进,以最大限度的重现大尺度径流真实过程。     

耦合冻土方案的大气模式对祁连山区春季土壤状况的模拟

对黑河流域上游山区水源涵养林区2003年春季土壤温度、湿度变化进行分析,运用耦合冻土参数化和没有耦合冻土参数化的大气模式MM5对该区春季过程进行了模拟,并与观测值进行对比,对模拟的产流量做了初步分析.结果显示:考虑冻土参数化方案对土壤温度模拟的改进主要体现在表层土壤,对深层土壤温度的模拟没有大的改进;考虑冻土参数化方案改进了对100 cm深度以内的土壤含水量的模拟,很大程度上缩小了模拟值与观测值之间的绝对误差.总体来讲,考虑了冻土参数化的模拟结果在一定程度上改进了模式对黑河流域上游季节冻土区土壤温、湿状况的模拟,在一定程度上逼近祁连山区的春季土壤状况.考虑冻土参数化和没有考虑冻土参数化对产流量的模拟表明,冻土参数化对产流量模拟有很大影响,冻土形成的不透水层可以产生更多的地表径流.尽管考虑冻土参数化过程对模拟结果有一定程度的改进,但模拟结果与实测结果还是有一定差距的.因此,进行寒区冻土过程模拟时,还需要进一步对土壤信息、模式物理过程,大气背景场驱动数据以及局地因素进行详细而精确的考虑,以期进一步提高模式在寒区的模拟性能,特别是为高寒山区无观测地带陆气相互作用研究提供依据.     

陇东黄土高原土壤储水量与蒸发和气候研究

利用长期土壤湿度和气候观测资料，分析了陇东黄土高原陆面蒸发和土壤储水量的年际变化及其与气候因素的关系。在近20年来，陇东黄土高陆面蒸发和土壤储水量的年际变化主要表现为逐年减少的趋势，个别季节表现为增加的趋势；年际变化的速率具有季节和空间差异性。陆面蒸发和土壤储水量随着温度的升高而减少，随着降水的增加而增加。但是陆面蒸发和土壤储水量与温度的关系不密切，与降水的关系密切。变暖不是陇东黄土高陆面蒸发和土壤储水量逐年减少的气候因素，降水的逐年减少才是陇东黄土高原陆面蒸发和土壤储水量逐年减少的气候因素。陇东黄土高原的土壤干旱化与地表蒸发关系不大，降水的逐年减少可能是土壤干旱化的根本原因。     

陆面水文过程研究综述

在简单介绍陆面过程模式发展的基础上，从裸土蒸发、植被蒸散、土壤水传输、排水和径流等五个方面详细综述了陆面模式研究中对水文过程的参数化。目前陆面参数化方案中仍存在很大的不确定性，其中陆面水文过程参数化的关键问题包括：土壤分层、土层厚度、根带分布；参数的代表性和移植；观测资料；径流的参数化。分析了径流在陆面模式中的重要性，及目前陆面模式中对径流参数化存在的不足，介绍了部分陆面模式对径流的模拟研究，讨论了未来工作的研究重点。     

Study on Water Internal Recycle Process and Mechanism in Typical Mountain Areas of Inland Basins,Northwest China: Progress and Challenge

The water resource and its change of mountainous area are very important to the oasis economic system and ecosystem in the arid areas of northwest China. Accurately understanding the water transfer and circulation process among vegetation, soil, and atmosphere over different hydrological units in mountainous areas such as snow and ice, cold desert, forest and grassland is the basic scientific issue of water research in cold and arid regions, which is also the basis of water resource delicacy management and regulation. There are many research results on the hydrological function of different land covers in mountain areas, basin hydrological processes, however, there are only very limited studies on the water internal recycle at basin scale. The quantitative study on the mechanism of water internal recycle is still at the starting stage, which faces many challenges. The key project “Study on water internal recycle processes and mechanism in typical mountain areas of inland basins, Northwest China” funded by National Natural Science Foundation of China will select the Aksu River and Shule River Basin, which have better observation basis, as study area. The internal mechanism of moisture transfer and exchange process of different land cover and atmosphere, the internal mechanism of water cycle in the basin, and water transfer paths in atmosphere will be studied through enhancing runoff plot experiments on different land cover, analyzing the mechanism of water vapor transfer and exchange between different land covers in the watershed by isotope tracing on the water vapor flux of vegetation water, soil moisture and atmospheric moisture, improving the algorithms of remote sensing inversion and ground verification on land surface evapotranspiration on different land cover, and analyzing the water vapor flux from reanalysis data, and the coupling modeling of regional climate model and land surface process model. At last, the effect of different land cover in hydrological process of mountain area, and the impact of land cover on downstream oasis will be systematically analyzed.     

Simulation of subsurface heat and water dynamics, and runoff generation in mountainous permafrost conditions, in the Upper Kolyma River basin, Russia

The Hydrograph model (a distributed process-based model) was applied to the simulation of soil freeze-thaw and runoff processes, to assess the viability of the model approach and the influence of specific environmental factors in a permafrost environment. Three mountainous permafrost watersheds were studied, at the Kolyma Water Balance Station in north-eastern Russia. The watersheds include rocky talus, mountainous tundra and moist larch-forest landscape regimes, and they were modelled at daily time-steps for the period 1971–1984. Simulated results of soil freeze-thaw depth and runoff showed reasonable agreement with observed values. This study reveals and mathematically describes the dependence of surface and subsurface flow on thawing depth and landscape characteristics. Process analysis and modelling in permafrost regions, including ungauged basins, is suggested, with observable properties of landscapes being used as model parameters, combined with an appropriate level of physically based conceptualization.     

区域综合蒸散发量计算方法研究

在充分消化吸收前人成果的基础上,通过对研究区不同下垫面条件、作物种植情况及供水条件进行全面调查,将研究区划分为城区、山区、平原区3种类型区,并对每种类型区分别按水体、透水区、不透水区计算其蒸散发量,然后合并求得各类型区总蒸散发量,建立了以城区、山区、平原区蒸散发量计算为子模型的区域综合蒸散发量计算模型。     

Study on rain-runoff process in the peripheral mountainous area of the Sichuan Basin

Studies on rain-runoff process in the peripheral mountainous area of the Sichuan Basin, which is regarded as a key ecological shelter, will contribute to flood control and environmental protection for the Upper Yangtze River Basin. In two typical catchments--the Fujiang River Catchment and the Wujiang River Catchment, rainfall simulations have been conducted to study the rain-runoff processes of yellow soil and limestone soil in three types of land use--forestland, farmland and grassland. Results showed that （1） within the same rainfall process, overland flow occurs first on farmland, then on grassland, and finally on forestland; （2） soil surface coverage has a great impact on the occurrence and amount of overland flow. The runoff amount can increase 2-4 times after the coverage is removed; （3） the infiltration before the occurrence of overland flow will decrease because of higher gravel contents of soil, but it takes no effect on infiltration once overland flow becomes stable; （4） the runoff coefficient of the limestone soil forestland is greater than that of the yellow soil forest land, but less than that of the farmland; （5） three empirical infiltration models, including Horton＇ model, Kostiakov＇ model, and modified Kostiakov＇ model, were compared by using the observed results under rainfall simulation. The results showed that the Kostiakov＇ model performed better than both the Horton＇ model and modified Kostiakov model. According to the results of this research, the Kostiakov＇s model can be used to simulate rainfall infiltration when water erosion is modeled in the peripheral mountainous area of the Sichuan Basin.     

Study on rain-runoff process in the peripheral mountainous area of tne Sichuan Basin

Studies on rain.runoff process in the peripheral mountainous area of the Sichuan Basin,which is re-garded as a key ecological shelter,will contribute to flood control and environmental protection for the Upper Yang-tze River Basin.In two typical catchments--the Fujiang River Catchment and the Wujiang River Catchment,rainfall simulations have been conducted to study the rain-runoff processes of yellow soil and limestone soil in three types of land use-forestland.farmland and grassland.Results showed that(1)within the same rainfall process,overland flow occurs first on farmland,then on grassland,and finally on forestland;(2)soil surface coverage has a great im-pact on the occurrence and amount of overland flow.The runoff amount Can increase 2-4 times after the coverage iS removed;(3)the infiltration before the occurrence of overland flow will decrease because of higher gravel contents of soil.but it takes no effect on infiltration once,overland flow becomes stable;(4)the runoff coefficient of the lime-stone soil forestland iS greater than that of the yellow soil forest land,but less than that of the farmland;(5)threeempirical infiltration models,including Horton'model,Kostiakov'model,and modified Kostiakov'model,were compared by using the observed results under rainfall simulation.The results showed that the Kostiakov'model per-formed better than both the Horton'model and modified Kostiakov model.According to the results of this research,the Kostiakov's model Can be used to simulate rainfall infiltration when water erosion is modeled in the peripheral mountainous area of the Sichuan Basin.