下垫面非均匀流域的幂指数TOPMODEL的模拟研究

利用取消流域土壤表层饱和导水率0K、土壤饱和导水率有效衰减系数m和地下水补给速率R为空间均匀假设的幂指数TOPMODEL,对流域水量平衡各分量进行敏感性研究试验,揭示空间非均匀性对幂指数TOPMODEL模拟结果的影响。从特定研究流域所得结果中可得的主要结论有:1)0K、m和R的空间变化对流域的逐日地表径流和基流以及逐日总径流有影响,针对设定的0K、m和R的空间变化,其中m的空间变化较明显地增加了逐日地表径流和洪峰流量。2)就设定的0K、m和R的空间变化而论,对流域多年平均年总径流以及蒸发模拟结果影响不大,但改变了径流在地表径流和基流之间的分配;其中R的空间变化影响最显著,m和0K的空间变化影响则较小。     

基于SWAT模型的汉江流域径流模拟

应用SWAT(Soil and Water Assessment Tool)分布式水文模型对汉江流域1971-2000年30年逐月径流进行了模拟.结果表明:模型模拟精度高于评价标准(模拟效率Ens>0.5,相关系数r 2>0.6),SWAT模型适用于汉江流域的径流模拟;水量平衡各要素中,30年月、年平均蒸散发量、地表径流量、土壤对地下水补给量、土壤含水变化量、地下水侧流量分别占降水量的55.97%、25.88%、17.64%、0.26%、0.25%,蒸散发是该流域水量的主要输出项;各月30年平均降水量变化趋势与地表径流量变化趋势较一致,而与基流量变化趋势一致性较差;30年流域降水量年变化趋势与地表径流量、基流量的变化趋势较一致;30年月、年地表径流量对降水的响应程度高于基流.     

基于CMADS驱动SWAT模型的富春江水库控制流域水量平衡模拟

以富春江水库控制流域为研究区域,利用中国大气同化驱动数据集（CMADS V1.1）驱动SWAT水文模型,对富春江水库控制流域进行了逐日径流模拟,探讨了流域2008-2016年径流变化及水量平衡过程。结果表明：CMADS V1.1数据集驱动SWAT模型对研究区域的径流变化具有较好的模拟效果,在验证期,逐日模拟的效率系数大于0.70,决定系数大于0.75,达到了模型评价标准。在流域水量平衡各项中,地表径流和蒸散发为主要的输出项,分别占降水量的57.2%和36.2%,其中蒸散发量年际变化较为平稳。降水量、地表径流量、土壤对地下水补给、地下侧流量、蒸散发量最大值均出现在6月,最小值均出现在1月。流域径流量以地表径流为主,其在各个月份与月降水变化趋势基本一致。而基流量较小,且各月基流量对降水量的响应并不显著。     

用耦合模型模拟青弋江流域水文对气候变化的响应

用陆面模式SSiB与动态植被模型TRIFFID以及流域地形指数水文模型的耦合模型SSiB4T/TRIFFID模拟了长江下游的青弋江流域植被和水量平衡的动态过程,分析了气温和降水变化对流域径流和蒸发的影响。结果表明：（1）流域气温上升10C,径流减小6.7-9.7%;气温上升20C,径流减小11.7-17.4%;（2）降水增加5%,径流增加9.2-11.6%,降水减小5%,径流减小8.6-11.6%;（3）温度不变仅降水变化对流域蒸发影响很小,温度增加20C,流域总蒸发3-10月份增加8.0-10.7mm,其余月份增加5.4-7.1mm,1月和12月蒸发对温度增加最敏感;（4）气温上升20C,叶面积指数1月和12月增加,5-10月略有减小。降水和气温变化对青弋江流域径流影响明显且与植被类型有关,流域蒸发的变化主要受温度变化的控制。     

2006年汛期VIC水文模型模拟结果分析

利用大尺度陆面水文模型VIC及其汇流模型模拟了2006年5-9月全国0.5°×0.5°逐日径流深和土壤相对湿度分布,对淮河流域2006年汛期(6月28日-7月5日)强降水过程期间的模拟结果进行了渍涝灾害的分析.同时对流域主要水文站逐日流量(0.5°×0.5°)过程进行了模拟,并与实况作了对比分析;并且针对淮河流域不同空间分辨率(0.5°×0.5°及0.1°×0.1°)下主要水文站点的逐日流量过程进行了比较.结果表明:VIC模型模拟的径流深和土壤相对湿度分布与降水分布是一致的,模拟土壤湿度具有可用性.利用累计降水、径流分布和土壤相对湿度及流量变化可以监测渍涝灾害的发生;VIC模型及其汇流模型在一定程度上可以反映出实际流量的变化趋势,模拟流量对降水较敏感,细网格模拟流量在量值上与实况更为接近;模拟结果误差可能跟汇流模型中流域边界的确定、参数率定、气象强迫资料等因素有关.     

基于SWAT模型的洪湖流域供水资源模拟研究

利用SWAT分布式水文模型,对洪湖流域1961—2011年供水资源变化情况进行模拟。结果表明:SWAT模型对洪湖流域供水资源模拟适用性良好。近51 a流域年平均地表径流和降水量增加趋势相当,且降水量峰值对应地表径流和地下径流均较高。流域在1960s、1970s相对偏枯,1980s后降水相对丰沛,流域呈现由干转湿的变化。进入21世纪后,流域又趋于偏枯。流域季节降水量、地表径流、地下径流、蒸散发量及土壤含水量变化最大值均出现在夏季,最小值均出现在冬季,但丰、枯年季节分配不同,各要素月季节分布差异较大。洪湖年均入湖水量呈略增加趋势,春、夏季增加趋势较为明显。     

区域气候模式(RegCM2)与水文模式耦合的数值试验

建立不均匀的地表径流算法，修改RegCM2的径流方案，设计了一个适合与气候模式RegCM2耦合、能模拟水文站流量的汇流模式，模拟了1998年6、7、8月降水的空间分布，分析了该径流方案对降水、地表热量通量、地表径流、土壤湿度产生的影响。结果表明：（1）该方案在模拟1998年长江流域降水空间分布上有一定的合理性，在一定程度上改善了降水量的模拟，其影响大致是总降水量的10％；（2）地表径流方案改变了地面向大气输送的热量通量，这种作用随时间发生变化，这种变化与地表水分的再分配有关；（3）本方案计算的土壤渗透率较强，在暴雨初期，产生径流较少，而在暴雨后期土壤湿度增大，产生的地表径流较大，这一点更符合洪水形成的特点；（4）水文一气候耦合模式模拟了两个长江水文站的流量，模拟值基本反映了实测值的变化趋势，也表明耦合模式基本能反映1998年夏季长江流域大暴雨期间的地表水文过程。     

RCP4.5情景下长江上游流域未来气候变化及其对径流的影响

基于1961—2010年长江寸滩以上流域50个气象站的逐日观测数据和寸滩水文控制站的逐日径流数据,结合流域的地形、土地利用和土壤信息,采用HBV和SWAT水文模型,模拟了流域降水径流定量关系,并利用CCLM区域气候模式,开展了气候变化背景下,寸滩未来径流的可能演变趋势分析。结果表明:HBV和SWAT水文模型都适用于位于湿润地区的长江寸滩以上流域,月径流的模拟Nash-Sutcliffe效率系数都在0.90以上。相比较,SWAT水文模型对于枯水径流的模拟较差,HBV水文模型峰值流量的模拟高于实测。相对于基准期(1986—2005年),RCP4.5情景下,2011—2040年寸滩以上流域平均气温、最高气温、最低气温将明显增加,并呈持续上升趋势;流域降水也有一定的增加,但2030年后呈弱减少趋势。从两类水文模型对径流模拟的集合结果来看,2011—2040年年径流将上升14.2%;而径流量的概率分布尾部特征及径流分位数变化进一步表明,流域的未来峰值流量预计将有所增大。     

TOPMODEL模型在重庆市开县温泉小流域径流模拟中的应用研究

以重庆市开县温泉流域(984km2)为研究区域,利用自动雨量站资料作为TOPMODEL(TOPography based hydrological MODEL)降水一径流模型的输入,以08:00 BST观测的流域出口流量作为模型率定的依据,探讨了用小时面雨量和08:00流量资料和TOPMODEL水文模型进行小流域流量模拟的可行性.结果表明,以08:00流量为依据对TOPMODEL水文模型进行率定后,模型效率系数达到0.872.结果表明,TOPMODEL在所研究的流域基本上是适用的.此工作是自动雨量站资料、天气雷达定量测量降水产品等用于小流域山洪预报的基础工作之一.     

陆面过程模型中垂直非均匀土壤的水分传输及相变的模拟

土壤湿度在陆气相互作用中的重要性体现在它既能影响陆地和大气之间水循环的速率, 又能改变地表的能量分配。本文针对陆面过程模型中描述土壤湿度变化的方程进行了理论分析, 指出在非均匀土壤和冻土中采用土壤水势梯度描述垂直非均匀土壤水分流动的合理性。基于描述土壤内部水热传输的统一土壤模型, 并利用推广的表征土壤水分特征的Clapp-Hornberger关系式, 研究了非冻结和冻结的土壤湿度对于垂直非均匀土壤的敏感性。结果表明, 由土壤质地决定的土壤水势和导水率对土壤湿度的模拟有重要的影响。具体地, 在决定土壤性质的Clapp-Hornberger关系式中, 与土壤质地有关的饱和水势、饱和导水率以及土壤孔隙大小分布指数B, 对土壤湿度的模拟起到了关键作用。参数B的重要性尤为突出, 它的增加会引起导水率的大大下降, 从而对水分在土壤中的垂直分布产生重要影响。饱和水势的绝对值和参数B的增加会使得土壤水势绝对值增加明显, 使土壤的结冰(融化)过程延迟, 土壤温度因为没有结冰(融化)释放(吸收)的潜热加热(冷却)而持续下降(上升), 因此在冻融时期土壤温度会比观测值振幅偏大。上述结果揭示了考虑土壤垂直非均匀性并采用有效的土壤特性参数对于陆面过程模型的重要性。     

2007年3—5月T213与ECMWF及日本模式中期预报性能检验

我国3—5月冷空气活动频繁,温度变化剧烈,且沙尘天气频发。为检验数值模式的预报效果,积累预报经验,对T213模式96小时预报产品进行检验分析,并与ECMWF及日本模式的预报结果进行对比分析。结果表明:T213、ECMWF及日本模式的中期预报性能均较好。相对地,ECMWF在对中高纬度大型环流的调整及副热带高压主体的预报方面,日本模式在对850hPa温度的预报方面能力稍强。另外,选取2007年5月8—10日发生在我国的一次沙尘天气个例,分析发现T213与ECMWF模式对于引发此次沙尘天气的地面强风的中期预报指示意义较好,日本模式稍差。     

GRAPES全球模式的模式误差估计

现代数值天气模式考虑的物理过程和边界条件越来越复杂, 但是它描述的大气状态和真实的大气流体运动轨迹还有一定的差距, 存在模式误差。在以往的研究中, 模式误差往往被忽略, 在集合卡尔曼滤波同化系统中, 如果忽略模式误差会导致滤波发散现象。本文用不同分辨率的模式预报差异估计了GRAPES全球模式的模式误差, 研究发现模式误差随着分辨率降低而线性增加, 而且模式误差随着预报时效的增加呈现线性增长的趋势。     

2007年6—8月T213与ECMWF及日本模式中期预报性能检验

对2007年6—8月T213模式进行天气学检验,并与欧洲中心ECMWF模式及日本模式进行了比较。结果表明:3种模式对亚洲中高纬环流形势的调整演变具有较好的预报性能。综合来看,ECMWF模式对各系统及要素的预报误差最小,最接近实况,日本模式和T213模式稍差,稳定性不如ECMWF模式,特别是T213模式对0709号台风圣帕路径及强度的预报与实况相差较大,而ECMWF模式及日本模式预报较为准确。     

4种蒸发波导模型的对比与分析

蒸发波导模型常用来计算海上蒸发波导高度。为了认识当前不同蒸发波导模型之间的差异和方法,本文选取了目前使用广泛的4种蒸发波导模型(即P-J模型、Babin模型、NPS模型和伪折射率模型)进行对比和分析。本文首先探讨了在理想情况下它们对气象要素的敏感性,随后并利用我国南海近海大气层观测试验数据对比了这4种模型的蒸发波导高度计算结果。分析表明:相对湿度、风速和气—海温差的变化对4种模型的计算都有着较大的影响,特别是在不稳定层结状况下,4种模型计算得到的蒸发波导高度都随着相对湿度的增大而降低、随着风速的增大而增高。Babin模型和NPS模型计算的波导高度较为一致,伪折射率模型与前两种模型的计算结果存在差异,而P-J模型与其他3种模型存在较明显的偏差。基于南海气象数据的计算结果表明,不同蒸发波导模型在该海域蒸发波导的模拟结果略有不同,但4种模型计算得到的波导高度日变化变化趋势较为一致,波导高度极低值常出现在早晨,而极高值常出现在傍晚。     

Coupling of a Regional Climate Model with a Crop Development Model and Evaluation of the Coupled Model across China

In this study, the CERES(Crop Estimation through Resource and Environment Synthesis) crop model was coupled with CLM3.5, the land module of the regional climate model RegCM4. The new coupled model was named RegCM4_CERES; and in this model, crop type was further divided into winter wheat, spring wheat, spring maize, summer maize, early rice, late rice,single rice, and other crop types based on each distribution fraction. The development of each crop sub-type was simulated by the corresponding crop model separately, with each planting and harvesting date. A simulation test using RegCM4_CERES was conducted across China from 1999 to 2008; a control test was also performed using the original RegCM4. Data on crop LAI(leaf area index), soil moisture at 10 cm depth, precipitation, and 2 m air temperature were collected to evaluate the performance of RegCM4_CERES. The evaluation provided comparison of single-station time series, regional distributions,seasonal variations, and statistical indices for RegCM4_CERES. The results revealed that the coupled model had an excellent ability to simulate the phonological changes and spatial variations in crops. The consideration of dynamic crop development in RegCM4_CERES corrected the wet bias of the original RegCM4 over North China and the cold bias over South China.However, the degree of improvement was minimal and the statistical indices for RegCM4_CERES were roughly the same as the original RegCM4.     

对RIEMS模式中陆面过程的一个改进

中尺度区域气候模式RIEMS中陆面过程使用BATS模式,其缺点是土壤内部过程较为简单,本文把10层土壤模式引入BATS,代替原来的二层土壤模式,并采用了TOPMODEL水文模式中的一些处理方法,使土壤温度、水文的计算更为合理,模拟二个个例,每个例均为夏季一个月的模拟,表明在降水、气压场、流场上均较原RIEMS模式为优,因而是对原RIEMS模式一个改进。     

An evaluation of RegCM3_CERES for regional climate modeling in China

A 20-year simulation of regional climate over East Asia by the regional climate model RegCM3_CERES (Regional Climate Model version 3 coupled with the Crop Estimation through Resource and Environment Synthesis) was carried out and compared with observations and the original RegCM3 model to comprehensively evaluate its performance in simulating the regional climate over continental China. The results showed that RegCM3_CERES reproduced the regional climate at a resolution of 60 km over China by using ERA40 data as the boundary conditions, albeit with some limitations. The model captured the basic characteristics of the East Asian circulation, the spatial distribution of mean precipitation and temperature, and the daily characteristics of precipitation and temperature. However, it underestimated both the intensity of the monsoon in the monsoonal area and precipitation in southern China, overestimated precipitation in northern China, and produced a systematic cold temperature bias over most of continental China. Despite these limitations, it was concluded that the RegCM3_CERES model is able to simulate the regional climate over continental China reasonably well.     

辨识方法的计算效率(1):递推算法

算法的计算量可用其乘法运算次数和加法运算次数表示(除法作为乘法对待,减法作为加法对待).一次乘法运算或一次加法运算称为一个flop,即一次浮点运算.作为"辨识方法的计算效率"系列3篇连载论文的第1篇,主要了讨论递推辨识算法的计算量,包括向量和矩阵基本运算的flop数,以及线性回归系统、多元线性回归系统、多变量系统的随机梯度辨识算法、最小二乘辨识算法、递推最小二乘辨识算法的最经济计算量,即实现算法的最少flop数.     

2006年9—11月T213与ECMWF及日本模式中期预报性能检验

为了验证T213模式秋季中期预报产品的性能与质量，对2006年9—11月T213模式96小时中期数值预报产品进行了天气学检验，并与ECMWF、日本模式96小时预报性能做了对比分析检验。结果表明，T213、ECMWF、日本模式对亚洲中高纬度地区大尺度环流形势演变和重大调整过程的96小时预报能力均较强，因此对重大灾害性天气的预报有较好的指示意义。三种模式相比，ECMWF模式对西风指数、850hPa温度、南支槽东移的预报较为准确；2006年11月4—6日的过程预报以日本模式最为吻合；T213模式对具体影响系统的强度、位置、影响时间的预报还存在一定误差。     

2006年9—11月T213与ECMWF及日本模式中期预报性能检验

为了验证T213模式秋季中期预报产品的性能与质量,对2006年9-11月T213模式96小时中期数值预报产品进行了天气学检验,并与ECMWF、日本模式96小时预报性能做了对比分析检验.结果表明,T213、ECMWF、日本模式对亚洲中高纬度地区大尺度环流形势演变和重大调整过程的96小时预报能力均较强,因此对重大灾害性天气的预报有较好的指示意义.三种模式相比,ECMWF模式对西风指数、850hPa温度、南支槽东移的预报较为准确;2006年11月4-6日的过程预报以日本模式最为吻合;T213模式对具体影响系统的强度、位置、影响时间的预报还存在一定误差.