基于陆面水文耦合模式CLHMS的淮河流域水文过程的模拟评估及其不确定性分析

利用最新的CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)再分析及观测的降水和地表气温资料驱动陆面水文耦合模式CLHMS(Coupled Land surface and Hydrologic Model System),对淮河流域1980~2003年共24年的水文水循环过程进行了模拟,系统评估了CLHMS对淮河流域水文过程的模拟能力及其不确定性。分析结果表明,CLHMS模式对淮河流域水文过程具有良好的模拟能力,模式尤其对湿润年份流域的水量平衡以及河道流量的季节、年际变化具有很强的模拟能力,而对降水偏少的干旱年份,模式模拟的河道流量通常会高于观测实况,与实况间存在着一定的偏差,而这也是导致CLHMS对流域水文过程模拟能力存在显著年代际差异的主要原因。基于三组不同降水强迫的流域水文过程模拟结果比较表明,降水驱动资料准确与否是陆面水文模拟最主要的不确定性来源之一,正是由于CFSR再分析降水与观测降水之间存在较大的差异,从而导致CFSR降水驱动下模式模拟的淮河流域河道流量与观测存在较大的偏差,其模拟性能相对较差。进一步分析还表明,可以保持较强降水日变化的时间解集方法,也是保证合理模拟流域水文过程的重要因素。     

基于HBV模型的淮河流域洪水致灾临界雨量研究

根据流域暴雨洪水致灾机制,文章提出了考虑前期基础水位的动态致灾临界雨量指标,并以淮河上游地区为例,基于HBV水文模型建立了降水-流量-水位关系,并根据这种关系确立了临界雨量确定的方法流程.首先基于历史水文数据率定和验证模型,得到适用于研究区的最优化模型参数,然后构建洪水上涨期水位流量关系,最后以是否达到致灾水位为标准,通过模型试算并结合水位流量关系曲线反推出致灾临界雨量值.在淮河上游地区的研究中,利用2002-2009年逐日气象水文数据对HBV模型进行了参数率定和检验,并针对洪水过程进行了参数优化,经过率定后HBV模型对王家坝以上流域具备较好的适用性,对典型洪水过程模拟的确定性系数和NASH效率系数均在0.8以上;根据王家坝站实测流量水位数据,构建了概化的单一关系曲线;结合HBV模型和水位流量关系得到了王家坝以上流域的动态致灾临界雨量指标,临界雨量值随前期基础水位升高而减小,并且随着前期水位的变化,临界雨量值呈现了明显的非线性响应特征.     

基于GRAPES的气象-水文模式在淮河流域的一次试验

Global-regional assimilation and prediction system(GRAPES)模式为中国气象局于2000年开始组织研究开发的数值预报系统,GRAPES_Meso模式是其区域中尺度数值预报系统版。GRAPES_Meso中的陆面模式选取的是Noah-Land Surface Model(NOAH-LSM)模式。NOAH-LSM陆面模式选取Simple Water Balance(SWB)对陆面水文过程进行描述。SWB是一个简单水量平衡模型,不能完整地描述陆面水文过程,特别是对径流的模拟存在不足。随着GRAPES_Meso模式不断的发展,对预报能力的要求逐渐提高,对其陆面模式中产流过程的描述也需要进一步的研究。本文中所应用的改进陆面水文过程的NOAH-LSM陆面模式,借鉴了水文模型的思想,利用蓄水容量曲线描述单元网格内产流面积的变化,并在模式中增加Muskingum汇流模块,完整陆面模式水文循环。将原GRAPES模式和改进陆面水文过程的GRAPES模式分别与新安江模型进行单向耦合,选取模式TS评分相差不大的试验流域——淮河流域上游控制站王家坝站,进行流量模拟对比。从试验结果可以看出,改进后的模式在洪量相对误差、洪峰相对误差、确定性系数上均优于原模式,并为未来利用水文模型对降水落区检验进行了探索性研究。     

山洪灾害风险雨量评估方法研究

“Floodarea”为德国Geomer公司开发的水动力淹没模型,该模型以GIS栅格数据为基础并根据曼宁公式建立二维水动力动态演进。上清溪流域为福建山区无水文资料的典型小流域,选其作为研究对象,根据流域境内及周边气象站的降水记录采用泰森多边形法计算暴雨过程中流域的逐时面雨量,根据地表覆盖类型数据计算流域的地表产流系数及地表水力糙度。根据降水资料及1：10000数字高程模型,利用“Floodarea”对该流域内2010年6月18日的洪水过程进行再现淹没模拟;通过对比洪水过程中受灾点的实际淹没水位和模拟水位的差异,修改地表产流系数和地表水力糙度2个参数,从而对模拟过程中水流速度及淹没水深进行调整。结果表明,模拟洪水过程中受灾隐患点处最高淹没水深及时间与实际过程基本一致,达到了较好的模拟效果。通过分析流域洪水过程模拟结果中受灾点的逐时淹没水深与流域逐时面雨量的相关关系,可进一步推算流域受灾隐患点处不同等级淹没水深的临界雨量。     

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HBV模型的太子河流域致洪临界雨量的确定

以太子河流域为研究区域,基于流域内的气象水文数据、数字高程模型及土地利用等资料,采用HBV水文模型对流域的水文过程进行模拟,通过对模型参数的率定与验证,评估了HBV模型在该流域径流模拟的适用性,确定了适合太子河流域的最优化参数,结合水位-流量关系曲线,推算太子河流域不同等级洪水致洪临界雨量。结果表明: HBV模型对太子河流域的径流模拟效果较好,率定期与验证期Nash效率系数与确定性系数均超过0.60,模型中积雪和融雪模块(CFR)、土壤含水量计算模块(BETA)与响应模块(KUZ2、UZ1、PERC)中的这些参数最为敏感,模型基本模拟出了洪水对降水的响应过程。通过建立的HBV水文模型,结合小林子水文站的水位-流量关系曲线,以警戒水位、保证水位作为不同等级洪水的判别条件,推算得到了不同起始水位下太子河流域动态临界雨量指标,临界雨量随起始水位的升高而有所减小。     

HBV模型在汉江流域的适用性研究

利用区域气象资料、水文资料、土地利用资料,运用HBV模型对陕西安康水电站上游汉江流域进行日径流深模拟并尝试确定致灾临界面雨量值。结果表明:HBV模型在安康水电站上游流域具有较好的适用性,在率定期模型对日径流深模拟的确定性系数为0.84,Nash效率系数为0.72,验证期确定性系数为0.87,Nash效率系数为0.75;通过安康水电站逐日水位资料,根据不同基础水位,确定了安康水电站上游流域24h临界面雨量值,此值可为水电站汛期防汛泄洪工作提供有益参考。     

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。     

分布式水文-土壤-植被模式的改进及气候水文Off-line模拟试验

文中对引进的高分辨率 (94 2 .5m× 94 2 .5m)分布式水文 土壤 植被模式 (DHSVM) ,针对海、滦河流域的特点进行了改进 ,主要包括 :(1)改变蒸散发模拟方法 ,用改进的Penman Monteith模式模拟海滦河流域的蒸发 ,较好地模拟出 1a内的两个峰值 ,最大值出现在 4～ 6月 ,次大值出现在 7～ 8月 ;(2 )改变水文模式结构 ,用多站点气候观测资料内插到模式网格点 ,充分实现了分布式水文模拟 ;(3)发展新的水文、植被、土壤参数化方案 ,对 33个参数分区计算和确定 ,并重点对土壤孔隙度 φ、土壤蓄水能力θfc、叶面指数LAI、随机阻抗γs 等 11个参数进行调试和修订 ,提高了水文模拟精度。用改进的DHSVM模式分别对滦河、桑干河流域蒸散发、地下水位、土壤湿度、土壤水下渗、产流、汇流与径流等水文过程进行Off line模拟试验 ,模拟结果与实测值一致性较好 ,滦河流域 1979～ 1991年、桑干河流域 1979～ 1987年水文模拟效率系数分别为 0 .89和 0 .82 ,均高于国内其他相关研究     

暴雨致洪预报系统及其评估

该文研发了基于CREST V2.1分布式水文模型的暴雨致洪预报系统,应用中国气象局降水业务产品,开展全国0.125°×0.125°的逐日洪水预报和区域30"×30"的逐时洪水预报。其中,全国洪水预报以松花江、辽河、海河、黄河、淮河、长江、东南诸河、珠江、西南诸河和西北诸河十大水资源分区的典型流域为研究对象,区域洪水预报以淮河流域为研究对象。以模拟和观测流量之间的效率系数为目标函数,采用SCE-UA方法分别对全国和区域洪水预报模型的参数分流域进行率定。评估参数率定前后模型对效率系数、相关系数和相对偏差的改进程度,并对参数率定后的模型进行检验。结果表明:率定后的模型能够重现控制水文站的实测洪水过程,与率定前相比,效率系数和相对偏差有显著改进,相关系数有较大改进。系统符合业务需求,具有较好的预报精度和时效性,具备业务应用能力。     

MACROSCALE HYDROLOGICAL MODELING OVER THE HUAIHE RIVER BASIN

The Xin'anjiang Model is used as the basic model to develop a monthly grid-based macroscalehydrological model for the assessment of the effects of climate change on water resources.Themonthly discharge from 1953 through 1985 in the Huaihe River Basin is simulated.The sensitivityanalysis on runoff is made under assumed climatic scenarios.There is a good agreement betweenthe observed and simulated runoff.Due to the increase of time interval and decrease ofprecipitation intensity on monthly time scale,there is no monthly runoff in some model girds as themomhly hydrological model is applied to the Huaihe River Basin.Two methods of downscalingmonthly precipitation to daily resolution are validated by running the Xin'anjiang model withmonthly data at a daily time step.and the model outputs are more realistic than the monthlyhydrological model.The metbods of downscaling of monthly precipitation to daily resolution mayprovide an idea in solving the problem of the shortage of daily data.In the research of the climatechange on water resources,the daily hydrological model can be used instead of the monthly one.     

作物生长对流域水文过程与区域气候的影响

利用区域气候模式RegCM3以及考虑作物生长过程的耦合模式RegCM3_CERES对东亚区域进行20年模拟,研究作物生长对流域水文过程与区域气候的影响。结果表明：考虑作物生长过程的耦合模式模拟海河流域、松花江流域、珠江流域多年平均降水效果明显改进,在除黑河流域外的各流域模拟的温度负偏差有所减小,其中在海河流域、淮河流域的夏季改进尤为明显。各流域夏季（6、7、8月）月蒸散量最高,其中长江流域、海河流域、淮河流域、珠江流域的夏季月蒸散量基本上在100 mm左右,并且七大流域蒸散发的季节变化趋势跟总降水基本一致。多数流域考虑作物生长过程的耦合模式模拟得出蒸散发减少且进入的水汽增加,导致局地水循环率减小;黑河流域与黄河流域降水有所增加,其他流域均有不同程度的减小。针对长江流域,比较耦合模式RegCM3_CERES与模式RegCM3模拟结果显示,叶面积指数减少1.20 m²/m²,根区土壤湿度增加0.01 m³/m³,进而导致潜热通量下降1.34 W/m²（其中在四川盆地地区减少16.00 W/m²左右）,感热通量增加2.04 W/m²,从而影响到降水和气温。     

Applying a coupled hydrometeorological simulation system to flash flood forecasting over the Korean Peninsula

In flash flood forecasting, it is necessary to consider not only traditional meteorological variables such as precipitation, evapotranspiration, and soil moisture, but also hydrological components such as streamflow. To address this challenge, the application of high resolution coupled atmospheric-hydrological models is emerging as a promising alternative. This study demonstrates the feasibility of linking a coupled atmospheric-hydrological model (WRF/WRFHydro) with 150-m horizontal grid spacing for flash flood forecasting in Korea. The study area is the Namgang Dam basin in Southern Korea, a mountainous area located downstream of Jiri Mountain (1915 m in height). Under flash flood conditions, the simulated precipitation over the entire basin is comparable to the domain-averaged precipitation, but discharge data from WRF-Hydro shows some differences in the total available water and the temporal distribution of streamflow (given by the timing of the streamflow peak following precipitation), compared to observations. On the basis of sensitivity tests, the parameters controlling the infiltration of excess precipitation and channel roughness depending on stream order are refined and their influence on temporal distribution of streamflow is addressed with intent to apply WRF-Hydro to flash flood forecasting in the Namgang Dam basin. The simulation results from the WRF-Hydro model with optimized parameters demonstrate the potential utility of a coupled atmospheric-hydrological model for forecasting heavy rain-induced flash flooding over the Korean Peninsula.     

南渡江流域暴雨洪涝致灾临界面雨量的确定

基于海南省南渡江流域龙塘水文站1976—1987年和2009—2010年的逐日气象水文资料,采用HBV-D水文模型,通过对模型参数率定和验证,确定了适合南渡江流域的HBV-D水文模型最优化参数。结果表明:该模型在1976—1981年率定期、1982—1987年验证期和2009—2010年验证期的Nash-Sutcliffe效率系数分别为0.891,0.831,0.953,相关系数分别为0.944,0.912,0.977,达到了0.01显著性水平。通过建立的南渡江流域HBV-D水文模型进行模型反演,确定了不同前期水位 (7 m,8 m,9 m,10 m,11 m) 的面雨量和水位关系,根据龙塘水文站的警戒水位、10年重现期水位、30年重现期水位、50年重现期水位作为不同等级预警的临界判别条件,最终确定了不同前期水位的致灾临界面雨量指标。     

索马里越赤道气流与淮河流域夏季降水关系的年代际增强

基于1961~2016年淮河流域172个测站逐日降水资料,分析了淮河夏季降水的多时间尺度变率,发现其具有显著的准两年周期,1990年代以来亦呈现出明显的年代际变化。EOF分析结果显示,淮河夏季降水的异常主要表现为全流域一致偏多或偏少型（第一模态）,其方差贡献高达37%。相比于长江中下游地区,淮河夏季降水与东亚500 hPa位势高度场上的EAP遥相关型关系很弱,但和对流层低层西南水汽输送有更好的对应关系,表现为从索马里半岛至淮河流域的多个正负交替的相关波列。这一波列表明当索马里越赤道气流加强时,通过热带印度洋西风的纽带作用加强了进入淮河流域的西南暖湿气流,并在淮河上空低层形成水汽辐合,造成淮河多雨,反之当索马里越赤道气流强度弱时,淮河夏季降水偏少。索马里越赤道气流和中国台站降水的空间相关同样显示出最显著的相关区位于淮河流域。进一步的分析发现,研究时段内二者关系并非稳定维持,而是表现出显著的年代际变化,近二十年来索马里越赤道气流对淮河流域夏季降水的影响明显增强,且在季节预测上的指示意义也在增强。这一增强的可能原因是索马里越赤道气流与流域南侧的经向水汽输送和西侧的纬向水汽输送的关系均发生了年代际反转,并且这两条水汽输送带对流域夏季降水的影响发生了年代际增强。     

WRF/Chem模式中两种起沙参数化方案对东亚地区一次强沙尘暴过程模拟的影响

利用耦合了GOCART和Shao04两种起沙参数化方案的WRF/Chem模式对2002年3月19~22日发生在东亚地区的强沙尘暴过程进行模拟,着重考察了不同起沙方案对沙尘暴过程模拟的影响。结果表明,耦合了两种不同方案的WRF/Chem总体上均能较合理地模拟出主要的起沙区域、起沙强度的变化以及沙尘浓度的时空演变特征,模式对沙尘源地附近及下游地区地面沙尘浓度时间变化特征的模拟与站点观测结果也十分接近。但总体说来Shao04方案对沙尘起沙的发生以及强度变化过程具有更好的模拟能力,该方案模拟的沙尘浓度与观测更为一致,整体性能要优于GOCART方案。进一步分析发现,由于GOCART方案中采用的临界起沙风速偏小,导致该方案下模拟的沙尘分布范围偏大;另外该方案忽略了蒙古东南部和内蒙古中东部的潜在沙尘源地,从而使得耦合了GOCART方案的模式未能模拟出上述区域的起沙过程,使得该区域及下游地区模拟的沙尘浓度也偏小。但在塔里木盆地,Shao04方案计算的起沙通量偏小,这可能与Shao04方案未能考虑风速较小情况下空气拖曳力夹卷作用对起沙的影响有关,也可能与该方案中采用的土壤质地数据不准确有关。     

基于SWAT模型分析淮河流域中上游水量平衡要素对气候变化的响应

本研究在对SWAT模型进行参数化的基础上,采用淮河干流吴家渡和鲁台子水文控制站1971-1990年和1991-2014年的月径流观测数据对SWAT模型进行了率定和验证。模拟效果评估结果显示：不论是率定期还是验证期,Nash-Sutcliffe系数Ens和确定系数R2均>0.8,相对误差Re<1%,模型能够较好地再现月尺度的降雨-径流过程。淮河中上游年径流深线性变化趋势不明显,但子流域空间差异显著,径流深上游及南部呈线性减小趋势,其他子流域呈增大趋势。从年水量平衡要素来看,蒸散量和渗漏量对水量平衡贡献最大。主成分分析表明,平均气温、降水量及蒸散量是淮河中上游水文要素变化的关键因子。剔除人为因素的影响,1971-2014年淮河中上游地区水资源量呈减少趋势,这可能是年平均气温升高、年降 水量略有减少以及年蒸散量减少综合作用的结果。本文研究成果可为淮河中上游水资源管理和相关政策的制定提供技术支撑。     

Simulated Hydrologic Responses to Climate Variations and Change in the Merced, Carson, and American River Basins, Sierra Nevada, California, 1900–2099

Hydrologic responses of river basins in the Sierra Nevada of California to historical and future climate variations and changes are assessed by simulating daily streamflow and water-balance responses to simulated climate variations over a continuous 200-yr period. The coupled atmosphere-ocean-ice-land Parallel Climate Model provides the simulated climate histories, and existing hydrologic models of the Merced, Carson, and American Rivers are used to simulate the basin responses. The historical simulations yield stationary climate and hydrologic variations through the first part of the 20th century until about 1975 when temperatures begin to warm noticeably and when snowmelt and streamflow peaks begin to occur progressively earlier within the seasonal cycle. A future climate simulated with business-as-usual increases in greenhouse-gas and aerosol radiative forcings continues those recent trends through the 21st century with an attendant +2.5 °C warming and a hastening of snowmelt and streamflow within the seasonal cycle by almost a month. The various projected trends in the business-as-usual simulations become readily visible despite realistic simulated natural climatic and hydrologic variability by about 2025. In contrast to these changes that are mostly associated with streamflow timing, long-term average totals of streamflow and other hydrologic fluxes remain similar to the historical mean in all three simulations. A control simulation in which radiative forcings are held constant at 1995 levels for the 50 years following 1995 yields climate and streamflow timing conditions much like the 1980s and 1990s throughout its duration. The availability of continuous climate-change projection outputs and careful design of initial conditions and control experiments, like those utilized here, promise to improve the quality and usability of future climate-change impact assessments.