基于降水气候强迫的一种地表径流估计方法

文中从地表水分平衡的物理机制出发 ,引进降水概率统计分布理论 ,推导出一种由降水气候强迫形成的次网格尺度非均匀径流率计算方法。应用于mosaic方案 ,可进一步计算区域平均径流及产流和汇流。试验证明 ,对于不同物理性质的地表而言 ,由于其土壤入渗能力的差异 ,相同降水气候强迫所能生成的径流量及其相对比值是不同的 ,例如干旱区与湿润区就有很大差异。同时 ,不同空间分布概率的降水量 ,不同站点的地表性质、土壤水力学条件等物理因素的千变万化 ,可使径流特征的空间分布具有很大变异性。因上述各种因素的综合影响 ,由降水气候强迫所形成的地表径流具有特定的非均匀分布是必然的。文中用实测资料验证了其可靠性与可行性     

具有Horton及Dunne机制的径流模型在VIC模型中的应用(英)

地表径流主要由蓄满(Dunne)和超渗产流(Horton)机制产生;土壤性质的空间变异性、前期土壤水、地形及降水的空间变异性导致不同的径流机制。在研究区域或模型网格内,蓄满产流及超渗产流可能同时出现,缺乏考虑任何一种机制以及土壤性质的次网格空间变率可能导致地表径流的过高或过低估计,从而影响土壤水的计算。利用Philip入渗公式用于时间压缩逼近(TCA)给出了一种径流参数化方法,该方法可以动态实现模型网格中的Horton及Dunne产流机理,它考虑了土壤空间变异性对Horton和Dunne径流的影响。该径流模型应用到基于水文原理的陆面过程模型VIC,在淮河流域及美国宾西法尼亚州的一个流域进行了测试,结果表明:新的参数化方法对地表径流和土壤水分含量的分配起着重要作用,对于改进径流和土壤水的模拟有重要意义。     

半干旱榆中地区最小有效降水量及降水转化率的研究

有效降水对于土壤水分的补充和农作物的生长来说是一个很重要的概念。通常认为大于5 mm的降水即为有效降水。但是有效降水的影响因素很多,在不同的地理环境和气候背景条件下,最小有效降水量也会有所不同。利用2006年6月—2011年3月兰州大学半干旱气候与环境观测站资料,从土壤湿度变化的角度出发,根据有效降水的定义,对甘肃榆中地区的最小有效降水量做了初步研究。通过分析该地区不同季节、温度和植被条件下不同土壤深度最小有效降水量,发现5、10、20 cm土壤层的最小有效降水量分别为4、5、8 mm。季节分布上,各层土壤最小有效降水量均为夏季最高,春季和秋季值较为接近。高温年的最小有效降水量高于低温年的值,生长季高于非生长季。在降水超过最小有效降水量并且量级较小时,随着降水量的增大,土壤湿度增量呈指数形式增大,这时降水的转化率也较高;而当降水达到一定量级时,超过了土壤的入渗率,水分以径流的形式损失,土壤湿度增量的变化率减小,降水的转化率也趋于一定值。0—20 cm土壤层降水转化率达到70%。     

具有Horton及Dunne机制的径流模型在VIC模型中的应用

地表径流主要由蓄满(Dunne)和超海产流(Horton)机制产生；土壤性质的空间变异性、前期土壤水、地形及防水的空间变异性导致不同的径流机制。在研究区域或模型网格内，蓄满产流及超渗产流可能同时出现，缺乏考虑任何一种机制以及土壤性质的次网格空间变串可能导致地表径流的过高或过低估计，从而影响土壤水的计算。利用Philip入渗公式用于时间压缩逼近(TCA)给出了一种径流参数化方法，该方法可以动态实现模型网格中的Horton及Dunne产流机理，它考虑了土壤空间变异性对Horton和Dunne径流的影响。该径流模型应用到基于水原理的陆面过程模型VIC，在淮河流域及美国宾西法尼亚州的一个流域进行了测试，结果表明：新的参数化方法对地表径流和土壤水分含量的分配起着重要作用，对于改进径流和土壤水的模拟有重要意义。     

区域气候模式中地表径流方案的数值试验

建立了不均匀的地表径流算法,修改了RegCM2中径流方案,这一算法适用于疏松土壤和紧密土壤.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年夏季大暴雨期间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本文提出的方案在模拟1998年长江流域夏季大暴雨期间降水的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%左右.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能力较强.在暴雨的初期,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.     

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。     

地表非均匀性对区域平均水分通量参数化的影响

次网格尺度地表非均匀性对于网格区平均通量具有重要影响。若将网格区视为均一地表 ,并不能真实描述地 气通量交换过程 ,且可造成很大误差。文中从理论上证明 ,区域平均水分通量的变化率可分解为两部分 :第一部分为区域水分通量的算术平均变化率 ;第二部分为非均匀性所引起的水分通量变化率扰动 ,它与区域内土壤水分空间分布的变差系数有关。数值试验表明 ,地表土壤水分的水平空间变差系数集中反映了区域内土壤水分分布的非均匀程度 ,不同土壤对同样的非均匀程度其敏感性是不同的。变差系数愈大 ,非均匀性愈强 ,在相同的土壤水分平均值下 ,不同土壤类型对地表非均匀程度的敏感性并不相同。例如沙土和粘土受非均匀性的影响就可相差数十倍。     

青海海北地区基于自然降水的土壤墒情反演分析

海北地区是干旱易发区,土壤墒情的监测预测对于指导抗旱具有重要意义。利用自然降水数据,结合土壤物理参数,建立了海北地区土壤反演模型。分析表明:表层土壤水分随降水量变化显著,深层土壤变化一般,但在发生干旱时土壤水分与降水匹配较好;浅层土壤体积含水率与旬降水量之间相关性在0.70以上,且均通过了显著性检验;自动站土壤体积含水率数据基本能够代表土壤墒情状况,与人工观测数据具有较好的线性关系;土壤墒情反演值与实测值相关性在0.79以上。     

降雨后土壤入渗规律分析方法初探

用喷灌模拟降水的土壤水分实测资料，分析了黄土高原中壤土和紧砂土在裸地和小麦地两种地段上小到中雨、大雨和暴雨三种不同降水类型条件下降水入渗后土壤中的水分分配模型，试图探索出一种分析降雨条件下土壤入渗规律的新方法。     

土壤有效水分与气象条件的关系

在自然条件下,土壤水分主要受环境条件制约。为探索作物耕作层(0—30cm土层)内土壤有效水分含量的变化与气象条件的关系,对土壤有效含水量与气温、降水量、日照以及空气湿度等的关系进行初步分析。 1.土壤有效含水量与气温及降水的关系 自然条件下降水是土壤水分的最主要的来源,     

Implementation of a Surface Runoff Model with Horton and Dunne Mechanisms into the Regional Climate Model RegCM_NCC

A surface runoff parameterization scheme that dynamically represents both Horton and Dunne runoff generation mechanisms within a model grid cell together with a consideration of the subgrid-scaie soil heterogeneity, is implemented into the National Climate Center regional climate model （RegCM_NCC）. The effects of the modified surface runoff scheme on RegCMANCC performance are tested with an abnormal heavy rainfall process which occurred in summer 1998. Simulated results show that the model with the original surface runoff scheme （noted as CTL） basically captures the spatial pattern of precipitation, circulation and land surface variables, but generally overestimates rainfall compared to observations. The model with the new surface runoff scheme （noted as NRM） reasonably reproduces the distribution pattern of various variables and effectively diminishes the excessive precipitation in the CTL. The processes involved in the improvement of NRM-simulated rainfall may be as follows： with the new surface runoff scheme, simulated surface runoff is larger, soil moisture and evaporation （latent heat flux） are decreased, the available water into the atmosphere is decreased; correspondingly, the atmosphere is drier and rainfall is decreased through various processes. Therefore, the implementation of the new runoff scheme into the RegCMANCC has a significant effect on results at not only the land surface, but also the overlying atmosphere.     

Incorporating groundwater dynamics and surface/subsurface runoff mechanisms in regional climate modeling over river basins in China

To improve the capability of numerical modeling of climate-groundwater interactions, a groundwater component and new surface/subsurface runoff schemes were incorporated into the regional climate model RegCM3, renamed RegCM3_Hydro. 20－year simulations from both models were used to investigate the effects of groundwater dynamics and surface/subsurface runoff parameterizations on regional climate over seven river basins in China. A comparison of results shows that RegCM3_Hydro reduced the positive biases of annual and summer (June, July, August) precipitation over six river basins, while it slightly increased the bias over the Huaihe River Basin in eastern China. RegCM3_Hydro also reduced the cold bias of surface air temperature from RegCM3 across years, especially for the Haihe and the Huaihe river basins, with significant bias reductions of 0.80C and 0.88C, respectively. The spatial distribution and seasonal variations of water table depth were also well captured. With the new surface and subsurface runoff schemes, RegCM3_Hydro increased annual surface runoff by 0.11－0.62 mm d－1 over the seven basins. Though previous studies found that incorporating a groundwater component tends to increase soil moisture due to the consideration of upward groundwater recharge, our present work shows that the modified runoff schemes cause less infiltration, which outweigh the recharge from groundwater and result in drier soil, and consequently cause less latent heat and more sensible heat over most of the basins.     

甘肃马衔山区陆面过程与降水的研究

采用定西的麦田微气象观测,定西、兰州的辐射观测和马衔山区34个气象、水文和雨量站的气候资料,结合NOAA-16卫星的AVHRR资料以及反演的地表植被盖度和反射率,并用SEBAL算法推导出夏季地表净辐射、感热、潜热、土壤热通量密度的区域分布特征,并分析陆面过程对降水的影响。结果表明:本区降水的空间分布与夏季植被盖度对应最好,相关系数高达0.722,其次是土壤热通量和潜热通量,相关系数分别为-0.65和0.615。这表明森林通过降低地表反射率和表面温度,不仅增加地表净辐射,而且减少其用于感热和土壤热通量的消耗。由于林区地表水分多,从而将接收较多的太阳辐射能主要用于蒸散,增加边界层中的水汽。故林区降水远大于植被稀疏的半干旱黄土梁。     

Climate Changes in the 21st Century over the Asia-Pacific Region Simulated by the NCAR CSM and PCM

The Climate System Model (CSM) and the Parallel Climate Model (PCM), two coupled global climate models without flux adjustments recently developed at NCAR, were used to simulate the 20th century climate using historical greenhouse gas and sulfate aerosol forcing. These simulations were extended through the 21st century under two newly developed scenarios, a business-as-usual case (BAU, CO2≈710 ppmv in 2100) and a CO2 stabilization case (STA550, CO2≈540 ppmv in 2100). The simulated changes in temperature, precipitation, and soil moisture over the Asia-Pacific region (10°-60°N, 55°-155°E) are analyzed, with a focus on the East Asian summer monsoon rainfall and climate changes over the upper reaches of the Yangtze River. Under the BAU scenario, both the models produce surface warming of about 3-5℃ in winter and 2-3℃ in summer over most Asia. Under the STA550 scenario, the warming is reduced by 0.5-1.0℃ in winter and by 0.5℃ in summer. The warming is fairly uniform at the low latitudes and does not induce significant changes in the zonal mean Hadley circulation over the Asia-Pacific do main. While the regional precipitation changes from single CSM integrations are noisy, the PCM ensemble mean precipitation shows 10%-30% increases north of ～ 30°N and ～ 10% decreases south of ～ 30°N over the Asia-Pacific region in winter and 10%-20% increases in summer precipitation over most of the region. Soil moisture changes are small over most Asia. The CSM single simulation suggests a 30% increase in river runoff into the Three Gorges Dam, but the PCM ensemble simulations show small changes in the runoff.     

近20年华北地区土壤水储量变化趋势及水分管理与调配对策

从35个台站土壤湿度实测资料出发,探讨了近20年华北地区土壤水储量变化趋势及时空特征。结果表明:全区年平均0~50 cm土壤水储量总体呈减少趋势,但区域差异明显。土壤变干最显著的两个中心区域分别为京津塘地区和山西西部,次显著中心为内蒙古东部。在0~50 cm深度范围内,从地表面开始,随深度增加,土壤水储量的减少幅度逐渐增加,且季节特征明显,即春秋季减少幅度大于夏冬季。各分区土壤水储量的变化趋势呈现出显著的年代际特征,就0~50 cm土壤水储量而言,各分区存在一个共同特点:1995~2002年均呈明显的波动下降变化趋势。土壤变干的趋势,对华北地区农业和生态具有一定的不利影响,因此结合区域实际提出相应的水分管理与调配措施。     

A sensitivity study on the role of the swamps of southern Sudan in the summer climate of North Africa using a regional climate model

We used the regional climate model RegCM3 to investigate the role of the swamps of southern Sudan in affecting the climate of the surrounding region. Towards this end, we first assessed the performance of a high resolution version of the model over northern Africa. RegCM3 shows a good skill in simulating the climatology of rainfall and temperature patterns as well as the related circulation features during the summer season, outperforming previous coarser resolution applications of the model over this region. Sensitivity experiments reveal that, relative to bare soil conditions, the swamps act to locally modify the surface energy budget primarily through an increase of surface latent heat flux. Existence of the swamps leads to lower ground temperature (up to 2 °C), a larger north–south temperature gradient, and increased local rainfall (up to 40 %). Of particular importance is the impact on rainfall in the surrounding regions. The swamps have almost no impact on the rainfall over the source region of the Nile in Ethiopia or in the Sahel region; however, they favor wetter conditions over central Sudan (up to 15 %) in comparison to the bare desert soil conditions.     

植被变化对中国区域气候的影响Ⅱ:机理分析

在利用区域气候模式（RegCM2）对中国植被变化的气候影响进行了数值模拟研究的基础上,该文着重对其中可能的机理进行了分析,结果表明:植被变化对地-气系统的能量平衡具有重要影响。植被变化使地表释放的有效通量（感热+潜热）发生变化,同时有效通量中的感热。潜热分配,即波恩比亦会发生改变,从而导致大气湿静力能分布的变化,使大气层结及垂直运动发生相应改变,这会进一步影响到大气水汽输送情况,井与相应的垂直运动变化结合最终导致降水的变化。另外,由于植被变化造成的地表蒸散及上壤持水能力的变化,会使土壤含水量、地表径流等也发生明显的变化。