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。     

非均匀地表条件下区域平均径流率的一种参数化方法及其模拟试验

从陆面水文过程的物理机制出发，引进概率统计分布理论，推导出一种由非均匀土壤含水量及降水气候强迫所形成的次网格尺度非均匀径流率的解析表达式，从而将通常的次网格尺度地表径流的参数化方案（mosaic方法）改进为考虑网格区整体非均匀性的统计-动力参数化方案。文中用仿真模拟资料验证了该方案的可靠性与可行性，并作数值试验。结果表明，该方案切实可行。     

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     

降水气候强迫下非均匀地表区域平均径流的一种参数化方案

将任一中尺度区域的平均瞬间径流率考虑为区域平均降水量和地表土壤层水分渗透垦的余项.根据降水量在地理空间上分布的实测资料拟合其空间概率密度函数(PDF),并结合土壤入渗物理过程的数学描述及其经验公式,精确估计出地表土壤渗透率及其空间分布,由此建立区域地表径流率的统计-动力学估计方案.换言之,区域内地表产流率可视为区域平均降水量与区域平均的土壤下渗量之差值,而区域内土壤的平均下渗量又町分为非饱和区和饱和区两部分的下渗量来分别计算.就陆面水分循环的物理过程而言,地表入渗现象是在一定的下垫面特性基础上,由一定的水分供应源而形成的.根据大气降水向地表层输送水分的物理过程,在满足植被表层覆盖需水(截流水)和地表层土壤人渗水基础上,多余的降水量才会形成地表径流.凶此,推求地表产流率的主要关键在于地表土壤层需水量.为此奉文根据土壤水分通量方程推导出水分入渗公式.又从描述土壤水分和降水的空间PDF出发,推导出非均匀土壤含水量及降水气候强迫所形成的次网格尺度区域平均径流率计算公式.利用长江三角洲地区1996年降水量和土壤特性等实测资料建立区域平均地表径流率的估计公式,并对其影响凶素进行敏感性试验.结果表明,该方法与用Mosaic方法计算的区域径流率(或产流率)结果十分接近.由此可见,该文提出的降水气候强迫下非均匀地表区域平均径流的这种统计-动力参数化方案,具有相当的可靠性与可行性.     

蓄满-超渗兼容模型与神经网络模型的应用对比研究

利用鲇鱼山水库1975-1999年的小时降雨、蒸发和入库洪水资料,对建立的蓄满一超渗兼容模型与人工神经网络模型参数进行了率定和检验。分析结果表明,整体上两个模型的率定和检验结果都在评定精度以内,合格率分别为72．22％与83．33％,具有一定的可靠性与预测性。蓄满-超渗兼容模型在整体流量相对误差上要优于神经网络模型;在单场洪水过程及洪峰误差与峰现时差上,神经网络模型模拟得更准确。因此,蓄满-超渗兼容模型较神经网络模型更具有水文基础及物理意义,并且可以作中长期预报。     

陆面模式SSiB耦合TOPMODEL对流域水文模拟影响的数值试验

为了检验陆面模式SSiB耦合TOPMODEL模型对流域水量平衡模拟结果的影响,用原始SSiB与TOPMODEL按饱和区和非饱和区两种方案耦合的耦合模型(下称SSiBT)进行长江下游青弋江流域水文的数值试验,通过耦合模型与原始SSiB模式模拟结果的比较,并利用流域实测逐日流量和水量平衡资料,揭示了流域水文模拟结果对SSiB耦合TOPMODEL的响应和原因.结果表明:(1)与原始SSiB的模拟结果相比,SSiBT增加了土壤湿度的模拟结果和各层土壤湿度之间的差异,流域蒸散发增加而总径流减小.(2)原始SSiB不能准确地将径流在地表径流和基流之间分配,对于较小的土壤饱和导水率,原始SSiB产生过多的地表径流和洪峰流量;对于较大的土壤饱和导水率又产生过多的基流和明显偏小的洪峰流量.(3)即使土壤饱和导水率大到不会产生超渗产流,由于饱和区的存在,SSiBT在洪水期间也能产生足够大的地表径流,从而形成洪峰流量.由于考虑了地形引起的土壤湿度空间非均匀形成的饱和区产流,SSiBT改善了雨季逐日流量的模拟结果.     

论中尺度运动对大尺度模式网格平均的次网格垂直通量的影响

较系统地阐述了中尺度运动对大尺度模式网格平均的次网格通量的影响方式和作用机制 ,提出了在大尺度模式中参数化次网格中尺度通量和地表次网格通量中尺度加强的思想方法 ,初步分析了这些参数化方法的缺陷和局限性 ,对几个在参数化中尺度通量和地表次网格通量中尺度加强时应重点考虑的关键因子提出了建议。最后 ,讨论了参数化非均匀大气的网格平均的次网格通量的一些新的想法及相关问题     

一个用于气候模式的简单冻土过程参数化方案的建立和检验

在NCAR／LSM的基础上，发展了一个简单的冻土过程参数化方案，并使用苏联6个站的水气象观测资料考察了耦合了新方案模式的气候效应。在新方案中，加入了对含冰量的求解和在相变过程中的能量变化;并使用Johanson的方案替代了模式中原有的土壤导热率的参数化方案，考虑了含冰量对土壤水热性质的影响。原模式和改进后模式的模拟结果的比较得到，冻土过程方案能够合理的模拟土壤列中的能量收支及水热性质随含冰量的变化。随着入渗的减少和径流的增加，春季的土壤湿度减小。因此，热通量的分配和土壤温度也产生了相应的变化。     

陆面水文过程研究进展

在简单介绍陆面过程模式和水文模型发展的基础上,阐述了陆面水文过程包括的各种物理过程,介绍了陆面水文模式研究的发展现状,并对国内外进展作了总结。重点介绍了目前国内外用于同气候模式耦合的陆面水文模型,指出了陆面水文过程研究以及与大气模式耦合过程中存在的问题,讨论了陆面水文过程研究的发展方向：应在加强蓄满和超渗两种产流机制兼容的混合产流模型及融雪径流模型的研究的基础上,改进传统水文模型,发展基于传统水文模型的大尺度陆面过程水文模型。     

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     

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.     

陆面过程模式CLASS径流模拟的改进和应用

针对陆面过程模式CLASS(Canadian Land Surface Scheme)产流模拟方面的不足,提出考虑壤中流产流机制的产流模拟方案。利用淮河流域能量和水分循环试验(HUBEX)资料,在史灌河流域对改进前后的模型进行了对比试验。结果表明,产流模拟改进方案大大提高了CLASS的径流模拟能力,同时改善了模式对土壤含水量的模拟。     

澜沧江和怒江流域的气候变化及其对径流的影响

采用VIP（Vegetation Interface Processes）模型和HIMS（Hydro-Informatic Modeling System）模型,模拟分析了1957-2012年澜沧江和怒江流域（简称两江流域）水资源量的演变。根据CMIP5 RCP2.6,RCP4.5和RCP8.5情景预测,模拟了2030年代和2050年代流域水资源的变化。研究发现,过去50年间,两江流域的气温都呈升高趋势,但海拔较高的上游地区升幅大于下游。年总降水量的变化趋势不明显,但春季降水增加趋势明显。两江流域年总水资源量为650亿～ 850亿m3,水资源总量长期变化趋势不明显,其中澜沧江的波动性（1.884,最大与最小之比）大于怒江。空间上水资源量呈现北低－南高的格局。在未来,两江流域气温仍呈增加趋势,降水呈增加趋势,径流呈增加趋势,空间变异性趋小,但较强的季节性变化对水资源安全仍具有较大的挑战性。     

南疆开都河流域夏季径流量的变化及其特征分析

利用RegCM3模式对开都河流域2000-2006年夏季气候进行模拟,结果表明:模式对于流域夏季月降水总量和月平均气温的空间分布有较好的模拟能力。结合站点海拔高度值、实测值以及模拟量分别对降水、气温进行修正,并由此计算流域的面雨量和平均温度;结果表明开都河流域夏季面雨量与开都河同期实测径流量有较好的一致性,R~2达到0.97。对开都河流域夏季平均气温、面雨量以及径流量的分析表明,降水是影响流域夏季径流量的主要影响因子;而气温对于径流呈现负贡献的原因可能由于对温度敏感的小冰川大大减少,致使径流量随着温度增加而增加的关系减弱。此外,气温升高导致流域蒸散量的提高,可能是气温呈现负贡献的又一原因。     

黄河源区径流减少的原因探讨

分析了黄河源区1960~2000年气候变化特点,对蒸发进行了估算,并分析了植被和冻土的变化,对径流在20世纪90年代后明显减少的原因进行了探讨。结果表明,黄河源区气温在20世纪80年代中期后明显增加,降水在90年代偏少,气候向暖干方向发展,但蒸发变化不大,径流减少的直接原因是降水的减少;在90年代后降水强度的减弱也可能是径流减少的重要原因;归一化植被指数(NDVI)数据显示植被在90年代后期呈现退化的趋势,冻土在80年代以后表现出的明显的退化趋势,植被冻土的退化可以使得冻结层上水位下移,土壤水向土壤下层的渗漏增加,也会造成径流的减少。     

长江上游夏季径流量年际增量预测模型及检验

基于1980-2020年长江上游夏季径流量、降水和气温等资料,采用小波分析、最优子集回归等方法,分析径流量、降水量和气温的变化关系,探讨引发径流量变化的前兆气候异常信号,并构建径流量年际增量预测模型.结果 表明:径流量多寡直接取决于流域总降水量,两者表现出显著的准两年周期振荡特征,年际增量之间的相关系数(TCC)为0....     

奎屯河流域气候变化与径流量的关系

对乌苏、沙湾站近43a(1963—2005年)实测气象资料、克拉玛依高空温度、奎屯河将军庙水文站径流量资料进行分析,结果显示,近43a奎屯河流域气候有向暖湿型转型的趋势,同时奎屯河径流量也以0.20×108m3/10a的速率显著增大,奎屯河径流量对流域气候变化有着明显的响应。     

RCP情景下内蒙古黄河流域径流预估及其对水资源的影响

根据内蒙古黄河流域内72个国家气象站观测的1961—2005年和区域气候模式CCLM模拟的1961—2100年的气温和降水数据,采用BP人工神经网络模型,预估分析3种RCP情景下头道拐水文站2011—2100年流量变化,评估未来气候变化对流域水资源的可能影响。结果表明:①2011—2100年内蒙古黄河流域气温升高,降水变化不明显,年平均流量呈减少趋势,RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景分别减少3.6%、2.7%和23.4%。②未来春季流量以增加为主;夏季在不同情景的变化趋势不一致;秋季在21世纪50年代前以增加为主,之后以减少为主;冬季则以减少为主。③未来流域可利用水资源呈减少趋势,尤其夏季水资源的供需矛盾加剧,以及径流季节分配发生变化,可能产生更大的春季径流。     

天山托木尔峰南坡科其喀尔冰川流域径流模拟

天山冰雪融水是塔里木河的重要补给水源。利用融雪径流模型(SRM)对天山南坡科其喀尔冰川流域冰雪径流进行模拟研究。基于流域的气象梯度观测,确定了不同高度带降水梯度和月气温直减率。基于2007和2008年的实测径流值优化确定了各月的积雪、裸冰以及表碛覆盖冰的度日因子值。模拟结果表明,融雪和融冰径流过程都得到了比较好的模拟。流域径流对气候变化的响应研究表明,气温是敏感因子。气温分别升高1℃、2℃和4℃时,以融雪径流为主的3—5月径流分别增加48%、155%和224%,以冰川径流为主的5—10月径流分别增加30%、77%和104%。气候变化也会影响流域径流过程,气温升高4℃、降水增加20%时,春季径流峰值出现时间由5月中旬提前到4月20日左右。流量由6 m3/s增大到17 m3/s。