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     

GRAPES NOAH-LSM陆面模式水文过程的改进及试验研究

土壤含水量的计算影响着陆面过程的能量平衡和水量平衡,是陆面模式的核心计算要素之一。目前,GRAPES_Meso模式采用的NOAH-LSM(Noah-Land Surface Model)陆面模式既不能有效地表达径流产源面积的变动情况,也不能完整描述水文循环过程。本次试验针对以上问题对其进行了改进:(1)加入蓄水容量曲线,考虑网格内产流面积的变化及土壤含水量的不均匀性;(2)加入汇流模式,以考虑水平二维水分再分配,提高模式对径流和流量模拟能力。选取2008年8月至9月降水进行模拟试验,研究陆面水循环过程对近地面气象要素的影响。结果表明:改进后的模式模拟土壤湿度、2 m温度等近地面气象要素更接近观测值,并最终对降水量以及降水落区也产生了一定的影响。     

区域气候模式对中国东部夏季气候的模拟试验

在美国国家大气研究中心第二代区域气候模式(NCAR/RegCM2)的基础上,通过改进其中的陆面过程、积云对流、辐射传输和边界层等物理过程的参数化方案,发展了一个有多种方案选择的改进的区域气候模式.分别利用原区域气候模式和改进的区域气候模式,对1994年和1998年夏季的异常季风降水过程进行了数值模拟试验,并与观测结果进行了比较.结果表明,新方案模拟的1994年夏季的雨带位置与实际位置非常一致,而原区域气候模式模拟的雨带都位于中国北方地区,与观测的差别较大.从环流场的模拟比较也可以看出,新方案模拟的1994年和1998年夏季环流形势都比原方案的结果更为合理.     

辐射参数化方案对气候模拟和回报的影响

研究两种不同辐射参数化方案(Morcrette 方案和Ritter方案)对一个大气环流模式及其与一个海洋环流模式的耦合模式的模拟和回报效果的影响. 大气模式的模拟结果表明,采用Morcrette方案模拟的降水较采用Ritter方案有明显改进.采用Morcrette辐射方案的大气模式对夏季500 hPa高度场的模拟比采用Ritter方案的大气模式有明显改进,但对冬季500 hPa高度场的模拟没有改进.大气-海洋耦合模式的20年夏季回报结果表明采用Morcrette方案回报的夏季降水在华北和江淮地区明显比采用Ritter辐射方案好;对于夏季温度,带有Morcrette方案的耦合模式的回报在江淮地区没有带有Ritter方案的耦合模式好,但在黄河以北和新疆等地区,前者明显好于后者.     

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。     

GRAPES_Meso区域模式积云计算方案引进及预报效果检验

云量在模式中的准确模拟既是一个重点问题,也是一个难点问题。经评估发现,在GRAPES_Meso（Global/Regional Assimilation and PrEdiction System）模式中存在模拟云量偏少的问题,而ECMWF模式中的积云云量计算方案对云量模拟具有一定优势。鉴于此,本文借鉴ECMWF积云云量计算方案对GRAPES中尺度模式中的云量计算方案进行了适当改进,并通过影响试验模拟三维云量和地面温度来验证其改进效果。结果表明:较改进前,改进云量方案模拟的云量增多,单层云量更加准确,垂直方向云层结构改进效果明显;地面温度与观测值对比误差减小。综合分析模拟结果,认为改进云量计算方案在GRAPES模式中对云量和地面温度的模拟有较好的改进。     

黄河源区若尔盖站冻融期土壤温、湿度的模拟与改进

利用陆面过程模式CLM3.5对黄河源区若尔盖站进行了一年的数值模拟试验,通过比较土壤温度、土壤含水量的观测值与模拟值,检验了该模式在黄河源季节性冻土地区的模拟能力。结果表明,模式对土壤温度的模拟,非冻结期较好,深层土壤温度稍偏高;冻结期模拟值偏低,冻结深度偏大。对土壤含水量的模拟,在冻融期出现了较大偏差,含水量骤降(冻结)、骤增(消融)的时间均较观测提前。模式土壤热传导参数化方案中的土壤基质热导率计算偏大是造成土壤温、湿度偏差的主要原因。将Johansen土壤基质热导率方案替换了原模式参数化方案后,模拟结果有一定的改进,土壤温度暖舌、冷舌的模拟深度显著减小,冻结期土壤温度模拟偏低的现象也得到了改进,土壤含水量骤降、骤增的时间与观测更为接近。     

夹卷对郊外大气边界层内臭氧影响的数值模拟研究

夹卷是大气边界层与自由大气进行能量和物质交换的重要途径,对边界层动力结构及边界层内温度、水汽和各种污染物浓度有重要影响。利用化学-地表-大气-土壤(CLASS)模式定量评估了夹卷过程对远郊地区大气边界层内臭氧（O₃）浓度的影响并与大气化学反应贡献进行了对比,结合地面O₃、NO_x及边界层高度、位温和比湿等观测资料和再分析资料对CLASS模拟结果进行了定量评估。结果表明:CLASS模式能较为真实地模拟夹卷和大气光化学反应对远郊地区大气边界层臭氧浓度的影响,且当自由大气层内臭氧浓度达到一定值时,两者对边界层内臭氧峰值影响相当。数值试验结果进一步揭示,夹卷对控制氮氧化物（NO_X）和可挥发性有机物(VOC_S)排放源控制效果有重要影响,且当夹卷区内O₃跳跃值增大到一定时,可完全抵消源排放减排控制的效果。本研究旨在表明,为有效控制近地层臭氧浓度,在制定人为污染源减排措施时必须考虑自由大气层臭氧的夹卷贡献。      

WRF_Lake湖气模式对我国太湖的湖温模拟应用评估

文章把一维热扩散湖模式成功地耦合到中尺度天气研究和预报模式WRF3.2中,建立了湖气耦合模式。并用太湖区梅梁湾获得的2010年8月11—28日的观测资料对该耦合模式模拟湖温的能力进行了初步评估。设计了3组方案进行对照试验,分别为:(1)没有加入湖模块的WRF模式试验(WRF);(2)没有对参数进行优化的原始耦合模式试验(WRF_Lake_Old);(3)对3个参数进行优化后的耦合模式试验(WRF_Lake_New)。结果表明耦合了湖泊模块并且参数优化后的湖气耦合模式(WRF_Lake_New)比没有包含湖面方案的WRF模式对太湖水温的模拟能力有了很大的改进。WRF_Lake_New能够合理地模拟出太湖梅梁湾上湖表温度的日变化,模拟的湖表温度误差范围平均在±1℃左右,模拟的空气温度平均误差范围在±0.5℃以内,模拟的感、潜热通量也与观测更为接近。该耦合模式在太湖的初步评估结果表明,该湖气耦合模式为下一步研究湖泊过程和湖气相互作用提供了重要的工具。     

SHAW模式的改进及其在黄土高原半干旱区的模拟研究

陆面过程模拟研究中的一个关键问题是如何准确的计算陆气间能量交换,但现有的陆面过程模式模拟的湍流通量与观测值间仍然存在较大偏差,因此改进湍流通量的参数化方案对于提高陆面过程模式模拟能力有重要意义。本研究通过改进陆面过程模式SHAW中的热力粗糙度方案,以及引入干表层蒸发方案,以期改善湍流通量的模拟能力。在此基础上利用黄土高原半干旱区SACOL站观测资料,进行模式改进前后的单点模拟对比试验,研究其参数化方案改进对陆面过程模拟的影响。结果表明:改进后的SHAW模式能够合理地模拟黄土高原半干旱区陆面特征的变化趋势,模拟值与观测值偏差较小。与原来的SHAW模式模拟结果相比,改进后的SHAW_MOD模式显著提高了湍流通量的模拟能力,并改善了净辐射和深层土壤温度的模拟,但对土壤湿度的改进并不明显,这可能与土壤内部水热传输过程及相关参数化方案有关,还有待做进一步研究。     

未来气候变化对淮河流域径流的可能影响

采用新安江月分布式水文模型, 结合1961—2000年历史月气候资料和4个CGCMs的3个SRES排放情景下 (B1, A 2, A 1B) 未来降水和气温情景模拟结果, 对过去淮河流域的径流进行模拟检验并对未来2011—2040年的径流影响进行评估, 为水资源管理和规划提供依据。结果表明:水文模型能较好地反映年、月流量以及多年平均值和季节的变化; 年流量模拟一般好于月流量, 淮河干流主要控制水文站如王家坝、鲁台子、蚌埠的年流量模型效率系数均在80%以上; 多年平均值模拟效果好, 平均绝对相对误差为10%。多数CGCMs不同排放情景下气候模拟结果表明:未来2011—2040年, 淮河流域气候将趋于暖湿, 但年径流量将可能以减少趋势为主。这对淮河地区水资源的可持续发展以及东线调水工程水资源统一调配和管理提出了较大的挑战。淮河流域大部分区域2011—2040年月径流量减少将主要发生在1月和7—12月, 变化趋势较为确定; 4—6月, 径流量将以增加趋势为主, 不确定性较大; 2—3月, 径流具有增加趋势的地区多分布在淮河以北地区, 具有减少趋势的地区则多分布在淮河干流及以南地区和洪泽湖、平原区, 这些地区增加或减少趋势的不确定性较大。     

Towards closing the vertical water balance in Canadian atmospheric models: Coupling of the land surface scheme class with the distributed hydrological model watflood

Abstract

Second generation land surface schemes are the subject of much development activity among atmospheric modellers. This work is aimed at, among other things, improving the representation of the soil water balance in order to simulate, more properly, exchanges with the atmosphere and to permit the use of model output to generate streamflow for model validation. The Canadian development program is centred on CLASS, the Canadian Land Surface Scheme, developed at Environment Canada. This paper focuses on the improvement of hydrology in CLASS. This was accomplished by designing a two‐way interface to WATFLOOD, a distributed hydrologic model developed at the University of Waterloo. The two models share many features, which facilitated the coupling procedure.

The interface retains the three‐layer vertical moisture budget representation in CLASS but adds three horizontal runoff possibilities. Runoff from the surface water follows Manning's equation for overland flow. Interflow is generated from the near‐surface soil layer using a parametrization of Richard's equation and base flow is produced by Darcian flow from the bottom of layer 3. An approximation of the internal topography of grid elements is used to supply horizontal gradients for the runoff components.

Tests are in progress in four Canadian study areas. Initial results are presented for the summer of 1993 for the Saugeen River in southwestern Ontario. The new scheme produces realistic hydrographs, whereas the old scheme did not. Bare ground evaporation is reduced by about 17% as a consequence of reduced water availability in layer 1. Evapotranspiration is not affected because the rooting depth extends into layer 3, in which soil moisture does not change appreciably with the new scheme. These results suggest that the new scheme improves the representation of streamflow in WATFLOOD/CLASS and of the soil moisture budget in CLASS. Work is in progress to validate this result over basins, such as the BOREAS study watersheds, where both runoff and evapotranspiration measurements are available.     

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.     

淮河流域水汽收支的若干特征

利用欧洲中心１９８０－１９８６年７年逐日资料和同期淮河流域的降水资料,计算了该地区的大气水汽汇的时间变化和空间分布,并分析了它们与降水量和蒸发量的关系。结果表明：淮河流域的７年平均降水量为８５７．５ｍｍ,年蒸发量为８４２．０ｍｍ,水汽收支大致相当。水汽汇的年际变化较大。７年平均水汽汇最大值在淮河上游信阳一带,最小值位于流域东部。淮河流域平均降水在７月份最大（２１１ｍｍ）,蒸发量同时达到最大（１６７     

1961—2008年淮河流域主汛期极端降水事件分析

利用淮河流域117个台站1961－2008年主汛期（6－8月）逐日降水资料,采用降水百分位数法划分极端降水阈值,建立极端降水事件时间序列;在此基础上揭示淮河流域极端主汛期降水事件时空演变特征。结果表明：淮河流域主汛期极端降水总量年际变化大,其强弱与旱涝格局基本对应。极端降水事件发生频次的多寡很大程度上影响着淮河流域主汛期降水量。一致性分布是淮河流域主汛期极端降水事件发生频次的最主要空间模态,其发生频次空间上可分为流域中东部、中北部、西南部、西北部及南部5个主要区域。极端降水事件总体上有增加趋势,特别是流域     

水文模型中雨量资料的解集分析及应用

分布式月水文模型由于时段长,雨强均化,导致在淮河流域的应用中,网格计算径流深出现了许多不合理的零值.利用解集方法,对月降雨资料进行解集后运行水文模型,其计算结果更加合理.并应用1998年淮河流域能量和水循环试验(HUBEX)加强观测资料对模型进行了验证.     

2007年淮河暴雨洪涝的气象水文特征

利用常规气象和水文资料, 分析了2007年淮河洪涝期间的气象水文特征, 探讨了淮河暴雨致洪原因。结果表明: 2007年淮河入梅后经历了7次暴雨和大暴雨过程, 其中导致淮河洪涝的强降雨主要出现在2007年6月29日—7月10日的4场强暴雨过程。大尺度的环流分析表明:淮河的强降水出现在大尺度环流形势相对稳定的梅雨形势下, 副热带高压的稳定对于强雨带的建立影响最明显; 淮河干流的水位流量变化呈现出上游水位高, 汛情严重的特征。王家坝的水位经历了两次快速上涨后超过保证水位, 水位的变化与淮河强降雨、尤其是淮河上游强降雨过程有较好的对应关系。与历史上淮河洪涝年比较发现:2007年淮河梅雨期的总降水量低于历史上淮河洪涝年的1954年、1991年和2003年的降水量, 为历史第4位; 淮河干流的水位则超过了1991年和2003年, 为历史第2位, 上游降水量大导致了淮河出现1954年以来的高水位。     

江淮锋面和华南暖区两次暴雨过程可预报性对比

以2008年6月9—10日江淮地区的锋面暴雨和2008年6月6—7日华南地区的暖区暴雨为例,采用模式试验的方法,研究了这2个不同地域不同类型的暴雨的模式可预报性的差异．控制试验的结果表明,2个地区的暴雨都可以用WRF模式得到较好的模拟再现．通过在控制试验的初始场上对温度场和风场添加高斯随机扰动误差构造敏感性集合成员,结果表明初始场的微小误差在24 h内使得华南暴雨与江淮暴雨的模拟结果都发生较大改变,但华南暴雨的误差增长快于江淮暴雨,导致华南暴雨模拟结果发生更大的改变．通过对集合离散度的分析表明,华南暴雨与江淮暴雨的离散度都随积分时间延长而不断增大,但华南暴雨的集合离散度增长更快,华南暴雨的集合离散度在模式各层上都远大于江淮暴雨．从误差增长和集合预报的角度讲,华南暴雨的模式可预报性比江淮暴雨的模式可预报性差     

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.     

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。