大气、陆面与水文耦合模式在中国西北典型流域径流模拟中的新应用

水文模式在较长的发展阶段由简单的概念模型逐步演变复杂的分布式物理模型,大气学科的各类气候模式在近年来迅猛发展同时也逐步带动了水文学的发展。从大气、水文两个学科发展角度纵向开展研究,通过分析以往研究成果认为,虽然大气、水文模式在其各自的发展已经到达了较为完善的地步,然而其相互耦合并取长补短的优势并未发挥。在探讨大气、陆面及水文模式发展的基础上,选取XJLDAS(Xinjiang Land Data Assimilate Datasets)大气陆面同化系统,CLM3.5(Community Land Model,Version 3.5)公用陆面模式及快速汇流模式RAPID(Routing Application for Parallel computation of Discharge)作为关键耦合对象,利用以上耦合系统对新疆精博河流域径流过程进行模拟。通过研究分析,认为:XJLDAS+CLM3.5+RAPID模式可较好地重现流域地表径流年内分布状况,然而,由于陆面参数化方案选取等原因,研究区径流量出现一定偏差。此外,在本研究中发现,陆面模式径流汇流模拟结果与实际结果存在一定偏差,将这种偏差进行分析后发现:在进行大尺度水文模拟时,需要在考虑在研究区相关地理特性(如地质构造、地表覆被)基础上进行模式相应改进,以最大限度的重现大尺度径流真实过程。     

水文模型与陆面模式耦合研究进展

水文模型与陆面模式耦合是目前全球变化研究中的热点问题,如何实现分布式水文模型与陆面过程模式的双向耦合,并将其有机嵌入大气模式中,是未来大气环流模式(GCM)和区域气候模式(RCM)发展和完善的重要目标之一.在简单介绍陆面过程模式和水文模型发展历程的基础上,对水文模型和陆面过程耦合研究的国内外进展进行了综述,指出了模式耦合中存在的共同问题和未来工作的研究要点.最后,探讨了分布式水文模型与陆面模式耦合在全球变化研究框架中的地位与意义,并展望了陆面水文过程发展的主流趋势和研究方向.     

珠江流域大尺度陆面水文耦合模式的构建及应用

以珠江流域为研究对象,通过更新陆面水文模式所需的下垫面参数数据库,建立适合于珠江流域的大尺度陆面水文耦合模式系统,并利用该模式开展了1963~2006年流域水文水循环过程的数值模拟,通过与实测流量比较,系统考察了陆面水文耦合模型对珠江流域水循环各分量的模拟性能。分析结果表明,该陆面水文耦合模式对珠江流域年平均各水循环要素具有良好的模拟能力;模式对珠江流域干流主要控制水文站的月平均流量也有较高的模拟精度,模式模拟的水量平衡系数均接近1,相关系数均高于0.84,IOA相似度系数均高于0.9;相对而言,模式对流量峰值的模拟能力还有待提高。     

冻土过程参数化方案与中尺度大气模式的耦合

将发展的冻土过程参数化方案与耦合了NCARLSM陆面过程模式的中尺度大气模式MM5相耦合,对包括我国北方,蒙古国,东西伯利亚的高纬度地区进行了模拟.模拟时间选为北半球季节冻土生成的10月份.模拟结果表明,模式能够较好地模拟出该区域的冻土分布,并且对大气模式中海平面气压场、气温场的模拟改进显著.     

耦合水库群参数化方案的区域陆面水文模拟

中国水库数目众多,密集的水库运行和调蓄影响着陆地水循环和陆气间的水分能量交换过程,给高强度开发地区水文规律认知和水文模拟及预报带来了挑战。围绕这一问题,本研究以鄱阳湖流域及流域内千余座水库为研究对象,从水库水量平衡方程、水库蓄泄规则、多阻断扩散波汇流等方面构建了水库群参数化方案,并从地表水、地下水、蒸散发、能量通量等角度实现了其与陆面水文双向耦合模式（CLHMS）的动态耦合。结果表明:所构建的水库群参数化方案可以较好地模拟水库的蓄泄过程,提高了耦合模式在鄱阳湖流域的径流模拟精度;水库群可以使赣江、信江、抚河丰水期径流减少3.7%~6.0%,枯水期径流增加5.9%~12.6%,多年平均径流减少0.6%~1.5%;在空间分布上,水库群对流域中部和北部径流的调蓄作用相对显著。本研究所改进的陆面水文模式可以为高强度人类活动影响下气象、水文、水资源交叉领域的研究提供分析工具和模型基础,从而支撑变化环境下区域水资源的可持续利用。     

陆面过程研究综述

对大气环流模式中引入的陆面过程作了综合性分析。分析指出：大气对下垫面特征是敏感的；精确地描述局地气候有赖于陆面生态模型的建立。     

陆面模式中土壤冻融过程参数化研究进展

土壤冻融过程在寒区水文和气候系统中有着重要作用。陆面模式中土壤冻融过程的参数化对模式的设计和模拟结果有着关键作用。通过对广泛应用的Bucket，SIB，BATS，VIC，BEAS， LSM等几种主要的陆面模式中的冻融过程参数化方案进行了总结和比较。首先，详尽地描述了土壤冻融与气候变化的数值模拟研究，总结和评述了土壤冻融过程对气候变化的作用。其次，对几种主要的陆面过程模式在土壤水热参数化方案中对冻融过程的考虑及其特点进行了比较和讨论。还对冻结深度和冻结周期的预报模式进行了简介，最后对该领域当前面临的主要研究问题进行了探讨和阐述。     

陆面水文过程研究综述

在简单介绍陆面过程模式发展的基础上，从裸土蒸发、植被蒸散、土壤水传输、排水和径流等五个方面详细综述了陆面模式研究中对水文过程的参数化。目前陆面参数化方案中仍存在很大的不确定性，其中陆面水文过程参数化的关键问题包括：土壤分层、土层厚度、根带分布；参数的代表性和移植；观测资料；径流的参数化。分析了径流在陆面模式中的重要性，及目前陆面模式中对径流参数化存在的不足，介绍了部分陆面模式对径流的模拟研究，讨论了未来工作的研究重点。     

黑河地区地气相互作用观测试验研究(HEIFE

综述了国际上陆面过程的观测试验计划和研究进展,阐明了“黑河地区地气相互作用观测试验研究”的计划要点和技术路线。     

流域水文模型的发展

本文列出了当今世界上比较流行的15个流域水文模型。对现行概念性集总式流域水文模型的结构和参数的特点进行了评论,指出了这类流域水文模型存在的主要缺陷。对新一代流域水文模型, 即分布式流域水文模型,尤其是其中具有物理基础的分布式流域水文模型,进行了较为深入的分析,指出其之所以优于集总式流域水文模型的主要原因。最后对流域水文模型进一步发展所必须具备的理论和技术条件做了初步讨论。     

Impacts of Human Water Use on the Large-scale Terrestrial Water Cycle

Along with the increase of population and extraordinary economic and social development, human appropriation of freshwater supply increases rapidly. Anthropogenic activities have become an important driving factor of the large-scale terrestrial water cycle. The hydrological effects of human water use have attracted growing attention. In this paper, we briefly reviewed the recent studies addressing the anthropogenic disturbance of the large-scale terrestrial water cycle. The review focused on the direct alteration of the water cycle for human needs, with special coverage for the primary aspects of human water use such as irrigation, domestic and industrial water use, reservoir regulation and groundwater mining. The state-of-the-art parameterization schemes of human water use for macroscale land surface hydrological modeling were introduced and the limitations of the schemes were discussed. Considering the impacts of human water use on the terrestrial water cycle is currently a challenge for macroscale land surface hydrological modeling, which hinders the use of the models in assessing water resources under changing environment. Further studies are needed to understand the interactions between human and water systems, to develop integrated assessment model of coupled human-water systems, and to assess regional and global water security.     

评估两类模式对陆面状态的模拟和估算

针对夏季土壤变干过程,利用观测系统模拟试验,比较离线的陆面模式(LSM)和耦合大气边界层的陆面模式(SCM)对土壤温度、湿度和地表热通量等陆面状态的模拟,然后借助数据同化方法,评估2类模式对陆面状态的估算能力.结果显示:2类模式除对地表长波辐射和感热通量的模拟差别较大外,对其余量则较小;只同化表层土壤湿度观测时,LSM对土壤湿度和感热通量的估算好于SCM,对土壤温度的估算则相反,而对潜热通量估算的差距很小;同时同化表层土壤温度、湿度观测会使地表热通量的估算差距增大;最后对2类模式不同表现的可能原因进行分析讨论.上述数值模拟和同化结果:当用某一类模式的模拟结果或同化产品为另一类不同模式提供初边界条件时必须注意它们之间的差异,避免出现输入量引起的模式状态量间的动力不协调现象.     

干旱区陆面过程和大气边界层研究进展

干旱区陆面过程和大气边界层不仅与气候、生态、水资源密切相关,而且影响我国气候格局和东亚大气环流,是一个十分重要的研究领域,近20多年已取得了比较系统的研究进展.从干旱区陆面热力和水分过程特征、干旱区大气边界层结构特征、干旱区陆面过程参数及其参数化公式、非均匀下垫面大气边界层理论、干旱城市大气边界层特征与污染机理等方面归纳总结了干旱区陆面过程和大气边界层领域取得的部分研究进展.并且,认为科学试验的代表性、复杂下垫面的影响、尺度转化、地表能量不平衡、极端天气过程的相互作用、水分过程的复杂性等问题是干旱区陆面过程和大气边界层研究领域的突出问题和未来研究重点.     

Soil Moisture Parameterization and Its Influences in Weather and Climate Simulation: A Review

The soil hydrological process in land surface models and its influences on weather and climate simulation have got much attention by scholars both at home and abroad. First, this paper traced the definition and determination of soil moisture, and then reviewed its parameterization in different models, including soil-water characteristic curves for different soil types and numerical methods for solving soil moisture equations. Moreover, methods of soil hydrological parameter determination and uncertainties within land surface models were specified. Also, the importance of methods in parameter sensitivity analysis and optimization was emphasized, and the new datasets of soil hydraulic parameters would play a very important role in the improvement of the land surface model and soil moisture simulation. Finally, the research progress of feedback mechanism between soil moisture and precipitation was summarized. Spatial and temporal distribution of soil moisture and its abnormal would cause a positive feedback, and on the contrary, the meso-scale characteristics of soil moisture distribution had a negative feedback. By summarizing the progresses of the uncertainties and problems in soil moisture simulation, the influences of soil moisture on simulating weather and climate were pointed out.     

大气数值模式中城市效应参数化方案研究进展

介绍了对城市效应影响大气运动的物理过程,以及在不同尺度大气模式中如何合理考虑这些物理过程,对进一步发展完善城市效应参数化方案中亟待解决的问题及困难作了论述,并着重强调了不同城市冠层参数化方案的优缺点。结论认为,随着城市的扩张,城市效应对大气运动的影响是数值模拟研究中一个不可或缺的物理过程,城市冠层模式的引入可以有效地提高数值模拟效果。对于不同尺度的数值模拟研究工作,应该采取不同的城市效应影响方案。目前,由于冠层模式中涉及的物理过程十分复杂,冠层模式还有待进一步完善,此外冠层方案的验证工作,尤其是应用城市地表能量平衡观测资料进行的验证工作还应该进一步深入开展。     

Progress in Lightning Forecast by Using Numerical Weather Models and Model Outputs

Lightning can threaten human and equipment safety. An indicator of sever convective weather, it plays an important role in atmospheric chemistry. The intensive studies have advanced the lightning forecast in the mesoscale weather models and its application in global climate models. There are three methods to forecast lightning by using numerical weather models: Numerical diagnosis prediction based on synoptic background filed statistical relations; Flash rate parameterization developed with the relationship between dynamical, microphysical and electrification processes, and The numerical weather model coupled with the explicit electrification and lightning parameterization schemes. In this paper, the research progress in lightning forecast with three above-mentioned methods were reviewed, and the future research issues on lightning forecast were also discussed.     

流域水文模型研究进展

本文介绍了流域水文模型的分类,论述了流域水文模型基础理论——产汇流理论的发展及其自身的研究进展,探讨了流域水文模型的研究趋势和发展困境,并对未来做出了展望,以期能推进流域水文模型的研究。