水文模型在计算中小流域致汛临界面雨量中的应用

在设定致灾标准的前提下,运用水文模型模拟降水和流量关系,反推不同基础水位达到致灾标准所需要的雨量,探讨中小流域临界面雨量计算的新方法、新思路。以湖北省荆门漳河流域为例,选取控制流域3/4面积的漳河水库为控制站点,利用新安江水文模型,通过1956—2012年36场洪水的模拟率定水文模型的参数,在此基础上结合漳河水库防洪能力,利用水文模型反推计算漳河水库不同基准水位、不同雨量分布条件下的致汛临界面雨量(到达汛限水位所需的面雨量)。结果表明:利用水文模型反推计算中小流域临界面雨量,能直观给出漳河水库不同基准水位、不同降水分布条件下的洪水入库过程曲线、水位变化过程曲线以及流域致汛临界面雨量,意义明确,技术方法可行,能有效丰富中小流域临界面雨量的计算方法。     

作物模型参数敏感性分析现状与展望

作物模型作为作物产量预测等方面应用广泛、作用巨大的重要工具,其参数的校正和优化等工作是模型模拟的前提。普通的试错法缺乏客观性且效率低下,对作物模型的输入参数进行敏感性分析,识别模拟过程中参数的敏感程度,能够有效识别关键参数并减少率定的参数量,为后续模型参数优化和校正工作奠定基础。本文主要分析了作物模型的局部敏感性分析方法和全局敏感性方法的利弊及其适应条件,涵盖傅立叶幅度灵敏度检验法(FAST)、Morris法、LH-OAT法、普适似然不确定性估计法(GLUE)、Sobol法以及扩展傅立叶幅度灵敏度检验法(EFAST)等,回顾各方法在作物模型中的研究现状,并对作物模型参数敏感性分析方法提出了展望。     

土壤湿度和土壤温度模拟中的参数敏感性分析和优化

使用一种复杂洗牌算法 (SCE-UA, Shuffled Complex Evolution Algorithm) 对Noah陆面模式中的参数进行敏感性分析和优化,其中水文参数采取直接优化和优化土壤成份的形式,侧重于研究两种水文参数给出方法对土壤湿度和土壤温度模拟的敏感性。结果表明:将土壤湿度和土壤温度作为判据,模式中水文参数敏感性最高,水文参数对土壤湿度的敏感性要高于对土壤温度的敏感性。表层土壤湿度作为判据对土壤水文参数优化后,可以改善土壤湿度和土壤温度的模拟,加入深层土壤湿度同时作为判据后,优化使土壤温度的模拟变差。当土壤成份作为优化的参数,表层和深层土壤湿度作为判据,优化能够同时改善土壤湿度和土壤温度的模拟。单独使用土壤温度作为判据不能达到优化水文参数的目的。将土壤成份作为优化的参数后,土壤湿度和土壤温度的多判据优化效果最好,且减少不敏感参数的个数后对优化结果的影响总体不大。基于以上结果,将土壤成份作为优化水文参数的方法能够更好的考虑不同水文参数之间的约束关系,优化后的水文参数具有很好的一致性,优化效果较直接优化水文参数更好。     

陆面—水文耦合模式的参数率定及改进研究

基于淮河流域的地形、岩石地质类型等空间分布特征,对陆面—水文耦合模式CLHMS1.0(Coupled Land Surface-Hydrological Model version 1.0)的河道曼宁糙率系数、水力传导度两个关键参数进行了率定;在此基础上,通过基于CLHMS1.0的多组敏感性试验,分析了河道曼宁糙率系数、水力传导度对CLHMS1.0模拟淮河流域水文过程的影响。研究结果表明,淮河流域上游王家坝子流域曼宁糙率系数的减小,可以显著提高模式对王家坝水文控制站上游模拟的水流流速,减小了模式对王家坝洪峰来临时间模拟偏迟的误差;依据淮河不同子流域的岩石地质类型选定更为合理的水力传导度参数后,模式对淮河流域河道流量等水文过程的模拟更为准确。利用参数率定后的CLHMS1.0对淮河流域1980~1987年逐日水文过程进行了模拟,与观测实况比较结果表明,采用了新的河道曼宁糙率系数和水力传导度参数后,模式对淮河流域逐日水文过程的模拟能力显著提高,且可以更合理地模拟出地表产流和地下水补给对流域河道流量的相对贡献。     

基于WRF-Hydro模式的沂河流域水文气象模拟参数优化研究

为优化适用于沂河流域WRF-Hydro模式水文气象预报模拟的参数方案,利用中国区域地面气象要素驱动数据与沂河流域内气象站点实测降雨数据驱动WRF-Hydro模式,采用分布率定法对模式几项主要的水文参数进行参数率定分析,选取相似暴雨引发的洪水过程对率定结果进行参数拟合验证。结果表明：WRF-Hydro模式的入渗系数和地表粗糙度对产流量影响具有非线性特征;河道曼宁糙率同时对产流量和汇流速度均有较明显的影响,曼宁糙率系数越小,汇流速度越快,产流量越大,峰现时间越早。入渗系数和河道曼宁糙率在所有率定参数中最敏感,尤其在非饱和土壤条件下。当入渗系数和河道曼宁糙率乘子分别为1.5和0.7、地表持水深度和地表粗糙度取模式默认值1.0时,径流过程模拟效果最优。     

江西省暖季重大短时强降水敏感性参数分析及概念模型

利用江西省2010-2016 年5-9 月1 597 个观测站逐小时降水资料,ERA Interim,Daily逐日4 次0.125°×0.125°再分析资料以及南昌和赣州探空资料,筛选出84 例重大短时强降水过程,并建立了5 种重大短时强降水概念模型:冷锋型、西南急流型、副高边缘型、暖切型和台风型,各型分别占比29％...     

成都地区一次暴雨过程数值模拟及敏感性试验

本文利用探空资料和NCAR/NCEP全球再分析场资料,对成都地区2009年8月25日的暴雨天气过程的环流背景和影响系统进行诊断分析。分析表明：此次暴雨过程为副高东撤南压后,高原切变快速影响成都地区,形成机制是副高外围的偏南气流结合河套地区南下的冷空气,触发本地不稳定能量的爆发。利用WRF模式对此次暴雨过程进行数值模拟。模拟结果表明：WRF模式能够较好地模拟副热带高压的位置,高原切变线及水汽来源,模拟的雨带位置和雨量与实况较为一致,模拟效果较好。通过修改下垫面性质,对暴雨过程中下垫面的可能影响进行了敏感性数值试验。模拟结果表明：将新的下垫面资料引入后,暴雨落区与控制试验相比变化较小,暴雨区面积略有增加,中雨范围扩大较为明显。分析原因为：成都地区周边的地形环境是影响成都中尺度降水总雨量和落区的关键影响因素。将盆地西部到东部的下垫面全部改为城镇类型后,改变了辐射通量,影响陆气之间的相互作用,改变大气的能量平衡,使之容易产生局地降水。     

成都地区一次暴雨过程数值模拟及敏感性试验

本文利用探空资料和NCAR/NCEP全球再分析场资料, 对成都地区2009年8月25日的暴雨天气过程的环流背景和影响系统进行诊断分析。分析表明:此次暴雨过程为副高东撤南压后, 高原切变快速影响成都地区, 形成机制是副高外围的偏南气流结合河套地区南下的冷空气, 触发本地不稳定能量的爆发。利用WRF模式对此次暴雨过程进行数值模拟。模拟结果表明:WRF模式能够较好地模拟副热带高压的位置, 高原切变线及水汽来源, 模拟的雨带位置和雨量与实况较为一致, 模拟效果较好。通过修改下垫面性质, 对暴雨过程中下垫面的可能影响进行了敏感性数值试验。模拟结果表明:将新的下垫面资料引入后, 暴雨落区与控制试验相比变化较小, 暴雨区面积略有增加, 中雨范围扩大较为明显。分析原因为:成都地区周边的地形环境是影响成都中尺度降水总雨量和落区的关键影响因素。将盆地西部到东部的下垫面全部改为城镇类型后, 改变了辐射通量, 影响陆气之间的相互作用, 改变大气的能量平衡, 使之容易产生局地降水。      

水文模型参数选取对模拟径流的年际年内分布影响评估

使用水文模型进行气候变化对水文水资源的影响评估时,通常假定水文模型参数在历史和未来时期是固定不变的,并未区分水文模型参数受环境变化的影响差异。针对该问题,采用集对分析法以年降水量和年径流量为依据进行丰、平、枯水年的划分,利用SWAT分布式水文模型分别率定不同水平年的模型参数,探究月尺度模型参数的非稳定性对年际年内径流的影响。研究结果表明,分别以年降水量和年径流量划分丰、平、枯水年时,1961—2010年这50年中有70%的年份为同枯或同丰。如果仅选择某一水平年（丰、平、枯）背景下的资料进行建模,将导致模拟精度较丰、平、枯整体考虑时降低,且是以偏大为主。用同样的水文资料与代表不同环境条件下模型参数推求径流过程时,从年际变化角度看,使用某一水平年（丰、平、枯）背景下的参数,总体上模拟径流偏湿润,使得丰水年比重增加、枯水年比重降低;从年内分布看,受不同水平年参数影响,径流的集中度减小,年内分配更加均匀,径流集中期延迟。本研究可为提高未来变化环境下水文模拟可靠性提供参考,对于应对变化环境下的水资源适应性管理具有重要意义。     

北京地区一次空气重污染过程的气象条件模拟参数化敏感性试验

气象预报是影响大气重污染预报精度的关键所在。针对2016年12月16～21日北京市一次重污染过程,开展了中尺度气象模式WRF的参数化方案配置敏感性试验。对微物理过程、长波辐射过程、短波辐射过程、陆面过程、边界层过程、近地面过程以及积云对流参数化过程进行组合优选,共设计51组参数化方案组合,分析不同模拟方案下北京市8个气象站点温度、相对湿度、10 m风速的模拟精度及其敏感性。试验结果表明:温度模拟对长波过程参数化方案最为敏感,集合离散度达2.4～7.4°C,再次是短波过程参数化方案;相对湿度模拟也对长波过程参数化方案最敏感,再次是陆面过程;风速模拟对不同过程参数化方案的敏感性程度差异不大。通过模拟结果与观测的统计对比,优选出模拟误差最小的方案组合为Lin微物理方案、RRTMG长波方案、RRTMG短波方案、Tiedtke积云对流方案、Noah陆面方案、MYNN 3rd边界层方案和MYNN近地面方案,并将其与集合平均、基准方案进行对比。对于集合平均来说,其温度模拟与观测相关系数为0.69,高于基准方案,其模拟偏差与均方根误差比基准方案低25%和11%;集合平均的相对湿度和风速模拟相比基准方案变化较小。与集合平均相比,优选方案能同时改进温度、相对湿度和风速模拟,使温度模拟偏差和均方根误差比基准方案下降35%和17%,使相对湿度模拟偏差和均方根误差下降43%和13%,使风速模拟偏差和均方根误差下降33%和24%。以上结果表明,参数化方案的敏感性试验和优选能显著减小重污染期间气象要素的模拟误差,重污染预报改进需重点关注参数化方案模拟上的不确定性。本研究也发现MYNN3rd边界层方案在这次重污染过程的气象要素模拟上具有良好性能,可为未来重污染预报改进提供参考。     

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     

中小流域入库径流影响因素的敏感性分析

根据鲇鱼山水库和陆浑水库实测的月平均流量、气温、降水量资料,采用Mann-Kendall趋势分析法、Spearman秩次相关检验、滑动t检验法对两座水库的入库流量进行显著性检验;建立了有关径流-降水-气温的数学模型,并对其敏感性进行了分析.研究结果表明:陆浑水库和鲇鱼山水库的入库流量对降水变化的响应比对气温变化的响应更为显著.入库流量与降水变化趋势一致,与气温变化趋势相反,即随降雨量的增加而增加,随气温的升高而减少.     

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.     

区域气候模拟中Betts-Miller对流参数化方案的敏感性试验

利用NCAR RegCM2气候模式,对Betts-Miller对流参数化方案中影响参考态的几个关键性参数:稳定度参数α、云底和冻结层参考态的饱和气压Δp*和对流调整时间τ进行了敏感性试验,分析这些参数的不同取值对区域气候模拟的影响及意义,并由此提出适合我国东部地区汛期区域气候模拟的Betts-Miller对流参数化方案中较优的关键性参数取值.     

塔里木油田地区大型工程设计中气象水文参数研究

根据塔里木盆地外围近40个气象、水文测站36年（1961－1696年）冬季和夏季平均气温、平均气压、平均相对湿度、日照时数、年日照时数、最大洪峰流量等气象永文资料和塔里木盆地腹部6个短期观测站10年（1988－1997年）气象资料,对塔里木油田地区大型工程设计中气象水文参数及设计值进行了系统的研究。建立了塔里木油田地区冬、夏季及年日照时数预测方程,分别为：y1＝－379801＋2．7655E、y7＝-304．7381＋15．0241N;y年＝-2345．0630＋66．0556N＋31．5592E。在此基础上,以气象水文要素预测方程和概率模式揭示塔里木油田地区气象水文参数及设计值分布规律。结果表明：塔里木油田地区冬夏季代表月平均气温、平均气压、日照时数随着经纬度和海拔高度的变化而变化;塔里木油田北部最大洪峰流量遵循P-Ⅲ分布。并进行Tk—s检验,通过年达100％。     

定量降水预报与水文模型耦合的中小流域汛期洪水预报试验

预见期内的降水量直接影响着洪水预报的精度,预见期愈长,预见期内的降雨对预报值影响愈大,预见期内的降雨越来越被人们重视。本文以湖北省漳河水库流域为例,利用中尺度数值模式(AREM模式)的预报降雨信息,作为洪水预见期内的降雨,输入新安江模型,对流域2008年汛期典型洪水过程进行预报测试,结果表明考虑预见期内的降雨相对于未考虑预见期降雨对洪水预报结果提高具有明显的优势。研究表明中尺度暴雨模式预报技术在水文预报学的应用具有广阔的发展空间。     

人造台风模型中三维风场的改进及敏感性模拟研究

对MM5的人造台风风场方案进行了分析,并引入台风移速、移向、摩擦等客观因素构造非对称切向风场,尝试选择合理的径向风方案,并考虑风场垂直结构,改进出三维非对称台风风场模型.通过对"云娜"台风模式初始场的对比发现,径向风及高空反气旋环流的引入突出了台风的基本特征,与观测事实相接近.最后进行敏感性数值模拟,通过比较台风路径及移速、海平面气压、最大风速等模拟要素,结果表明:改进后的台风模型通过订正初始场,对台风路径及强度预报效果的提高也有正效应.     

霰粒子参数对强对流云降水和催化影响的数值模拟研究

本文利用三维对流云AgI催化模式, 开展了霰粒子密度和落速参数的敏感性模拟试验, 以研究高凇附度时霰粒子参数的选取对催化模拟结果的影响。敏感性试验中对七个霰微物理过程进行了调整。分析发现改变霰落速参数和霰密度, 可以引起3小时模拟的总降水量增加4.9%。催化后改变了敏感性试验中霰落速和上升气流的配置, 并影响到霰碰并云水和冰晶的过程, 及霰融化成雨水的过程。在高凇附度云中如果只增加霰密度而没有增加相应的落速系数, 将使云中霰含量大幅增加。霰参数也影响了自然云和催化云的降水效率。过量催化使得催化云的降水效率低于自然云。增加霰密度的同时也增加霰落速系数, 将使其降水效率高于对照试验, 从而影响催化效果。在高凇附度云中采用大密度和较大下落系数, 并且利用比数浓度平均落速计算霰粒子比数浓度的下落过程, 会使催化效率从25%减少到15%, 极大地改变催化效果。所以在高凇附度的暴雨个例中, 应当采用高霰密度和相应的高霰落速, 否则减雨的催化效果将会被大幅夸大。     

可用于陆面过程模型的地形指数水文模型中简化参数化方案的研究

在全球气候系统模型中,陆面水文过程对提高模拟精度有显著作用.土壤水分空间非均匀分布对于蒸发和径流的计算以及能量在潜热和感热之间的分配具有重要的影响,但现有的多数陆面过程模式未能考虑土壤水分水平非均匀性的影响.地形指数模型以其较好的物理基础、参数少、计算量小,且能考虑地形变化对土壤水分非均匀分布影响等优点,使其有潜力模拟陆面过程中水分过程分布非均匀二维特性.目前地形指数水文模型已被推荐应用于陆面过程模式(Land surface models,LSMs)中以改进对陆面水文过程的模拟能力.在地形指数模型中,数据的空间分辨率、河道的起始临界值、非饱和区域的分区和空间各点的坡度等因子不同的确定,都能对模拟结果产生重要影响,对它们如何合理地给定,既不降低模型精度,又能省时、省资源是十分重要的.本研究通过大量的敏感性模拟试验,较系统地探讨上述参数不同的确定方案对流域水量平衡模拟结果的影响.主要结论有:(1)将流域按地形指数值大小分为16块与仅区分饱和区与非饱和区或仅区分饱和区、较湿润区和较干区3块模拟结果相差不大,因此将地形指数模型应用于陆面模式时仅区分饱和区与非饱和区或区分饱和区、较湿润区和较干区3块这种简化方案也许是一种可行的选择;(2)不考虑坡度会扭曲水量平衡各要素的计算,用一个平均坡度替代实际坡度的办法就会有比较接近了实际坡度的结果.因此,LSM模型中一维均匀的网格做法应该改进,但太细致的坡度取法也许没必要.以上结论可为今后发展用于陆面模式的大尺度水文模型提供依据.