大尺度水循环模拟系统不确定性研究进展(英文)

The regional hydrological system is extremely complex because it is affected not only by physical factors but also by human dimensions.And the hydrological models play a very important role in simulating the complex system.However,there have not been effective methods for the model reliability and uncertainty analysis due to its complexity and difficulty.The uncertainties in hydrological modeling come from four important aspects:uncertainties in input data and parameters,uncertainties in model structure,uncertainties in analysis method and the initial and boundary conditions.This paper systematically reviewed the recent advances in the study of the uncertainty analysis approaches in the large-scale complex hydrological model on the basis of uncertainty sources.Also,the shortcomings and insufficiencies in the uncertainty analysis for complex hydrological models are pointed out.And then a new uncertainty quantification platform PSUADE and its uncertainty quantification methods were introduced,which will be a powerful tool and platform for uncertainty analysis of large-scale complex hydrological models.Finally,some future perspectives on uncertainty quantification are put forward.     

气候变化对水循环与水资源的影响研究综述

以全球变暖为主的气候变化已成为当前世界最重要的环境问题之一。气候变化对水循环与水资源影响的研究越来越引起国内外学者的的高度关注和重视。简要回顾了国内外气候变化对水文水资源影响研究的发展历程,着重论述了目前气候变化对水文水资源影响的重点研究领域:水循环要素变化的检测与归因分析、气候变化与人类活动对水循环与水资源影响的定量评估、未来气候变化情景下水循环与水资源的演变趋势预估、气候变化对极端水文事件的影响研究和应对气候变化的水资源适应性管理策略;并介绍了气候变化对水文水资源影响研究中的气候变化情景、水文模拟及陆-气模型耦合等重要技术手段。最后,针对目前研究中存在的问题及薄弱环节,提出未来研究的发展趋势和亟需解决的关键问题。     

地表物质能量交换过程中的水循环综合模拟系统(HIMS)研究进展

基于地学的理念,特别是陆地表层系统研究理论,探讨了水循环研究发展趋势,从单一要素过程、到流域多过程综合、再到水系统多要素、多过程、多尺度的集成,阐述了发展水循环综合模拟技术的重要性。系统介绍了自主研发的水循环综合模拟系统HIMS(Hydro-Informatic Modeling System)的发展历程、主体结构与特色功能,包括水循环多源信息集成平台、水循环多元要素定量遥感反演系统、水循环过程模块库集成系统、多尺度分布式水循环定制模拟系统等。指出多学科交叉,与信息技术的融合是水循环模拟发展的重要方向之一。HIMS系统及其定制模型在国内外的大量验证和应用,显示出其水循环综合模拟技术的实用性和先进性。可望为变化环境下的复杂陆地表层过程中涉水问题研究提供技术支撑工具,适应水系统研究的需要。     

HIMS模型参数的不确定性及其影响因素

模型参数的不确定性及影响因素分析对无资料流域水文预报具有重要意义。本文以澳大利亚3 个流域为例,采用GLUE方法分析HIMS模型参数的不确定性,在此基础上探讨流域物理属性对参数取值的影响。研究发现:① HIMS模型9个参数的不确定性都比较大,属于敏感参数;② 降雨量、森林覆盖度和表层土壤最大有效蓄水量大的流域,土壤蓄水容量W_sm取值大;土壤饱和导水率和森林覆盖度高的流域,产流系数R、r的取值较大;温度低、森林覆盖度小的流域,实际蒸散发系数ε取值大;易透水、森林覆盖度高的流域,马斯京根汇流系数C₂取值大。这些结论能为今后在无资料流域应用HIMS模型进行水文预报提供一定参考。     

陆面水文—气候耦合模拟研究进展

陆面水文过程是全球/区域气候模式十分重要而又十分薄弱的环节。本文通过科学文献计量法,分析了陆面水文—气候耦合研究的发展状况及研究热点和趋势,并进一步对研究中存在的问题和挑战进行综述和探讨。现有多数气候模式中的陆面模式主要基于一维垂向结构设计,缺乏对流域尺度水文过程的精细描述,尤其缺乏下垫面人类活动影响的描述。因此,为了科学认识水文过程与气候变化的相互反馈作用机制,大量研究主要通过耦合流域水文模型与气候模式,研究不同时空尺度下水文过程变化的气候反馈效应。陆面过程模式中水文过程的改进和大尺度水文模型发展为陆面水文—气候耦合模拟奠定基础,在此基础上,陆面水文—气候耦合研究正从传统的单向耦合研究逐步发展为考虑气候—水文反馈的双向耦合研究。然而,双向耦合研究远未成熟,其问题集中表现为陆面水文—气候模型耦合过程如何匹配并提高系统稳定性、研制有效的尺度转换方案、完善参数化方案并评估参数不确定性、研制有效参数移植方法并提高模型适用性以及高分辨率甚至超分辨率模拟等方面,逐步解决上述问题并提高模拟精度是未来水文—气候耦合模拟研究的重要发展方向。     

水文系统模拟不确定性研究进展

从水文系统模拟的基本特点出发,分析了水文模拟中广泛存在的不确定性的来源,对与水文系统模拟不确定性相关的研究进展进行了分类回顾,并介绍了贝叶斯概率水文预报理论的一般流程。研究回顾表明,数理统计是定量描述水文不确定性的有利工具。其次,完善水文机理研究,提高降水及下垫面相关参数的观测水平,以及提高降水预报的精度、概率水文算法的效率和精度是进一步减少水文模拟的不确定性的发展方向。     

“干旱区水循环与水过程模拟重点实验室”在新疆挂牌

2009年5月,中国科学院新疆生态与地理研究所干旱区水循环与水过程模拟重点实验室喜获新疆重点实验室授牌。该实验室瞄准国际水文水资源科学研究领域前沿,以干旱区内陆河为主要研究对象,针对新疆水资源利用与调控、水环境污染与修复以及国际河流水资源开发利用等关键问题,将对干旱区内陆河流域开展以下五个方面的重点研究:降水-冰雪径流过程;水耗散和转化过程;水文过程的尺度转化及不确定性;水环境污染与修复;跨境河流水安全等,以期为新疆经济、社会、生态的协调发展提供强有力的科技支撑。     

山地流域水文模拟研究进展与展望

山地水文循环是全球水循环的重要组成部分,山地独特的地形特征、日趋变化的社会经济与新技术(遥感观测和信息科学)发展使得山地水文循环研究成为当前乃至未来水文学关注的热点。山地较大的垂直梯度浓缩了水平自然带的自然地理和生态学特征,具有多样的环境敏感性,因此山地水文过程对土地利用变化和气候变化的响应比平坦地区更为剧烈。明晰山地水文过程对区域防洪减灾、制定全球变化背景下区域水资源可持续利用策略、促进经济社会发展具有重要意义。水文模型是研究水循环的重要工具,但山地产汇流机制的复杂性以及实测水文资料匮乏等一系列问题极大限制了山地水文模拟与预测工作。本文首先系统地从数据获取、参数计算、模型结构、建模理论四个方面介绍了国内外山地水文模拟的研究进展,并总结了经验模型、概念模型及基于物理机制的分布式水文模型在我国山地水文模拟中的应用进展,之后从山地水文要素的空间变异性与垂直变异性、驱动力、数据不确定性、强烈的人为扰动等方面对当前山地水文模拟中面临的挑战与难点进行了论述。通过对国内外相关研究前沿的归纳,从多过程耦合机理研究、山地自然—社会二元水循环理论、大数据背景下多源数据获取与同化研究等方面对我国未来山地水文模拟的工作方向进行了展望。     

山地、湖泊的三维大气－斜压水动力学耦合模式──在日本琵琶湖水－气系统中的应用

大气、湖泊的边界层是大气边界层和湖泊边界层两部分组成的，它们之间通过湍流交换连接在一起，形成一整体系统。经过分界面的动量通量是连续的，热量是守恒的。基于此，本文在近几年工作的基础上，建立了大气边界层与水动力学模式的耦合模型，并对日本琵琶湖进行了实验研究，获得了一些比正压和均匀风场模式更符合观测实际的结论：（１）无论夏季（ＳＳＷ）和冬季（ＮＮＥ）作用下，湖面均可形成正的风涡度场；（２）夏季时，风的正涡度场对形成琵琶湖中观测到的环流特征起着十分重要的作用，而且还构造出与环流相匹配的深水区低、浅水区高的温度场；（３）夏季时，初始温度场的水平分布特征对模式结果的影响很小；（４）冬季时，湖中无明显水平环流生成。     

DEM不确定性影响评价中的填洼分析

洼地广泛存在于DEM实现中,洼地的处理会影响DEM不确定性评价结果。该文利用蒙特卡罗方法模拟DEM不确定性,用偏差指标评价DEM不确定性对坡度和地形指数的影响,将填洼与不填洼情况下的偏差指标相减来量化填洼对DEM不确定性评价的影响。研究发现,洼地对不同参数DEM不确定性影响评价作用不同,随着DEM不确定性的增大,洼地的影响也增大。     

水文模型研究综述

水文模型是水文学发展到一定阶段的产物。依照水文系统的概念,给水文模型下了一个粗略的定义。在初步分析水文模型发展历程的基础上,划分了水文模型的发展阶段。汇总了水文模型的11种分类。依照系统理论模型、概念性模型和分布式模型的分类标准,对各类水文模型的优缺点进行了分析和比较,并探讨了水文模型的可能发展方向。     

基于模块的分布式水文模拟系统及其应用

由于水文循环过程的复杂性和空间变异性,集成不同的水循环模型,基于模块化结构、构建面向多目标的水文模拟系统已经成为当今水文模拟技术发展的一个重要方向。本文从科学研究和水资源管理的实际需要,首次研发国内基于模块化的分布式水文模拟系统,并提出了“信息化水文模拟系统(HydroInformatic Modeling System, 简称HIMS)”。HIMS是一个以水循环信息平台为基础,基于组件式结构设计的开放式综合水循环模拟系统,侧重于分布式水文过程的模拟与应用。文中对HIMS的设计思路,主要功能与结构进行了详细介绍,包括基于国产GIS软件SuperMap的水循环信息系统、模型数据前/后处理系统和水文模型方法库系统。其中,HIMS的水文模型方法库系统集成了水文过程方法库和多种水文模型,并提供定制水文模型的功能。HIMS的提出发展了水文模型理论和建模技术,拓宽了国内分布式水文模型的研究思路。     

水文系统不确定性分析方法及应用研究进展

水文系统是一个复杂的系统,包含了很多不确定性因素,增加了精确模拟和预测水文过程的困难。为了提高计算结果的可靠性,水文系统的不确定性分析已成为当前研究的热点。本文对水文系统不确定性分析方法及应用研究进展进行了分类综述,介绍了它们的数学原理、操作程序和应用现状,并对值得进一步研究的问题进行了展望,指出加强水文过程机理研究、在水文循环过程更多环节上拓宽不确定性研究、以及将多种不确定性分析方法进行综合是未来的研究趋势。     

高寒草甸氮素循环研究进展

高寒草甸氮素循环过程中的物理过程、化学过程和生物过程与土壤、植物的发生、发育紧密联系，因此对物理、化学、生物三个不同过程高寒草甸氮素循环的研究现状进行了分析。     

流域水文模型和GIS集成技术研究现状与展望

该文综述了流域水文数值模拟模型与遥感、地理信息系统集成技术的发展和研究现状，讨论了四种类型集成技术特点、应用和存在的问题。提出了高层次共实体的时空概念框架，以实现水文模型与GIS完全集成，指出水文模型与GIS集成技术研究发展方向。     

塔里木河源流山区径流模拟及不确定性研究

自然环境恶劣、站点稀少、观测困难是干旱区水文系统研究面临的基本问题。特殊的自然地理条件给水文过程带来了极大的复杂性和不确定性,也阻碍了干旱区水文过程和机理研究的发展。选取塔里木河源区开都河流域为研究区,采用分布式水文模型MIKE SHE模拟大尺度资料稀缺地区水文过程,将流域内气象、水文站点数据与遥感数据相结合,利用气象、土壤类型、土地利用和地表覆盖、数字高程(DEM)和降雨等资料,模拟流域水文过程;在出山口径流数据的基础上对模型进行率定和验证;分析了模型中的不确定性的来源,探讨模型优化方法。结果表明,MIKE SHE模型能在水文、气象站点稀少,土壤及水文地质数据缺乏的条件下,模拟开都河流域的日径流过程,但精度仍有待提高;通过分析识别出了隐含于模型结构、输入及参数等3个方面的8种不确定性来源。     

土壤数据空间分辨率对水文过程模拟的影响

分布式水文模型的应用,其准确性有赖于输入数据对流域特征的描述,尤其在大尺度流域,输入数据分辨率的增加是否必然改善模型的模拟效果是值得深入研究的问题。本文以鄱阳湖信江流域为研究区,运用SWAT模型为模拟工具,分析了土壤数据空间分辨率对径流、蒸发及土壤含水量等水文要素模拟的影响以及高精度土壤数据在大流域尺度的适应性。结果表明：不同分辨率的土壤数据对SWAT模型中水文响应单元的划分结果差异显著,但在径流模拟和蒸发计算结果中并没有表现出显著的差别;模型率定前后,低分辨率土壤数据的径流模拟结果略好于高分辨率土壤数据,但两者之间的差别不明显;模型模拟的土壤含水量差异显著,高分辨率土壤模拟的月平均土壤含水量整体大于低分辨率土壤模拟结果;研究还发现,模型的蒸发计算对土壤分辨率信息不敏感。本文研究意味着,大尺度SWAT模型的应用中,土壤数据分辨率的提高不一定会改善模型的模拟效果。在具体应用中,应考虑流域本身的尺度以及模拟精度的要求,选择合适分辨率的土壤数据,同时应结合模型原理和关键参数的物理含义来解释模拟结果。     

粉尘干沉降研究

 粉尘在地球系统中的循环是一个受到广泛关注的研究领域,而粉尘干沉降是该循环中的关键一环。从粉尘干沉降的基本特征入手,分析粉尘在大气边界层中的运动规律和地表收集粉尘的物理过程;结合颗粒性质,地表特征以及流场条件等因素,对粉尘干沉降的研究工作进行了简要的回顾;分析并比较了现有的粉尘干沉降方案和实验结果,对影响粉尘干沉降过程的主要因素进行了讨论。通过对已有工作的总结和分析,指出了粉尘干沉降研究中存在的主要问题及其发展趋势。     

荒漠植被影响土壤水文过程研究述评

简要回顾了有关荒漠植被对土壤水文过程影响的试验研究,介绍了荒漠地区土壤水文过程研究的主要方法以及基本的土壤水分平衡方程,并对特定区域土壤水分动态与植被结构之间的关系进行分析,以期对今后从事该领域的研究与管理者有所启示。由于荒漠地区土壤水文特性具有极高的变异性,因此,阐明荒漠植被区土壤水分动态,确定这一特殊生态系统内植被格局与土壤水文过程的关系,可在理论上回答雨养型人工植被建设与荒漠地区生态恢复工程中,土壤水文过程影响植被结构与格局的基础性科学问题。     

水文循环的生物圈方面(BAHC计划)研究进展

在对国际地圈生物圈计划 (IGBP)的核心项目“水文循环的生物圈方面 (BAHC)”的基本目标和具体研究内容阐述的基础上 ,对 BAHC计划的国际、国内研究进展进行了详细介绍 ,并结合当前 BAHC计划的研究动态 ,对未来的 BAHC研究新的主题和内容进行了探讨。