CN05.1气象数据在流域水文模拟中的应用——以新疆开都河流域为例

为探讨中国再分析气象数据集CN05.1在流域水文模拟中的适用性潜力,以开都河流域为研究区,分别使用CN05.1数据集和传统气象站数据驱动SWAT水文模型,采用决定系数（R ²)、纳什效率系数（NSE）和相对误差（R_e）等评价指标对二者模拟效果进行对比分析,以确定CN05.1数据的适用性;最后采用两种数据订正方法对CN05.1降水数据进行了订正,并以水文模拟效果进行评价。研究结果表明:(1) CN05.1气象数据在开都河流域的水文气象模拟中具有较强的适用性;(2) 基于SWAT模型的水文模拟显示,CN05.1数据驱动的水文模拟精度高于传统气象站数据,其率定期（1995—2005年）和验证期（2006—2016年）的R ²分别为0.81和0.73,NSE分别为0.81和0.72,R_e分别为-0.97%和0.39%;(3)两种数据订正方法均能较好地再现流域径流变化过程,但基于空间关系订正法的径流模拟效果更好,R ²和NSE均在0.72以上,|R_e|＜1.7%。由此,订正后的CN05.1降水数据一方面弥补了传统气象站数据缺失的问题,另一方面补足了未订正CN05.1降水数据在径流模拟中峰值欠佳的问题。     

兰江流域气候与水文模拟研究

该文建立了气候 水文嵌套模式,用于气候变化情景下流域气候、水文模拟,并在此基础上进行水资源评估。首先应用20 km高分辨率的区域气候模式RegCM3,嵌套全球环流模式FvGCM的大气部分,在中国东部地区进行了两组30 a积分的模拟试验,即控制试验和未来预测试验。控制试验（1961—1990年）结果表明,RegCM3能较细致地刻画浙江省的地形分布,模拟的浙江省的多年平均气温和降水均呈现出明显的地形特征,与实况较为符合。兰江流域年平均气温模拟较好,但夏季降水模拟量明显偏低。在未来预测试验中,构建了SRES A2排放情景下兰江流域2071—2100年的气候变化情景。然后,用兰江流域的历史观测资料对分布式水文模型DHSVM进行了率定和验证,该模型较好地再现了兰江流域的历史径流过程,具有较好的模拟特性。最后,将RegCM3的两组试验结果输入到DHSVM中,驱动模型进行水文模拟。模拟结果表明：相对于1961—1990年,兰江流域2071—2100年各月的平均气温均呈上升趋势,年平均气温上升幅度达2.84 ℃;年降水量也将增加,主要发生在4—7月的汛期,可能会导致汛期洪涝灾害发生频率上升;年径流深变化与年降水量变化基本一致,汛期径流将明显增加。在全球持续变暖的背景下,兰江流域未来高温热浪和洪涝等气候、水文极端事件有可能进一步加剧。     

RegCM4.4对中国夏季气候的回报和2014年预测

利用区域气候模式对全球气候模式季节预测产品进行动力降尺度,是获取未来高分辨率季节气候预测结果的重要途径。使用区域气候模式RegCM4.4单向嵌套国家气候中心气候系统模式BCC_CSM1.1(m)输出结果,进行东亚19912013年逐年3月1日—9月1日的气候回报试验及2014年3月1日9月1日的气候预测试验。分析模式对中国地区夏季（6-8月）地面气温和降水的回报结果表明:RegCM4.4对夏季气候态的回报优于驱动场模式BCC_CSM1.1(m),并能提供更详细可靠的局地信息;RegCM4.4回报和观测的多年平均气温、降水的空间距平相关系数（ACCs）分别为-0.04和0.01,空间距平符号一致率（PCs）分别为51.1%和50.6%,趋势异常综合评分（PS）分别为64.2和70.3,均方差误差（MSE）分别为1.09 ℃和0.30 mm/d。RegCM4.4对中国地区2014年夏季气候预测结果表明,模式对夏季气温、降水距平整体分布的预测较好,但在次区域尺度上预测结果和观测存在差别。本研究只进行了一个区域气候模式RegCM4.4嵌套一个全球模式BCC_CSM1.1(m)单样本回报和预测试验的动力降尺度试验研究,未来在改进驱动场模式和区域气候模式模拟预测性能、订正驱动场模式输出系统误差及提高运算能力的基础上,进行多模式多样本的集合试验研究,有助于提高精细化短期气候预测产品的质量。     

全国各省市气象科技期刊文章摘编46

1RegCM3引入气溶胶间接气候效应模拟效果对比 气象与环境学报2012年第l期徐萌柳浙江国际海运职业技术学院316021 摘要：采用高分辨率模式和最新资料对硫酸盐的辐射强迫和气候效应重新评估很有意义。利用2006年区域气候模式RegCM3和Streets气溶胶排放源清单,在原模式中引入间接气候效应模块,改进云降水方案,对硫酸盐气溶胶的时空分布、辐射强迫效应进行了模拟研究。     

陆面过程模型CoLM与区域气候模式RegCM3的耦合及初步评估

陆面过程通过影响陆面和大气之间物质（如,水分）和能量的交换影响气候, 其参数化方案对数值天气预报、全球及区域气候模拟有重要影响。本研究利用对生物物理、生物化学过程考虑更全面的陆面模式Common Land Model(CoLM) 替代区域气候模式RegCM3原有的陆面模式BATS, 发展了耦合区域气候模式C－RegCM3; 将其应用于东亚地区典型洪涝年份夏季气候模拟以进行评估, 结果表明新耦合的模式C－RegCM3能合理模拟大尺度环流场、近地表气温和降水的分布特征, 对西北半干旱地区降水模拟比RegCM3有所改进。通过利用区域气候模式C－RegCM3及RegCM3对地表能量和水文过程模拟结果的比较, 发现在半干旱、半湿润过渡区C－RegCM3模拟的潜热增大、感热减小; 模拟的地表吸收太阳辐射差异较明显的地区位于模式模拟的主要雨区; C-RegCM3在上述过渡区模拟的夏季地表土壤湿度比RegCM3偏干, 这与它在过渡区降水模拟偏少、蒸散发模拟偏大相对应, 体现了该模式在半干旱、半湿润过渡带模拟出比RegCM3更明显的局地土壤湿度－降水－蒸散发之间的正反馈作用。     

基于高分辨率区域气候模式的三峡库区降水变化模拟与预估

基于三峡库区1961—2005年逐日降水格点数据,评估由BCC_CSM1.1模式驱动的RegCM4区域气候模式、MPI—ESM—LR模式驱动的CCLM区域气候模式对三峡库区年平均降水量、极端降水的模拟能力,筛选出与观测更为接近的区域气候模式模拟数据,预估在RCP4.5温室气体排放情景下未来2016—2050年三峡库区降水变化特征。结果表明:RegCM4和CCLM模式能够模拟出三峡库区降水量和暴雨日数的季节、年际变化特征和空间分布形态,但在库区东南部模拟的数值均偏少,而对暴雨强度不具备模拟能力。总体而言,CCLM模式对三峡库区降水的模拟效果好于RegCM4。在RCP4.5情景下,2016—2050年三峡库区年降水量未表现出明显变化趋势,而年暴雨日数将显著增加,平均较当代(1986—2005年)增加1.2 d。     

基于SWAT模型的岷江上游流域水文模拟与干旱评估

以地势复杂、海拔高差悬殊的岷江上游流域为研究区域,选取2013~2017年水文、气象观测、土地利用、土壤类型及DEM等数据,驱动SWAT（Soil and Water Assessment Tool）分布式水文模型,在参数敏感性分析的基础上对模型进行校正和验证,模拟岷江上游流域日径流量变化过程,并采用基于SWAT计算的CI综合气象干旱指数,分析岷江上游流域典型年份干旱灾害的时空演变特征。结果表明：（1）SWAT模型在岷江上游流域具有较好的适用性,校正期及验证期R²和E_NS值均在0.70以上;（2）SWAT模型能较好地模拟岷江上游流域的水文变化过程,实测与模拟的逐日径流量变化趋势大体一致,尤其是6、7月主汛期时段的模拟效果最好;（3）基于SWAT计算的CI综合气象干旱指数较为客观地反映了岷江上游流域干旱的时空演变特征,有助于实现干旱灾害的监测和评估。     

我国华东地区月尺度气候动力预测的研究:(Ⅰ)区域模式建立及模拟检验

用一个耦合了VXM水文模型的区域气候模式RegCM3,采用了较高的水平分辨率(40 km),对我国华东地区进行月尺度短期气候模拟及评估。本文主要介绍系统建立和使用1981~2000年共20 d的月尺度资料进行的气候模拟试验和检验研究,使用国家气候中心提出的计算评估方法,针对近地层温度和降水做了评估。结果表明,本系统在“消除”系统模拟偏差后,可以较稳定地对我国华东地区的温度和降水进行月尺度短期模拟,评分结果较高。总之,由对此区域气候模式的模拟能力的初步检验与评估看来,可进一步研究此模式,以作为业务预报模式投入实际应用。     

贵州望谟河流域径流量的延伸期预报试验

由于极端天气事件导致灾害频发,为延长洪水预见期,以望谟河流域为例,利用DEM数字高程资料、土地利用数据、土壤数据、气象数据等驱动SWAT水文模型,对流域水文循环过程进行了模拟,并采用2016～2018年逐日和2010～2018年逐月望谟水文监测站实测径流数据进行了率定和验证。同时基于CFSv2模式,采用双线性插值法得到延伸期时段望谟站2019年6月1日起报的未来45d的降水预报产品,与实况数据作对比分析,并与SWAT模型耦合进行了延伸期时段的径流量耦合预报。结果表明:(1)望谟河流域日尺度模拟中,率定期确定系数R2和Nash-Sutcliffe系数NSE均为0.75,验证期R2=0.61,NSE=0.55,月尺度模拟中,率定期R2=0.85,NSE=0.81,验证期R2=0.80,NSE=0.74,无论日尺度或月尺度,百分比偏差PBIAS的绝对值均在5%以内,模拟效果较好,可满足应用要求;(2)以2019年6月1日为起报日得到的CFSv2未来10～45d降水数据,CFSv2降水预报过程与实况趋势总体一致,强降水过程时段偏差在1～3d左右,但日降水量级的预报值偏小,说明需对CFSv2模式产品进行系统误差订正。基于SWAT模型与CFSv2降水预报产品的径流量耦合预报在未来10～15d内的变化趋势与实测值一致,尤其在未来10d左右模拟趋势效果最好;(3)对比6月10～13日不同起报日的降水数据,4个起报时刻对于未来10d强降雨过程均有稳定的预报信号,以6月10日作为起报日的径流量耦合预报于提前10～20d效果较为稳定,但由于降水预报量级偏小,致使径流量的模拟量级也偏小。研究成果为延伸期时段水文气象耦合模式的洪水预报试验研究提供了参考。      

南渡江流域暴雨洪涝致灾临界面雨量的确定

基于海南省南渡江流域龙塘水文站1976—1987年和2009—2010年的逐日气象水文资料,采用HBV-D水文模型,通过对模型参数率定和验证,确定了适合南渡江流域的HBV-D水文模型最优化参数。结果表明：该模型在1976—1981年率定期、1982—1987年验证期和2009—2010年验证期的Nash-Sutcliffe效率系数分别为0.891,0.831,0.953,相关系数分别为0.944,0.912,0.977,达到了0.01显著性水平。通过建立的南渡江流域HBV-D水文模型进行模型反演,确定了不同前期水位 (7 m,8 m,9 m,10 m,11 m) 的面雨量和水位关系,根据龙塘水文站的警戒水位、10年重现期水位、30年重现期水位、50年重现期水位作为不同等级预警的临界判别条件,最终确定了不同前期水位的致灾临界面雨量指标。     

土地利用变化对长江流域气候及水文过程影响的敏感性研究

使用区域气候模式(RegCM3)和大尺度汇流模型(LRM), 研究土地利用/植被覆盖变化对长江流域气候及水文过程的影响。RegCM3嵌套于欧洲数值预报中心 (ECMWF) 再分析资料ERA40, 分别进行了中国区域在实际植被和理想植被分布情况下两个各15年 (1987～2001年) 时间长度的积分试验。随后, RegCM3 两个试验的输出径流结果分别用来驱动LRM, 研究土地利用/植被覆盖变化对长江流域河川径流的影响。研究结果指出, 中国当代土地利用变化对长江流域降水、蒸散发、径流深及河川径流等水文气候要素的改变较大, 对气温的改变并不明显。土地利用变化引起长江干流河川径流量在夏季(6～8月)有所增加, 并且越向下游增加幅度越大, 其中大通站径流量增加接近15%。总体而言, 土地利用改变加剧了长江流域夏季水循环过程, 使得夏季长江中下游地区降水增多, 径流增大。     

华北地区未来气候变化的高分辨率数值模拟

使用20km高水平分辨率的区域气候模式RegCM3,单向嵌套FvGCM/CCM3全球模式,进行了中国区域气候变化的数值模拟试验,分析华北地区夏半年4-9月的气温、降水和高温、干旱事件的变化。模式积分时间分为两个时段,分别为当代的1961-1990年和在IPCC SRES A2温室气体排放情景下的21世纪末2071-2100年。模式检验结果表明:在大部分月份,区域模式对当代气候的模拟都较全球模式更好。两个模式模拟的未来气温和降水变化,在空间分布型和量级上都有一定不同,如区域模式的升温更高,降水出现大范围减少等。此外,使用日最高气温不低于35℃的日数(D_(T35))和考虑了湿度因素的炎热指数(I_(H))不低于35℃的日数(D_(H135)),分析了区域模式模拟的未来高温事件变化,结果表明:未来华北地区D_(T35)和平原地区D_(H135)均有较大增加。未来华北地区的连续干旱日数(CDD)将增加,依照UNEP(United Nations Environment Programme)干旱指数(A_(U))给出的气候湿润区将有较大幅度减少,而半湿润半干旱区和半干旱区面积将增加。     

Comparison of regional climate model and statistical downscaling simulations of different winter precipitation change scenarios over Romania

Summary Regional climate model and statistical downscaling procedures are used to generate winter precipitation changes over Romania for the period 2071–2100 (compared to 1961–1990), under the IPCC A2 and B2 emission scenarios. For this purpose, the ICTP regional climate model RegCM is nested within the Hadley Centre global atmospheric model HadAM3H. The statistical downscaling method is based on the use of canonical correlation analysis (CCA) to construct climate change scenarios for winter precipitation over Romania from two predictors, sea level pressure and specific humidity (either used individually or together). A technique to select the most skillful model separately for each station is proposed to optimise the statistical downscaling signal. Climate fields from the A2 and B2 scenario simulations with the HadAM3H and RegCM models are used as input to the statistical downscaling model. First, the capability of the climate models to reproduce the observed link between winter precipitation over Romania and atmospheric circulation at the European scale is analysed, showing that the RegCM is more accurate than HadAM3H in the simulation of Romanian precipitation variability and its connection with large-scale circulations. Both models overestimate winter precipitation in the eastern regions of Romania due to an overestimation of the intensity and frequency of cyclonic systems over Europe. Climate changes derived directly from the RegCM and HadAM3H show an increase of precipitation during the 2071–2100 period compared to 1961–1990, especially over northwest and northeast Romania. Similar climate change patterns are obtained through the statistical downscaling method when the technique of optimum model selected separately for each station is used. This adds confidence to the simulated climate change signal over this region. The uncertainty of results is higher for the eastern and southeastern regions of Romania due to the lower HadAM3H and RegCM performance in simulating winter precipitation variability there as well as the reduced skill of the statistical downscaling model.     

21世纪天山南坡台兰河流域径流变化情景预估

基于台兰水文站2003—2005年观测的水文气象数据,通过参数率定和验证获得了适用于台兰河流域的HBV水文模型优化参数。应用RegCM3气候模式在IPCC SRES A1B情景下的预估数据,经Delta降尺度方法生成流域未来气候数据,并结合流域冰川退缩情景预估台兰河流域径流在21世纪中期(2041—2060年)和末期(2081—2100年)可能发生的变化。结果表明:在21世纪中期和末期,台兰河流域气温将显著上升,而降水变化不大;21世纪中期冰川3种可能退缩比例为15%、20%和25%,末期分别为20%、30%和40%;无论冰川处于哪一种退缩情景,21世纪径流较基准期(1981—2000年)都呈增加趋势,中期和末期最小增幅将分别为17.3%和18.6%;最大增幅可达45.9%和66.0%;耦合RegCM3气候模式预估增幅为28.9%和41.5%;台兰河流域未来径流年内分布与基准期大体相同,但又呈现出一定的差异性,具体表现为,在21世纪中期5月份径流增加很快,径流峰值出现在7月份,而到21世纪末期径流峰值出现在8月份。     

High resolution simulations of January and July climate over the western Alpine region with a nested Regional Modeling system

Summary High resolution January and July present day climatologies over the central-western Alpine region are simulated with a Regional Climate Model (RegCM) nested within a General Circulation Model (GCM). The RegCM was developed at the National Center for Atmospheric Research (NCAR) and is run at 20 km grid point spacing. The model is driven by output from a present day climate simulation performed with the GCM ECHAM3 of the Max Planck Institute for Meteorology (MPI) at T106 resolution (~ 120 km). Five January and July simulations are conducted with the nested RegCM and the results for surface air temperature and precipitation are compared with a gridded observed dataset and a dataset from 99 observing stations throughout the Swiss territory. The driving ECHAM3 simulation reproduces well the position of the northeastern Atlantic jet, but underestimates the jet intensity over the Mediterranean. Precipitation over the Alpine region in the ECHAM3 simulation is close to observed in January but lower than observed in July. Compared to the driving GCM, the nested RegCM produces more precipitation in both seasons, mostly as a result of the stronger model orographic forcing. Average RegCM temperature over the Swiss region is 2–3 degrees higher than observed, while average precipitation is within 30% of observed values. The spatial distribution of precipitation is in general agreement with available gridded observations and the model reproduces the observed elevation dependency of precipitation in the summer. In the winter the simulated elevation of maximum precipitation amounts is lower than observed. Precipitation frequencies are overestimated, while precipitation intensities show a reasonable agreement with observations, especially in the winter. Sensitivity experiments with different cumulus parameterizations, soil moisture initialization and model topography are discussed. Overall, the model performance at the high resolution used here did not deteriorate compared to previous lower resolution experiments.The National Center for Atmospheric Research is sponsored by the National Science Foundation.With 11 Figures     

区域气候模式(RegCM2)与水文模式耦合的数值试验

建立不均匀的地表径流算法，修改RegCM2的径流方案，设计了一个适合与气候模式RegCM2耦合、能模拟水文站流量的汇流模式，模拟了1998年6、7、8月降水的空间分布，分析了该径流方案对降水、地表热量通量、地表径流、土壤湿度产生的影响。结果表明：（1）该方案在模拟1998年长江流域降水空间分布上有一定的合理性，在一定程度上改善了降水量的模拟，其影响大致是总降水量的10％；（2）地表径流方案改变了地面向大气输送的热量通量，这种作用随时间发生变化，这种变化与地表水分的再分配有关；（3）本方案计算的土壤渗透率较强，在暴雨初期，产生径流较少，而在暴雨后期土壤湿度增大，产生的地表径流较大，这一点更符合洪水形成的特点；（4）水文一气候耦合模式模拟了两个长江水文站的流量，模拟值基本反映了实测值的变化趋势，也表明耦合模式基本能反映1998年夏季长江流域大暴雨期间的地表水文过程。     

Coupling of a Regional Climate Model with a Crop Development Model and Evaluation of the Coupled Model across China

In this study, the CERES(Crop Estimation through Resource and Environment Synthesis) crop model was coupled with CLM3.5, the land module of the regional climate model RegCM4. The new coupled model was named RegCM4_CERES; and in this model, crop type was further divided into winter wheat, spring wheat, spring maize, summer maize, early rice, late rice,single rice, and other crop types based on each distribution fraction. The development of each crop sub-type was simulated by the corresponding crop model separately, with each planting and harvesting date. A simulation test using RegCM4_CERES was conducted across China from 1999 to 2008; a control test was also performed using the original RegCM4. Data on crop LAI(leaf area index), soil moisture at 10 cm depth, precipitation, and 2 m air temperature were collected to evaluate the performance of RegCM4_CERES. The evaluation provided comparison of single-station time series, regional distributions,seasonal variations, and statistical indices for RegCM4_CERES. The results revealed that the coupled model had an excellent ability to simulate the phonological changes and spatial variations in crops. The consideration of dynamic crop development in RegCM4_CERES corrected the wet bias of the original RegCM4 over North China and the cold bias over South China.However, the degree of improvement was minimal and the statistical indices for RegCM4_CERES were roughly the same as the original RegCM4.     

作物生长对流域水文过程与区域气候的影响

利用区域气候模式RegCM3以及考虑作物生长过程的耦合模式RegCM3_CERES对东亚区域进行20年模拟,研究作物生长对流域水文过程与区域气候的影响。结果表明：考虑作物生长过程的耦合模式模拟海河流域、松花江流域、珠江流域多年平均降水效果明显改进,在除黑河流域外的各流域模拟的温度负偏差有所减小,其中在海河流域、淮河流域的夏季改进尤为明显。各流域夏季（6、7、8月）月蒸散量最高,其中长江流域、海河流域、淮河流域、珠江流域的夏季月蒸散量基本上在100 mm左右,并且七大流域蒸散发的季节变化趋势跟总降水基本一致。多数流域考虑作物生长过程的耦合模式模拟得出蒸散发减少且进入的水汽增加,导致局地水循环率减小;黑河流域与黄河流域降水有所增加,其他流域均有不同程度的减小。针对长江流域,比较耦合模式RegCM3_CERES与模式RegCM3模拟结果显示,叶面积指数减少1.20 m²/m²,根区土壤湿度增加0.01 m³/m³,进而导致潜热通量下降1.34 W/m²（其中在四川盆地地区减少16.00 W/m²左右）,感热通量增加2.04 W/m²,从而影响到降水和气温。