陆面水文模型TOPX的改进及其与区域气候模式WRF的耦合研究

发布时间：2020-07-11 11:26

【摘要】：水是地球生物赖以生存的重要物质基础,区域水循环是关乎区域经济发展、生态环境健康、水资源安全的重要自然循环。自上世纪70年代以来,全球气候变暖引发的全球水文循环加速、极端气候事件增多、季节降水模式改变等问题导致区域干旱和洪涝频发,这深刻地影响着与水循环密切相关的诸多水问题如水资源调蓄、水土流失、生态环境健康、农业水资源管理等。如何综合利用数值模拟、数据同化、遥感观测等技术,充分发挥陆气耦合模型在区域水循环模拟过程中时空分辨率高、不受观测资料限制、能增长洪水预报预见期等优势,提高陆气耦合模型对降雨径流过程的模拟准确度,并以此为基础精细区域水循环模拟、明晰区域水循环规律是研究全球变化背景下水循环响应的当务之急。淮河流域是我国七大流域之一,地处长江和黄河之间,位于我国南北气候过渡带,面积约270000 km2。此流域占有全国17%耕地,但人口密度却为各大江河流域之首(约660人/km2),是我国重要的农产品基地之一,因此具有重要的社会经济地位。受地理和气候的综合影响,淮河流域降水年际变化大、年内分配不均,汛期(6～9月)降雨量约占全年总降雨量60～80%。这种降雨时空分布不均加上西高东低且以平原为主的地势,导致淮河流域洪涝干旱频发。近年来,在全球变化背景下,淮河流域汛期极端降水呈显著增加趋势,流域径流量变化明显。因此,非常有必要开展可用于全球变化响应分析的陆气耦合模型对淮河流域水循环模拟的适用性研究。论文以淮河流域为研究区,从完善陆面水文模型TOPX地形指数的物理机制和提高区域气候模式WRF降雨预报准确度出发,旨在构建适用于淮河流域强降雨径流过程模拟的陆气耦合模型。论文的主要研究内容和结论包括以下三个方面:(1)研建考虑土壤水力传导度和土壤抗侵蚀能力的新地形指数TI',通过修正现有IMFD算法得到TI'空间分布,并从河网提取和水文模拟两个角度论证TI'的合理性。为量化土壤空间异质性对降雨径流过程的影响,提高以地形为基础的陆面水文模型的模拟效能,论文将土壤饱和导水率(Ks)和土壤可蚀性因子(K)这两个土壤特征参数加入传统地形指数TI(ln(α/tanβ),以构建新地形指数TI,(ln(α/tanβ·Ks·K))。为计算研究区TI'的空间分布且避免采用耗时费力且代表范围有限的野外原位观测,论文首先基于1:100万HWSD 土壤数据库利用SPAW模型和EPIC模型分别求出Ks和K空间分布。其次,从TI'中土壤和地形两个下垫面因素共同决定水流流向的核心思想出发,改进现有地形指数计算方法IMFD并以此求得研究区TI'的空间分布。为了证明TI'的合理性,一方面,应用TI'中土壤和地形共同决定流向的思路改进TauDEM流域河网提取工具中的流向计算模块,从而提取基于TI'的研究区河网。提取结果正确的表现了水流更倾向于流向饱和水力传导度高和可蚀性强的土壤这一自然规律,而与产流密切相关的饱和源面积在一定程度上是流域河网的延伸。这表明TI'能正确反映土壤空间异质性对降雨径流的影响。另一方面,将TI和TI'输入以地形为基础的水文模型TOPMODEL和TOPX,模拟位于不同气候区的流域逐日降雨径流过程。相较于基于TI的模拟结果,基于TI'水文模拟结果的Nash系数在莺落峡流域、王家坝流域和黄桥流域的数值分别提高了 0.063、0.019和0.003。结果表明,TI'能提高基于地形的水文模型的模拟效,且提高作用随着Ks·K空间异质性的增大而加强。(2)采用4D-Var同化技术,以遥感降水资料TRMM3B42和GPM IMERG为观测算子,改善区域气候模式WRF模式的初边界条件,以提高WRF的降雨预报准确度。论文以淮河流域为研究区,以该流域2015年汛期和非汛期两次强降水过程为研究对象。首先,开展了关于WRF模式对降雨类型、初边界条件和空间分辨率的敏感性分析。结果表明,在同一研究区域同一参数配置下,在NCEP ds083.3驱动下的WRF降雨预报准确度好于NCEP ds083.2数据的驱动结果,高分辨率的内区域降雨模拟结果好于低分辨率外区域降雨模拟结果。其次,以NCEP ds083.3 分析数据驱动基于 TRMM 3B42 或 GPM IMERG 的 WRF 4D-Var降雨预报,通过对比同化实验与其对应的控制实验的模拟结果发现:基于TRMM 3B42或GPM IMERG的WRF 4D-Var同化系统均能有效改善WRF模式的降雨预报效能,且由于WRF运行过程中的误差累积,4D-Var同化对WRF降雨准确度的实质性提高能维持大约12小时。直接同化GPM IMERG的WRF 4D-Var降雨模拟准确度高于直接同化TRMM 3B42的WRF4D-Var降雨模拟准确度。在9 km内区域,与流域内气象站逐日观测降雨相比,同化GPM IMEG的WRF 4D-Var系统对汛期和非汛期研究强降雨事件的Pearson相关系数分别为0.74和0.51;与融合的CMORPH逐小时数据相比,两强降雨事件模拟结果的HSS均达到0.31。(3)实现陆面水文模型TOPX与区域气候模式WRF在1 km水平格网上的耦合及其在王家坝流域的强降雨径流过程模拟。论文以淮河流域子流域——王家坝流域为研究区,以该流域2015年汛期的一次强降雨径流过程为研究案例,在新地形指数和4D-Var同化技术验证有效的基础上,为保证基于TOPX和WRF陆气耦合模型的模拟效能,一方面,以TI'为TOPX的地形指数输入,基于长期和短期降雨径流对TOPX进行了率定验证。期间,TOPX模型对短期降雨径流模拟的Nash系数最低值为0.747。另一方面,采用4D-Var算法同化GPM IMERG卫星降雨数据来提高WRF模式降雨预报准确度。与研究区雨量站和蒸发量站实测降雨量和潜在蒸散发相比,WRF 4D-Var系统模拟出的逐日降雨和逐日潜在蒸散发整体上分别小于和大于实测值,与实测值的Pearson相关系数分别为0.444和0.746。最后,研究采用四重网格嵌套技术实现了 TOPX与WRF在1 km格网上的陆气耦合。陆气耦合模型的评估结果表明,基于TOPX与WRF4D-Var的陆气耦合模型生成的逐日土壤湿度模拟值与SMAP Level 4根区逐日土壤湿度数据的Pearson相关系数的流域平均值为0.802。该陆气耦合模型模拟的逐日出口流量整体上要小于水文站实测值,其Nash系数为0.543。可见,基于TOPX和WRF4D-Var同化系统的陆气耦合模型能较好的再现王家坝流域强降水径流过程。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P467
【图文】：

向径,多流,格网计算,方法

图２．１多流向径流分配方法１２３１逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２．１邋Ｆｌｏｗ邋ｐａｒｔｉｔｉｏｎ邋ｍｅｔｈｏｄ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｍｕｌｔｉｐｌｅ邋ｆｌｏｗ邋ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ邋ａｌｇｏｒｉｔｈｍ逡逑如图２．１所示，ＦＤ８－Ｑｕｉｎｎ算法可用３Ｘ３的格网计算窗口表示。依据下坡逡逑１７逡逑

流域,黄桥,位置图

三个备选方案中选出最优方案。逡逑莺落峡流域位于我国第二大内陆河一一黑河的莺落峡水文站以上的祁连山逡逑山区（如图２．２（ａ）所示），地理位置介于东经９８°３４’？丨０１°９＇，北纬３４°４３’？３９°３６’逡逑之间，集水面积１０００９邋ｋｍ２［１５ｎ。该流域内地形复杂，海拔范围１６３７？５０７６邋ｍ。逡逑流域常年降水量约４００邋ｍｍ，年蒸发能力约１６００邋ｍｍ，降水量年内分配极为不匀，逡逑属于典型的干旱半干旱区流域。逡逑王家坝流域位于我国七大河流之一的淮河的上游（如图２．２（ｂ）所示），流域面逡逑积为３０６３０邋ｋｍ２。该流域位于东经１１３．３°？１１５．８°和北纬３１．５°？３３．４°之间，地处逡逑我国南北气候过渡带一一淮河以北属暖温带区，淮河以南属于北亚热带区。流域逡逑２１逡逑

土壤水,流域,土壤分类系统,土壤信息

采用ＷＧＳ８４坐标投影系统，土壤分类系统主要为ＦＡＯ－９０，其中的中国地区数逡逑据源为１９９５年全国第二次土地调查由南京土壤所所提供的１N０００，０００邋ｔ：壤数据＾逡逑ＨＷＳＤ不仅包括水平土壤分类（如图２．３所示），还包含计算尺，和尺所需的垂逡逑直土壤信息，如每种土壤类型的深度和其粘土、砂、淤泥和有机碳的含量等。逡逑Ａ邋Ｌｅｇｅｎｄ逡逑？？邋一＊＊逦Ｓｏｉｌ邋Ｔｙｐｅ邋（ＦＡＯ－９０）邋■Ｈａｐｌｉｃ邋Ｇｒｅｙｚｅｍｓ逡逑■逦？Ｃａｌｃａｒｉｃ邋Ｐｈａｃｏｚｅｍｓ邋？ｉｌａｐｌｉｃ邋Ｇｙｐｓｉｓｏｌｓ逡逑■Ｃａｌｃｉｃ邋Ｃｉｌｅｙｓｏｌｓ逦Ｈａｐｌｉｃ邋Ｋａｓｔａｎｏｚｅｍｓ逡逑＾Ｃａｌｃｉｃ邋Ｋａｓｔａｎｏｚｅｍｓ邋？Ｋａｓｔａｎｏ／．ｅｍｓ逡逑＇邋Ｊ邋ｒ邋一逦■Ｅｕｔｒｉｃ邋Ｌｅｐｔｏｓｏｌｓ邋■Ｌｕｖｉｃ邋Ｃｈｅｒｎｏｚｅｍｓ逡逑ａｉＧｅｌｉｃ邋Ｃａｍｂｉｓｏｌｓ邋＿Ｍｏｌｌｉｃ邋Ｇｌｅｙｓｏｌｓ逡逑■Ｇｄｉｃ邋Ｌｅｐｔｏｓｏｌｓ邋■■Ｍｏｌｌｉｃ邋Ｌｅｐｔｏｓｏｌｓ逡逑■Ｇｌａｃｉｅｒｓ逦ｍＲｅｎｄｚｉｃ邋Ｌｅｐｔｏｓｏｌｓ逡逑（）２０４（Ｖ￣逦Ｙｉｎｇｌｕｎｘｉａｗａｉｅｒｓｈｅｄ逦＂Ｈａｐｌ＇ｃ邋Ｃｈｅｒｎｏｚｅｍｓ逦－Ｔｅｒｒｉｃ邋Ｈｉｓｔｏｓｏｌｓ逡

【参考文献】