论文部分内容阅读
本论文的研究目标是建立区域气象-陆面-水文耦合模式系统，并应用于气象水文灾害过程的模拟与预报预警，实现天气预报和水文预报的一体化。围绕上述目标，本论文在系统评估陆面-水文模式LSX-HMS和陆面水文耦合模式CLHMS1.0在中国典型流域模拟性能的基础上，从模式参数、模式物理过程、模式计算方法等几个方面对模式进行了改进和完善，发展了陆面水文耦合模式CLHMS1.1，并检验了其对淮河流域陆面水文过程的模拟性能;随后，利用陆面水文耦合模式CLHMS1.1中的地下水模块、河流模块（包括地下水与河流/湖泊相互作用及坡面河道汇流过程）及地下水-土壤耦合方法对区域气象模式WRF中的陆面参数化方案Noah进行了改进，初步构建了区域气象-陆面-水文耦合模式系统CALHMS，并利用该系统对淮河流域水文洪涝灾害进行了预报试验及检验。总的来说，本论文的主要研究成果可归纳如下: (1)陆面-水文模式LSX-HMS对中国典型流域水文过程的模拟评估:利用陆面-水文模式LSX-HMS对中国典型区域（淮河流域和中国西南地区元江流域）长时间的水文过程进行了模拟评估，结果表明:LSX-HMS模式能较准确地模拟出淮河流域1951-2006年期间典型早涝年份的径流过程，模拟的月流量与实测流量过程吻合较好;模式对淮河流域各站逐日水文过程也有较高的模拟精度，可较为准确地刻画各年的洪峰来临及退洪过程;LSX-HMS模式对中国西南地区元江流域1980-1990年的逐月水文过程有较好的模拟能力，模拟流量与观测流量的时间序列相似度较高，但模式模拟流量的幅值与观测相比有一定的偏差。 针对淮河流域2007年夏季特大洪涝过程的模拟及检验结果表明:LSX-HMS陆面-水文模式模拟的洪峰来临时间较观测滞后，各站模拟洪峰流量较观测洪峰流量偏小，而干旱期模式模拟流量较观测流量偏大。这可能与该模式并未能实现陆面和水文过程的完全耦合有关。 (2)陆面-水文耦合模式CLHMS1.0的评估及关键参数率定:系统评估了陆面水文耦合模式CLHMS1.0在我国淮河流域的模拟性能，结果表明:CLHMS1.0模式虽然可以对淮河流域关键水文站的河道流量等水文变量有较好的模拟能力，但模式对水循环过程的模拟存在显著偏差，如CLHMS1.0模式模拟的河道流量主要来源为地下水补给，与淮河流域河道流量主要为降水补给的观测实际不符。在上述数值模拟评估的基础上，细致分析了模式关键参数（水力传导度和河道糙率系数）对模式模拟结果的影响;基于水文控制站的集水区域将淮河流域划分为四个子流域，根据各子流域的土壤岩石地质类型确定了各子流域的水力传导度，并根据各水文控制站模拟与观测流量的时间对应关系对河道糙率系数进行了调整，从而生成相对准确、可充分考虑流域空间非均匀性的模式关键参数数据集。利用更新了水力传导度和河道糙率参数库的CLHMS1.0模式，对淮河流域1980年逐日水文过程进行了模拟评估，结果表明:考虑河道糙率系数的空间非均匀性后，模式提高了王家坝水文控制站上游模拟水流流速，减小了对王家坝洪峰来临时间的模拟偏差;依据不同子流域的土壤岩石地质类型选定不同的水力传导度参数组合后，模式能够更加准确地刻画淮河流域的水文过程。 (3)陆面-水文耦合模式CLHMS1.1的建立及模拟评估:在CLHMS1.0的基础上，提出了可考虑网格间坡度、网格内高程差异以及网格土壤湿度等因子影响的次网格坡面直接产流参数化方案;并在CLHMS1.0中引入高精度、计算稳定的四阶Runge-Kutta计算方法用于土壤湿度方程的求解，进而发展了陆面水文耦合模式CLHMS1.1。分析结果表明:次网格坡面直接产流参数化方案的引入可显著提高耦合模式对对淮河流域各水文控制站水文过程的模拟能力;而采用计算精度更高的四阶Runge-Kutta计算方法后，与模式原先采用的隐式双线性迭代法求解方法相比，耦合模式可更为准确地捕捉洪水的起落过程。基于CLHMS1.1模式对淮河流域1980-2003年陆面水文过程的模拟及验证结果表明:陆面水文耦合模式CLHMS1.1能较好地模拟出观测的土壤湿度的年际变化特征和垂直层次变化，对观测地下水位的季节变化也有较好的模拟能力;模式可以很好地模拟出1980-2003年王家坝、鲁台子和蚌埠站观测流量的逐日变化过程，对主要洪峰模拟精度更高，误差更小。针对淮河流域3次洪水过程（2000、2003、2007年）的模拟检验表明，CLHMS1.1可以较准确地模拟出洪峰的来临时间和峰值。 (4)气象-陆面-水文耦合模式CALHMS的建立及预测试验:利用陆面水文耦合模式CLHMS1.1中的河流模块（考虑河流、湖泊和地下水相互作用及坡面、河道汇流）、地下水模块及地下水-土壤相互作用的耦合方法，对中尺度天气预报模式WRF中的陆面过程参数化方案Noah-LSM进行了改进，完善了Noah-LSM陆面过程模式对水文水循环过程的描述;实现了改进的Noah模式与WRF模式的耦合，初步建立了区域气象-陆面-水文耦合模式CALHMS，并对淮河流域2007年暴雨洪涝灾害个例进行了模拟预测试验。结果表明:对于2007年淮河流域洪涝事件，CALHMS模式模拟的蚌埠水文站流量与观测流量有较好的对应，对整个洪涝过程也有一定的模拟能力，表明该模式对流域洪涝灾害具有一定的预报技巧。