陆面水文过程模型TOPX构建及其与区域气候模式RIEMS的耦合应用

论文摘要

水是土壤-植被-大气传输系统（SVAT）物质、能量循环的主要驱动力和载体,也是地球系统中大气、生态、水文、人类活动等时空变化的重要纽带。20世纪以来,由于全球变暖、人类活动的负面影响,地球上的水循环正在发生巨大变化,干旱、洪涝灾害等极端气候、水文事件频繁发生,水资源时空变化加剧,直接影响到人类的生产、生活和社会经济的可持续发展,人类正面临着一个变化的地球的挑战。近20年来国际地圈-生物圈计划（IGBP）,世界气候研究计划（WCRP）,全球能量和水循环实验（GEWEX）都将陆面水文过程作为全球变化的重要的研究内容之一,进行了大量的陆面水文过程模拟研究及其与气候模式之间的耦合应用研究。如何在大气模式中建立既能有效描述水循环时空演变过程,又能对一定区域范围内的水文、水资源进行定量评估的陆面水文过程模型已经成为全球变化研究中的热点话题。如果能将模拟性能较好的陆面水文过程模型与空间分辨率较高的区域气候模式有机地耦合起来,我们就可以利用气候模式所提供的不同的情景场来驱动水文模型,在一定程度上模拟和解释未来气候变化条件下水文、水资源的可能响应,这对于极端气候、水文事件的真正预测和预警具有重要意义。基于半分布式TOPMODEL模型、概念性新安江模型等经典水文模型的原理和思想,研建简单高效的、同时又能表达陆地表面地形地貌特征的、较好描述二维水文过程的大尺度水文模型是目前发展和完善陆面水文过程的一个有效而且切实可行的方法。本论文就是要借助TOPMODEL的地形指数概念（TOP）和新安江模型的水量平衡思想（X）,构建一个具有地形指数尺度转换机制的陆面水文过程模型TOPX,并将其与RIEMS区域气候模式紧密耦合,以提高气候模式对陆面水文过程的模拟能力。由于本论文提出的陆面水文过程模型TOPX的一个非常重要的特征是考虑地形指数的尺度转换机制,这使得其在区域气候模式对水文过程的模拟中就可以用较为粗糙的大尺度地形特征数据推导出流域尺度地形参数值,这种地形特性的充分考虑对于区域模式中大尺度水文模拟更精确地表达地形信息具有重要应用价值。围绕这一研究目的,本论文比较深入细致地研究和探讨了构建TOPX模型并实现与RIEMS模式耦合工作中所需要解决的四个关键性核心问题。（1）.提出了一个理论上更合理,实际计算结果更准确的地形指数新算法IMFD。基于多流向算法的基本原理,本论文研建的IMFD法对地形指数计算中的流动累积分配的有效等高线长度精确计算提出了几何锥面内切圆算法,客观计算出了有效等高线的准确长度,改变了多流向算法中对该参数进行主观估计的缺陷;同时,根据地形指数本身物理意义,修正了传统的地形指数中单位等高线汇流面积的计算公式;另外还增强了算法对DEM中异常栅格的处理能力。为了检验IMFD法的有效性,论文采用人造DEM对该方法进行了定量评估,并在不同尺度流域上进行了实地验证。（2）.研建了中国范围内的地形指数空间尺度转换方案。基于IMFD地形指数计算新方法,我们在中国版图范围内任意选取了100个采样网格,定量分析了地形指数在90-m和1000-m两个不同精度,1°×1°、0.5°×0.5°、0.1°×0.1°三种不同格网尺度上的统计相关性,从而研建了中国范围内的地形指数空间尺度转换方案。为了检验该方案的可靠性及局部适用能力,我们进行了针对性的加密采样验证工作。加密验证结果表明:该地形指数空间尺度转换方案稳定可靠、局部适用能力强。（3）.构建了陆面水文过程模型TOPX。论文提出了一个精确表征地形指数空间累积分布特征的双参数幂指数函数法,从而巧妙地将地形特征与SIMTOP饱和产流方案衔接起来。基于改进型SIMTOP产流机制及新安江水量平衡计算方法,构建了一个具有地形指数尺度转换机制的陆面水文过程模型TOPX。该模型在汉江的酉水街流域和泾河的马莲河流域分别进行了离线测试,结果表明:TOPX模型在温润区小流域的日径流量模拟精度很高,而且TOPX能够较好地捕捉土壤含水量、饱和源面积等各种水文过程变量的时空动态变化过程,同时,TOPX在半干旱中尺度流域也具有较好的适用性。（4）.实现了TOPX模型与RIEMS区域气候模式的耦合。论文最后完成了模式传输参数的对接,并制定了耦合具体实施方案,实现了TOPX模型与RIEMS区域气候模式的耦合,从而改善了RIEMS模式对陆面水文过程的模拟。由于TOPX模型本身是针对区域气候模式而构建的,该模型的特点是细致考虑了地形这个关键性要素对陆面水文过程的影响,同时还考虑了计算格网内的坡面汇流过程以及网格单元间的河道汇流过程,弥补了RIEMS中对整个陆面水文过程考虑不足的缺陷。TOPX与RIEMS耦合模式在泾河流域张家山站1989年和1990年连续两年日径流量的模拟取得了令人满意的效果。此外,论文对耦合模式模拟的1990年三场次洪期的日径流过程线及其对应的日降水时空演变过程进行了进一步分析,结果发现:气候模式模拟的降水是决定整个耦合模式对径流量模拟效果的关键性因素。本论文的总体研究结论是:①与传统多流向算法相比,地形指数新算法IMFD在原理上更符合地形指数物理意义,实际应用中计算结果更精确;②研建的中国范围内的地形指数空间尺度转换方案简单可行、稳定可靠,具有很好的局部适用性,完全可以应用到基于地形的陆面水文过程模型中去;③基于改进型SIMTOP产流机制及新安江水量平衡计算方法,构建的具有地形指数尺度转换机制的陆面水文过程模型TOPX能够比较准确地捕获水文过程的主要特征,比较好地刻画水循环的内在机理;④TOPX与RIEMS的耦合增强了区域气候模式对陆面水文过程的定量数值模拟能力,耦合模式简单高效,模拟效果良好。陆面水文过程模型TOPX的构建及其与RIEMS的耦合应用研究增强了区域气候模式对水文过程的定量数值模拟能力,这对于揭示气候-生态-水文-环境之间的相互作用和影响机制具有非常重要的理论意义和社会价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题依据
• 1.2 国内外研究回顾与进展
• 1.2.1 陆面模式的研究回顾与进展
• 1.2.2 中小尺度流域水文模型研究回顾与进展
• 1.2.3 大尺度陆面水文过程模型与气候模式耦合研究进展
• 1.2.3.1 基于VIC 模型的陆气耦合研究进展
• 1.2.3.2 基于TOPMODEL 模型的陆气耦合研究进展
• 1.2.3.3 其它模型与气候模式的耦合研究进展
• 1.3 陆面水文过程模型与气候模式耦合研究中的问题和不足
• 1.3.1 尺度问题
• 1.3.2 次网格非均匀性问题
• 1.3.3 不确定性问题
• 1.3.4 高新技术方法的合理应用
• 1.4 论文欲解决的关键科学问题及其理论依据
• 1.4.1 陆面水文过程模型与传统水文模型各自所具有的特点
• 1.4.2 论文所构建的陆面水文过程模型TOPX的理论基础
• 1.5 论文的研究框架及核心问题
• 1.5.1 总体研究框架
• 1.5.2 研究中的核心问题及其解决方案
• 第二章 地形指数新算法 IMFD 及其分析
• 2.1 引言
• 2.2 地形指数ln（α/tanβ）计算方法介绍
• 2.3 多流向算法（FD8-Quinn 算法）的基本原理
• Quinn 算法的研究与改进'>2.4 对 FD8_Quinn 算法的研究与改进
• 2.4.1 有效等高线长度的计算方法研究
• 2.4.2 单位等高线汇流面积α的改进
• 2.4.3 增强 DEM 中异常栅格的处理
• 2.5 地形指数计算方法的定量评估
• 2.5.1 现有的定量评估方法
• 2.5.2 定量评估IMFD
• 2.6 实例应用与对比分析
• 2.6.1 IMFD 与FD8-Quinn 在中尺度流域上的对比
• 2.6.2 IMFD 与FD8-Quinn 在不同分辨率DEM 上的应用与分析
• 2.7 结语
• 第三章 地形指数空间尺度转换
• 3.1 引言
• 3.2 实验数据与采样方法
• 3.3 中国范围内地形指数空间尺度转换方案
• 3.3.1 地形指数计算方法
• 3.3.2 地形指数空间尺度转换方案
• 3.3.3 不同算法得到的转换公式的对比分析
• 3.4 尺度转换方案加密采样验证
• 3.4.1 加密采样验证的目的
• 3.4.2 加密采样验证的实验数据与处理方法
• 3.4.3 局部加密采样验证的尺度转换关系
• 3.5 地形指数尺度转换内在机理分析
• 3.5.1 三种典型特征地形的离散化及平滑影响
• 3.5.2 离散度分析
• 3.5.3 离散与平滑的线性相关性
• 3.6 结语
• 第四章 陆面水文过程模型 TOPX 构建
• 4.1 引言
• 4.2 地形指数与TOPX 相衔接的桥梁——双参数幂指数函数
• 4.2.1 地形指数离散分布数学表达所存在的问题
• 4.2.2 双参数幂指数函数法基本原理
• 4.2.3 双参数幂指数函数的参数确定及验证
• 4.3 TOPX 模型基本原理及其构建
• 4.3.1 TOPX 模型的基本原理
• 4.3.1.1 TOPX 模型的产流原理
• 4.3.1.2 TOPX 模型的土壤湿度计算原理
• 4.3.1.3 TOPX 模型的汇流计算原理
• 4.3.2 TOPX 模型的框架及构建
• 4.3.2.1 TOPX 模型的结构框架
• 4.3.2.2 TOPX 模型的代码模块构建
• 4.4 TOPX 模型在中小流域上的离线测试
• 4.4.1 TOPX 模型在温润区小流域上的单点离线测试
• 4.4.1.1 研究区概况
• 4.4.1.2 数据准备
• 4.4.1.3 TOPX 模型在酉水街小流域的单点测试结果及分析
• 4.4.2 TOPX 模型在半干旱区中尺度流域上的离线测试
• 4.4.2.1 研究区概况及实验数据
• 4.4.2.2 TOPX 模型在马莲河流域的离线测试结果及分析
• 4.5 结语
• 第五章 TOPX 模型与 RIEMS 区域气候模式的耦合应用
• 5.1 引言
• 5.2 RIEMS 区域气候模式的基本原理及运行过程
• 5.2.1 RIEMS 区域气候模式的基本原理
• 5.2.1.1 RIEMS 的动力框架——非静力模式
• 5.2.1.2 RIEMS 的格网差分方案
• 5.2.1.3 RIEMS 的边界条件
• 5.2.1.4 RIEMS 的时间积分方案
• 5.2.1.5 RIEMS 的模式嵌套方案
• 5.2.1.6 RIEMS 初始化中的四维资料同化
• 5.2.2 RIEMS 模式的运行过程
• 5.2.2.1 RIEMS 前处理过程
• 5.2.2.2 RIEMS 模式运行过程
• 5.2.2.3 RIEMS 后处理过程
• 5.3 TOPX 与 RIEMS 的耦合
• 5.3.1 研究区概况
• 5.3.2 TOPX 与 RIEMS 的耦合方案的制定
• 5.3.2.1 耦合的参数接口
• 5.3.2.2 耦合方案制定及相应的 RIEMS 模式运行参数设置
• 5.3.3 耦合方案下的大尺度分布式模拟检验
• 5.3.4 耦合方案中的地形指数尺度转换问题
• 5.3.5 耦合模拟结果及其分析
• 5.4 结语
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 主要创新
• 6.3 进一步研究展望
• 附录
• 参考文献
• 致谢
• 博士期间发表文章
• 博士期间参加的国际学术会议
• 所获荣誉及奖励
• 博士期间参加的科研项目