陆面过程模式中径流计算方案的改进及其模拟试验研究

论文摘要

本文针对陆面模式径流描述的不足，发展了一个新的径流计算方案，即由圣维南连续方程以及动量方程联合推导而来的扩散波径流计算方案。其优越性在于将地形和粗糙度等因子引入到径流的计算中来，从而体现了空间网格点之间物理量的相互作用过程，真实反映了径流的大尺度平流特征，这种方案更接近于现实中径流产生的机制，是对以往径流参数化方案的重要改进。以BATS模式框架为平台，利用径流方案改进后的模式与原模式对1998年4-10月份中国区域表面径流及其他相关物理量进行了对比模拟研究，主要结果如下：（1）改进后的径流方案模拟的径流无论在量级上还是在分布上都优于原方案的模拟结果。两方案都模拟出了我国98年4～10月份地表径流的季节变化，但改进后的径流方案模拟的径流明显高于原方案的结果，增幅最大的地方集中在长江中下游和西部地形坡度较大的地方。从对98年七个月径流总量的模拟情况来看，改进后的径流方案模拟的径流量总体上要高于气候平均水平，与实际径流量级更为接近。而原方案模拟的结果要远低于气候平均水平。因此，圣维南扩散波径流计算方案是对模式径流计算的一个明显改进。（2）改进后的径流方案模拟的表层土壤含水量总体上小于原方案的结果，而与实况更为接近。土壤含水量减小的区域正好对应着径流增加的区域，这也证明了BATS陆面过程模式中的水分守恒。在水分总量一定的情况下，以表面径流形式流走的水分增加，必然会导致下渗到土壤中的水分减少，土壤含水量也会随之减少，土壤含水量的减少进一步会导致土壤温度升高。（3）圣维南扩散波径流计算方案不受地形分辨率的影响。模式的地形分辨率调高5倍后，径流的模拟并没有明显变化，径流的分布和量级都吻合的非常好。由此看出，圣维南扩散波径流计算方案是可以应用在大气模式以及区域气候模式中的。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 陆面过程研究的重要性
• 1.2 陆面过程模式和外场观测试验的研究进展
• 1.3 陆面过程模式研究中面临的问题
• 1.4 本文的研究内容
• 第二章 生物圈-大气传输模式（BATS）介绍
• 2.1 引言
• 2.2 模式的基本框架及主要物理过程计算
• 2.2.1 感热和潜热通量的计算
• 2.2.2 土壤温度的模拟
• 2.2.3 植被截留量的计算
• 2.2.4 土壤水分变化
• 第三章 模式中径流计算方案的改进
• 3.1 引言
• 3.2 地表径流的概念
• 3.2.1 汇流的概念和原理
• 3.2.2 产流的概念和原理
• 3.3 径流方案的改进
• 3.3.1 BATS 模式中径流的计算
• 3.3.2 径流计算方案的改进
• 第四章 改进前后模式进行的数值试验及其结果分析
• 4.1 引言
• 4.2 资料介绍
• 4.3 研究区域及研究时段的基本情况简介
• 4.3.1 研究区域的地形概况
• 4.3.2 1998年我国气候形势概述
• 4.4 数值试验设计
• 4.5 径流方案改进前后模式对逐月径流的模拟检验
• 4.5.1 地表径流的季节变化
• 4.5.2 模拟试验及结果分析
• 4.6 径流方案改进前后模式对七个月径流总量的模拟分析
• 4.6.1 中国年平均径流深度分布特征
• 4.6.2 模拟试验及结果分析
• 4.7 径流方案改进前后模式对土壤含水量的模拟分析
• 4.8 径流方案改进前后模式对土壤温度的模拟分析
• 4.9 圣维南扩散波径流计算方案在气候模式中应用的可行性
• 4.10 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 本文的主要结论
• 5.2 下一步工作设想
• 参考文献
• 致谢