【摘要】：水是地球生物賴以生存的重要物質(zhì)基礎(chǔ),區(qū)域水循環(huán)是關(guān)乎區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境健康、水資源安全的重要自然循環(huán)。自上世紀(jì)70年代以來,全球氣候變暖引發(fā)的全球水文循環(huán)加速、極端氣候事件增多、季節(jié)降水模式改變等問題導(dǎo)致區(qū)域干旱和洪澇頻發(fā),這深刻地影響著與水循環(huán)密切相關(guān)的諸多水問題如水資源調(diào)蓄、水土流失、生態(tài)環(huán)境健康、農(nóng)業(yè)水資源管理等。如何綜合利用數(shù)值模擬、數(shù)據(jù)同化、遙感觀測等技術(shù),充分發(fā)揮陸氣耦合模型在區(qū)域水循環(huán)模擬過程中時空分辨率高、不受觀測資料限制、能增長洪水預(yù)報預(yù)見期等優(yōu)勢,提高陸氣耦合模型對降雨徑流過程的模擬準(zhǔn)確度,并以此為基礎(chǔ)精細(xì)區(qū)域水循環(huán)模擬、明晰區(qū)域水循環(huán)規(guī)律是研究全球變化背景下水循環(huán)響應(yīng)的當(dāng)務(wù)之急�；春恿饔蚴俏覈叽罅饔蛑�,地處長江和黃河之間,位于我國南北氣候過渡帶,面積約270000 km2。此流域占有全國17%耕地,但人口密度卻為各大江河流域之首(約660人/km2),是我國重要的農(nóng)產(chǎn)品基地之一,因此具有重要的社會經(jīng)濟(jì)地位。受地理和氣候的綜合影響,淮河流域降水年際變化大、年內(nèi)分配不均,汛期(6～9月)降雨量約占全年總降雨量60～80%。這種降雨時空分布不均加上西高東低且以平原為主的地勢,導(dǎo)致淮河流域洪澇干旱頻發(fā)。近年來,在全球變化背景下,淮河流域汛期極端降水呈顯著增加趨勢,流域徑流量變化明顯。因此,非常有必要開展可用于全球變化響應(yīng)分析的陸氣耦合模型對淮河流域水循環(huán)模擬的適用性研究。論文以淮河流域為研究區(qū),從完善陸面水文模型TOPX地形指數(shù)的物理機(jī)制和提高區(qū)域氣候模式WRF降雨預(yù)報準(zhǔn)確度出發(fā),旨在構(gòu)建適用于淮河流域強(qiáng)降雨徑流過程模擬的陸氣耦合模型。論文的主要研究內(nèi)容和結(jié)論包括以下三個方面:(1)研建考慮土壤水力傳導(dǎo)度和土壤抗侵蝕能力的新地形指數(shù)TI',通過修正現(xiàn)有IMFD算法得到TI'空間分布,并從河網(wǎng)提取和水文模擬兩個角度論證TI'的合理性。為量化土壤空間異質(zhì)性對降雨徑流過程的影響,提高以地形為基礎(chǔ)的陸面水文模型的模擬效能,論文將土壤飽和導(dǎo)水率(Ks)和土壤可蝕性因子(K)這兩個土壤特征參數(shù)加入傳統(tǒng)地形指數(shù)TI(ln(α/tanβ),以構(gòu)建新地形指數(shù)TI,(ln(α/tanβ·Ks·K))。為計算研究區(qū)TI'的空間分布且避免采用耗時費力且代表范圍有限的野外原位觀測,論文首先基于1:100萬HWSD 土壤數(shù)據(jù)庫利用SPAW模型和EPIC模型分別求出Ks和K空間分布。其次,從TI'中土壤和地形兩個下墊面因素共同決定水流流向的核心思想出發(fā),改進(jìn)現(xiàn)有地形指數(shù)計算方法IMFD并以此求得研究區(qū)TI'的空間分布。為了證明TI'的合理性,一方面,應(yīng)用TI'中土壤和地形共同決定流向的思路改進(jìn)TauDEM流域河網(wǎng)提取工具中的流向計算模塊,從而提取基于TI'的研究區(qū)河網(wǎng)。提取結(jié)果正確的表現(xiàn)了水流更傾向于流向飽和水力傳導(dǎo)度高和可蝕性強(qiáng)的土壤這一自然規(guī)律,而與產(chǎn)流密切相關(guān)的飽和源面積在一定程度上是流域河網(wǎng)的延伸。這表明TI'能正確反映土壤空間異質(zhì)性對降雨徑流的影響。另一方面,將TI和TI'輸入以地形為基礎(chǔ)的水文模型TOPMODEL和TOPX,模擬位于不同氣候區(qū)的流域逐日降雨徑流過程。相較于基于TI的模擬結(jié)果,基于TI'水文模擬結(jié)果的Nash系數(shù)在鶯落峽流域、王家壩流域和黃橋流域的數(shù)值分別提高了 0.063、0.019和0.003。結(jié)果表明,TI'能提高基于地形的水文模型的模擬效,且提高作用隨著Ks·K空間異質(zhì)性的增大而加強(qiáng)。(2)采用4D-Var同化技術(shù),以遙感降水資料TRMM3B42和GPM IMERG為觀測算子,改善區(qū)域氣候模式WRF模式的初邊界條件,以提高WRF的降雨預(yù)報準(zhǔn)確度。論文以淮河流域為研究區(qū),以該流域2015年汛期和非汛期兩次強(qiáng)降水過程為研究對象。首先,開展了關(guān)于WRF模式對降雨類型、初邊界條件和空間分辨率的敏感性分析。結(jié)果表明,在同一研究區(qū)域同一參數(shù)配置下,在NCEP ds083.3驅(qū)動下的WRF降雨預(yù)報準(zhǔn)確度好于NCEP ds083.2數(shù)據(jù)的驅(qū)動結(jié)果,高分辨率的內(nèi)區(qū)域降雨模擬結(jié)果好于低分辨率外區(qū)域降雨模擬結(jié)果。其次,以NCEP ds083.3 分析數(shù)據(jù)驅(qū)動基于 TRMM 3B42 或 GPM IMERG 的 WRF 4D-Var降雨預(yù)報,通過對比同化實驗與其對應(yīng)的控制實驗的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn):基于TRMM 3B42或GPM IMERG的WRF 4D-Var同化系統(tǒng)均能有效改善WRF模式的降雨預(yù)報效能,且由于WRF運行過程中的誤差累積,4D-Var同化對WRF降雨準(zhǔn)確度的實質(zhì)性提高能維持大約12小時。直接同化GPM IMERG的WRF 4D-Var降雨模擬準(zhǔn)確度高于直接同化TRMM 3B42的WRF4D-Var降雨模擬準(zhǔn)確度。在9 km內(nèi)區(qū)域,與流域內(nèi)氣象站逐日觀測降雨相比,同化GPM IMEG的WRF 4D-Var系統(tǒng)對汛期和非汛期研究強(qiáng)降雨事件的Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.74和0.51;與融合的CMORPH逐小時數(shù)據(jù)相比,兩強(qiáng)降雨事件模擬結(jié)果的HSS均達(dá)到0.31。(3)實現(xiàn)陸面水文模型TOPX與區(qū)域氣候模式WRF在1 km水平格網(wǎng)上的耦合及其在王家壩流域的強(qiáng)降雨徑流過程模擬。論文以淮河流域子流域——王家壩流域為研究區(qū),以該流域2015年汛期的一次強(qiáng)降雨徑流過程為研究案例,在新地形指數(shù)和4D-Var同化技術(shù)驗證有效的基礎(chǔ)上,為保證基于TOPX和WRF陸氣耦合模型的模擬效能,一方面,以TI'為TOPX的地形指數(shù)輸入,基于長期和短期降雨徑流對TOPX進(jìn)行了率定驗證。期間,TOPX模型對短期降雨徑流模擬的Nash系數(shù)最低值為0.747。另一方面,采用4D-Var算法同化GPM IMERG衛(wèi)星降雨數(shù)據(jù)來提高WRF模式降雨預(yù)報準(zhǔn)確度。與研究區(qū)雨量站和蒸發(fā)量站實測降雨量和潛在蒸散發(fā)相比,WRF 4D-Var系統(tǒng)模擬出的逐日降雨和逐日潛在蒸散發(fā)整體上分別小于和大于實測值,與實測值的Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.444和0.746。最后,研究采用四重網(wǎng)格嵌套技術(shù)實現(xiàn)了 TOPX與WRF在1 km格網(wǎng)上的陸氣耦合。陸氣耦合模型的評估結(jié)果表明,基于TOPX與WRF4D-Var的陸氣耦合模型生成的逐日土壤濕度模擬值與SMAP Level 4根區(qū)逐日土壤濕度數(shù)據(jù)的Pearson相關(guān)系數(shù)的流域平均值為0.802。該陸氣耦合模型模擬的逐日出口流量整體上要小于水文站實測值,其Nash系數(shù)為0.543�？梢�,基于TOPX和WRF4D-Var同化系統(tǒng)的陸氣耦合模型能較好的再現(xiàn)王家壩流域強(qiáng)降水徑流過程。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：P467
【圖文】：

圖２．１多流向徑流分配方法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逡逑如圖２．１所示，ＦＤ８－Ｑｕｉｎｎ算法可用３Ｘ３的格網(wǎng)計算窗口表示。依據(jù)下坡逡逑１７逡逑

三個備選方案中選出最優(yōu)方案。逡逑鶯落峽流域位于我國第二大內(nèi)陸河一一黑河的鶯落峽水文站以上的祁連山逡逑山區(qū)（如圖２．２（ａ）所示），地理位置介于東經(jīng)９８°３４’？丨０１°９＇，北緯３４°４３’？３９°３６’逡逑之間，集水面積１０００９邋ｋｍ２［１５ｎ。該流域內(nèi)地形復(fù)雜，海拔范圍１６３７？５０７６邋ｍ。逡逑流域常年降水量約４００邋ｍｍ，年蒸發(fā)能力約１６００邋ｍｍ，降水量年內(nèi)分配極為不勻，逡逑屬于典型的干旱半干旱區(qū)流域。逡逑王家壩流域位于我國七大河流之一的淮河的上游（如圖２．２（ｂ）所示），流域面逡逑積為３０６３０邋ｋｍ２。該流域位于東經(jīng)１１３．３°？１１５．８°和北緯３１．５°？３３．４°之間，地處逡逑我國南北氣候過渡帶一一淮河以北屬暖溫帶區(qū)，淮河以南屬于北亞熱帶區(qū)。流域逡逑２１逡逑

采用ＷＧＳ８４坐標(biāo)投影系統(tǒng)，土壤分類系統(tǒng)主要為ＦＡＯ－９０，其中的中國地區(qū)數(shù)逡逑據(jù)源為１９９５年全國第二次土地調(diào)查由南京土壤所所提供的１N０００，０００邋ｔ：壤數(shù)據(jù)＾逡逑ＨＷＳＤ不僅包括水平土壤分類（如圖２．３所示），還包含計算尺，和尺所需的垂逡逑直土壤信息，如每種土壤類型的深度和其粘土、砂、淤泥和有機(jī)碳的含量等。逡逑Ａ邋Ｌｅｇｅｎｄ逡逑？？邋一＊＊邐Ｓｏｉｌ邋Ｔｙｐｅ邋（ＦＡＯ－９０）邋■Ｈａｐｌｉｃ邋Ｇｒｅｙｚｅｍｓ逡逑■邐？Ｃａｌｃａｒｉｃ邋Ｐｈａｃｏｚｅｍｓ邋？ｉｌａｐｌｉｃ邋Ｇｙｐｓｉｓｏｌｓ逡逑■Ｃａｌｃｉｃ邋Ｃｉｌｅｙｓｏｌｓ邐Ｈａｐｌｉｃ邋Ｋａｓｔａｎｏｚｅｍｓ逡逑＾Ｃａｌｃｉｃ邋Ｋａｓｔａｎｏｚｅｍｓ邋？Ｋａｓｔａｎｏ／．ｅｍｓ逡逑＇邋Ｊ邋ｒ邋一邐■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邐ｍＲｅｎｄｚｉｃ邋Ｌｅｐｔｏｓｏｌｓ逡逑（）２０４（Ｖ￣邐Ｙｉｎｇｌｕｎｘｉａｗａｉｅｒｓｈｅｄ邐＂Ｈａｐｌ＇ｃ邋Ｃｈｅｒｎｏｚｅｍｓ邐－Ｔｅｒｒｉｃ邋Ｈｉｓｔｏｓｏｌｓ逡

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2750346