水文模型与陆面模式耦合研究进展

文章编号:100020240(2006)0620961210

水文模型与陆面模式耦合研究进展

收稿日期:2006206221;修订日期:2006210221

基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(2006CB400502;2001CB309404),中国科学院“百人计划”择优支持项目(82057493);中国科学院大气物理所东亚区域气候2环境重点实验室开放基金项目资助 作者简介:雍斌(1975-),男,安徽马鞍山人,1997年毕业于合肥工业大学,现为南京大学国际地球系统科学研究所博士研究生,主要从事遥感与地理信息系统及其在陆面水文过程中的应用方面的研究.E2mail:yongbin@tea.ac.cn

雍　斌1,　张万昌2,1,　刘传胜1(1.南京大学国际地球系统科学研究所,江苏南京　210093;2.中国科学院大气物理所东亚区域气候2环境重点实验室,

全球变化东亚区域研究中心,北京　100029

)

摘　要:水文模型与陆面模式耦合是目前全球变化研究中的热点问题,如何实现分布式水文模型与陆面过程模式的双向耦合,并将其有机嵌入大气模式中,是未来大气环流模式(GCM)和区域气候模式(RCM)发展和完善的重要目标之一.在简单介绍陆面过程模式和水文模型发展历程的基础上,对水文

模型和陆面过程耦合研究的国内外进展进行了综述,指出了模式耦合中存在的共同问题和未来工作的研究要点.最后,探讨了分布式水文模型与陆面模式耦合在全球变化研究框架中的地位与意义,并展望了陆面水文过程发展的主流趋势和研究方向.

关键词:水文模型;陆面模式;陆面水文过程;耦合;全球变化;参数化中图分类号:P435

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.2文献标识码:A

1　引言 水是土壤2植被2大气传输系统(SVAT)物质、能量循环的主要驱动力和载体,陆面水文过程则通过水分循环以降水、径流、蒸散发、融雪等多种方式完成了土壤、植被和大气之间水分、热量、动量通量的复杂的交换过程.陆面水文过程研究的最终目的就是要发展和完善水文模型与陆面过程的双向耦合模式,建立描述陆气间水汽通量和能量通量相互传输的参数化方案,实现对地球流体的气候、生态、水文的模拟和预测以及对极端灾害事件的真正预警机制.2　陆面过程模式的发展 陆面过程模式是用来描述陆地表面水文物理过程、生物化学过程、植被动力过程、辐射传输过程、边界层湍流输送过程等[1-2],模拟和预测陆-气间各种相互作用的模型和模块的统称.陆面过程模式是定量刻画土壤2植被2大气间能量、动量和水汽交换的参数化方案,是大气环流模式(GCM)和区域气候模式(RCM)中的重要组成部分. 陆面过程模式的发展历史可以分为3个阶段:1)简单模式阶段.1956年Budykoetal.[3]提出了一个简单的陆面过程方案对大气和陆面间的相互作用进行参数化,即Bucket模式;1969年Manabe[4]首次将该模式引入到GCM中;随后多领域学者也相继投身到与GCM相耦合的陆面过程模式研究中,陆面过程研究进入以Bucket模式为核心的简单模式阶段.该模式以水量平衡为基础,将土壤层看作一个水箱,非常简单地处理了土壤蒸发和地表径流过程;2)生物大气模式阶段.从20世纪80年代开始,陆面过程进入了以Deardorff[5]的大叶模式,Dickinsonetal.[6-7]的BATS模式以及Sellers

etal.[8]的SiB模式为典型代表的生物大气模式阶

段.这段时期各种陆面模式的主要特点是显式引入了植被对大气的作用,对生物圈的作用考虑较为完善,对陆气间的水热通量和动量通量进行了参数化模拟计算;3)新一代多模式阶段.20世纪90年代以来,全球变化研究的热潮推动了GCM和RCM

的快速发展,人们对陆面过程模式给予了更多的关注.各种陆面过程模式不断问世,如BATS2[9]、SiB2[10]、CLM[11]、AVIM[12]、BAIM[13]、LSX[14]、

第28卷　第6期2006年12月冰　川　冻　土

JOURNALOFGLACIOLOGYANDGEOCRYOLOGYVol.28　No.6Dec.2006SSiB[15]、LSM[16]、IAP94[17]和VIC[18-19]等,陆面过程模式研究围绕生物化学和水文过程展开,进入了新一代多模式阶段.新一代陆面过程参数化方案考虑了碳循环作用,对陆气间的物理、化学、生物、水文过程的描述更加详细.这一阶段,人们在全球不同气候区对典型生物及流域进行了大规模的国际间合作的陆面过程观测试验,并实施了以国际陆面参数化方案比较计划(PILPS—ProjectforInter2comparisonofLand2surfaceParameterizationScheme)为代表的一系列模式敏感性试验.PILPS在相同的初边值条件下对20多个陆面模式进行了对比计算,结果发现不同的陆面模式计算出的水热通量相差很大,没有一个模式能够很好地模拟整个陆气交换过程,当前陆面过程模式中仍然存在很大的不确定性[20-22].近5～6a里,由于植被动力学、生态水文学、数据同化技术、同位素和遥感技术的迅速发展,陆面过程模式得到了各种理论和高新技术的有力支持,呈现出多学科交叉研究的态势. 现代陆面过程模式的研究重点包括:水文过程模型和碳循环模型与气候模式间的耦合;尺度转换以及陆面四维同化系统的研建;非均匀下垫面的参数化问题;中尺度通量的参数化及其转换表达;边界层与自由大气间能量与物质的交换等[23-24].其中,陆气间的双向耦合、时空尺度转换、次网格非均匀下垫面的参数化等,是提高模式模拟精度的关键所在.3　水文模型的发展 水文模型是对自然界中复杂水文现象的近似模拟,是水文科学研究的重要手段[25].裸土蒸发、植被蒸散、土壤水传输、下层土壤重力排水和地表径流等陆面水文过程都属于水文模型的参数化模拟对象[26]. 水文模型的发展主要经历了3个阶段:1)经验性“黑箱”模型阶段.自20世纪20-30年代开始,一批重要的水文学原理和计算方法陆续出现[27],如以达西定律为代表的描述非饱和土壤水运动的各种控制方程;以霍顿公式为代表的各种下渗曲线公式;以彭曼方程为代表的流域蒸散发计算方法;以圣维南方程组和槽蓄原理为基础的洪水波运动非线性偏微分表达;以Nash瞬时单位线和线性水库法为代表的降雨径流模拟方法等[28].尤其是Horton超渗产流和Dunne蓄满产流概念的提出,使人们认识到自然界中存在着两种截然不同的产流机制.关于这两种产流机制的探讨、研究和应用仍是当今水

文界经久不衰的话题.这些理论、公式、方法[27]在实践中不断得到发展和完善,为水文模型的建立和应用奠定了坚实的理论基础,水文模型的雏形———经验性的“黑箱”模型应运而生;2)概念性集总式模型阶段.50年代中期至80年代中期,概念集总式水文模型逐步取代了“黑箱”模型而占据主导地位.

其中代表性模型有SSARR、Stanford、Sacramen2to、Tank、HEC-1、SCS、新安江模型、和API连续演算模型等[28-29].但集总模型的最大缺陷是忽略

了地形、土壤、植被、土地利用、降水等流域特征参数空间分布的异质性,而把流域作为一个整体来处理;3)分布式水文模型阶段.80年代中期开始,

随着计算机、GIS和遥感技术的迅速发展,构造具有一定物理基础并能反映流域内各种要素空间异质性的分布式水文模型成为可能.与集总式相比,分布式水文模型具有明显的优势.首先,分布式水文模型可以对流域各特征要素的空间异质性分布进行参数化,可以深刻反映多源影响的水文过程的物理机制,输出重要的水文过程参数;其次,分布式水文模型是建立高精度水文模型的有效途径;另外,

经过验证的分布式水文模型可以对无资料流域或欠缺资料的流域进行模拟和预测.当然分布式水文模型本身也存在缺陷,这就是需要建模者对水文变化的连续物理过程有深入了解.而且模型的参数众多,难以率定,需要大量的观测数据进行验证,因而建立分布式水文模型必须投入大量的人力和物力.目前国际上比较成熟的、影响较大的分布式水文模型有TOPMODEL[30]、SWAT[31]、DHS2VM[32]、SHE[33-34]等.但这些模型对输入参数的要

求和提供的参数库建立在欧美的数据集或观测标准之上,使得模型在我国的推广受到很大影响[35].针

对国内数据情况建立具有我国流域特色的分布式水文模型,近10a来取得了不少创新性的研究成果,

主要研究者有刘昌明等[36]、郭生练等[37]、夏军等[38]、康尔泗等[39]、贾仰文等[40]、任立良等[41],

这些研究为我国开展陆面模式与分布式水文模型之间的耦合奠定了良好的基础.

当前水文模型的研究热点及未来的发展趋势应该包括以下4个方面:加强气候变化的水文响应研究,加深对自然变化和人类活动共同影响下的陆面水文过程变化机理研究,将水文模型与气候模式紧密耦合,提高陆面水文过程的模拟精度;开展无资料流域水文预测与应用(即PUB计划),改进

269 冰 川 冻 土 28卷　MOPEX参数估计方法[25];解决水文模型的不确定性、非线性和水文尺度转换等问题;将GIS、遥感、示踪剂和同位素等高新技术引入水文模型,获取复杂、困难的水文信息,提高水文模型的实用性.4　水文模型与陆面模式的耦合 传统水文模型的研究主要针对水量的自然变化,而现代水文模型则更多地考虑地球生物圈、全球气候变化以及人类活动的影响[42].气候变化必然会引起水循环系统的变化,从而导致水资源在时空上的重新分配,改变区域降水、蒸散发、土壤湿度、径流等水文要素的循环过程;同时陆-气界面通过植被覆盖、地表粗糙度、反照率、蒸散发等地表参数的变化影响二者之间的水量及能量通量交换,从而对气候系统进行反馈.陆2气间存在双向反馈,互为驱动力[28,43].目前,很多气候模式中的陆面过程细致考虑了一维垂向上的蒸发、蒸腾及感热计算,但对二维水文过程估算粗糙,未能反映土壤湿度的侧向分布、缺少汇流过程、蒸发估计不准,因此无法很好地描述陆2气间的相互作用.在新一代陆面模式中耦合一个好的水文模型显得至关重要.从新安江模型发展而来的VIC模型和基于地形指数的TOPMODEL模型由于考虑了水文过程对土壤湿度分布、地表径流大小和空间分布,进而对蒸发大小和分布的影响,所以有可能耦合到陆面模式中去.4.1　水文模型与陆面模式耦合进展4.1.1　VIC模型 发展陆面过程模式的目的是为了能通过近地表的大气强迫(降水、气温、风速、辐射等),给出陆面水分和能量平衡的现实描述.大尺度陆面水文模型VIC,用空间概率分布函数来描述计算栅格内变化的入渗能力,可同时进行陆2气间水分及能量平衡的模拟,弥补了传统水文模型对能量过程描述的不足.VIC模型能输出每个网格上的径流深和蒸发,再通过汇流模型将网格上的径流深转化成流域出口断面的流量过程.该模型最初由Woodetal.[44]根据一层土壤变化的入渗能力提出,Liangetal.[18]在此基础上将其发展为两层土壤的VIC22L模型,后来模型中又增加了一个10cm左右的薄土层,变成3层土壤的VIC23L模型[19].该模型的主要特点是:1)同时考虑陆2气间水分收支和能量收支过程;2)同时考虑两种产流机制(蓄满产流和超渗产流)[19];3)考虑次网格内土壤、降水、植被非均匀性对产流的影响[45];4)考虑积雪、融雪及土壤冻融