尺度协调的区域气候-水文耦合模拟方法及应用研究

区域气候-水文耦合模拟是研究区域气候系统与水循环系统相互作用的重要工具，可用于变化环境下流域水循环响应的定量研究，是当前水文学和气候学的一个研究热点。气候-水文耦合模拟研究中存在的一个核心问题是"两个尺度不匹配"，即气候模式与水文模型间尺度不匹配和水文模型内部计算尺度和基本方程适用尺度间的不匹配。直接在非均匀水文模拟单元上建立水文过程控制方程，以此为基础开展尺度协调的区域气候-水文耦合模拟为解决这两个尺度不匹配问题提供了一条有效的途径，具有重要的理论意义和应用价值。本项目拟应用空间均化方法，推导水文模拟单元上的水文过程控制方程；建立尺度协调的水文模型；在RegCM3框架内耦合水文模型，构建尺度协调的区域气候-水文耦合模型；以滦河流域为例，开展人类活动对区域气候的影响及变化环境下流域水循环响应案例研究。项目研究将为解决尺度问题提供新的思路，成果可为气候与水循环系统相互作用研究提供模型工具。

尺度不匹配问题是气候-水文耦合模拟中面临的关键技术问题，其又可以细分为两个方面：即水文模拟中由于计算单元下垫面非均匀性和水文过程非线性共同作用引起的水文尺度问题、气候模式与水文模型运行中时间和空间尺度不匹配。本项目针对气候水文耦合模拟中的尺度不匹配问题，通过三年的研究，成功应用空间均化方法建立了尺度协调的气候水文耦合模型，并将其应用于典型区气候变化与水资源分析，在探求水文尺度问题解决方案上有所突破，同时发表了学术论文21篇，其中SCI/EI检索论文9篇，培养研究生6名，完成了预期研究任务。.项目取得了以下主要成果：.（1）在对土壤、地形的流域下垫面特性空间变异特征分析的基础上，应用空间均化方法，建立了宏观水文计算单元尺度上主要水文过程控制方程，包括尺度协调的分层土壤入渗模型（SAI）、尺度协调的壤中流（SAIF）和尺度协调的坡面流模型（SASURF），并通过数值试验对模型进行了验证。.（2）基于流域地形、土壤、植被等下垫面特性的分析，提出了流域下垫面空间非均匀性描述方法，以此为基础建立了“流域-子流域-模型计算单元”三级的流域空间离散方案；在流域空间离散的基础上，引入尺度协调的入渗模型、壤中流模型、坡面流模型描述了模型计算单元上的主要水循环过程，并建立了模型参数估计、数值求解的技术方案，构建了尺度协调的流域水文模型（SAWH）。.（3）通过与实测数据的对比分析，分析了区域气候模式（RegCM3）模拟的降水等关键气象要素在不同时间、空间尺度上的精度，根据水文模拟对气象输入的精度要求，分析了区域气候模式应用于水文模拟的适宜时间和空间尺度；通过对影响区域气候模式降水模拟的主要因子的分析，建立了基于人工神经网络的降水校正模型，有效提高了区域气候模式（RegCM3）的降水模拟精度。.（4）基于区域气候模式RegCM3、尺度协调的流域水文模型（SAWH）和降水校正模型，构建了气候-水文耦合模型。在滦河流域开展了案例研究，评估了区域气候模式、水文模型、耦合模型的精度，分析了下垫面对区域气候的影响，评估了气候变化对流域水资源的影响。