地气系统中的黑河流域降水时空精细化分布和总量的年际变化研究

降水是地-气相互作用过程中的产物，也是水循环过程中的重要环节，更是黑河流域水资源的主要来源。由于目前黑河流域水资源供需矛盾的严重性，及水资源对流域未来可持续发展的重要性，使对黑河流域水资源主要来源的降水的分布和量值大小的精确性了解需求越来越高。鉴于此，本项目以地气系统中的大气变化过程为着眼点，针对不同的时间尺度，选用不同的适合表征大气变化过程的研究方法，并与地理信息分析方法相结合，以大气变化过程与复杂地形对降水影响的共同作用为重点，以黑河流域降水时空精细化分布为聚焦点，综合研究地气系统中的大气变化过程和复杂地形的共同作用与降水时空精细化分布的关系，最终为"黑河流域生态-水文过程集成研究"重大研究计划提供所需的随大气过程而变化的黑河流域复杂地形条件下的降水时空精细化分布及降水总量的年际变化序列。对进一步开展流域水文-生态相互作用研究及提高预测水资源变化的能力有重要的科学意义和现实意义。

地气系统变化会对大气变化过程产生综合影响，降水是大气变化过程中的产物，也是水循环过程中的重要环节，更是黑河流域水资源的主要来源，了解降水的空间精细化分布是研究生态-水文相互作用过程的迫切需要，掌握区域降水总量的年际变化规律是预估径流量的前提。黑河流域地形状况复杂且测站稀少，使了解其降水空间精细化分布及总量变化成为难点问题。本项目以地气系统中的大气变化过程对黑河流域降水的影响为着眼点，针对不同时间尺度，选用不同的适合表征大气变化过程的研究方法，与地理信息分析方法相结合，通过“动力-统计”降尺度方法，研究大气变化过程与复杂地形共同作用下的降水时空精细化分布及总量的年际变化，为“黑河流域生态-水文过程集成研究”计划提供降尺度计算降水时空精细化分布的方法，提供流域或子区的、多种时间分辨率的、100m x100m格点降水分布及基于此的降水总量年际变化序列。通过本研究主要得到以下结果：对于气候时间尺度，(1)对影响流域降水的地形坡度参数进行了尺度分析，确定了2km 半径为研究地形参数与降水关系的适宜尺度；(2)构建了新的耦合坡度、坡向和主导风向的耦合地形参数，重点反映了山区地形对气流的抬升作用与坡度、坡向和盛行风向的关系。将气候降水作为海拔高度、纬度、经度、坡度、坡向、开放度、耦合地形参数的函数，利用实测资料确定了具体的函数形式，计算给出了流域或子区气候降水100m x100m 格点分布及总量近40年的年际变化序列。(3)结合地理地形参数建立了环流指数与流域上游6~9月降水总量年际变化关系的物理模型。对于天气时间尺度，(4)敏感性试验表明，WRF模式对降水过程中的地形效应有良好的模拟性能，提高模式水平分辨率能更好地体现地形效应。(5)对WRF模式自带的(97.3°E~102.1°E，37.5°N~41.5°N)区域内的植被覆盖度进行了更新替换，使模式对流域降水模拟的效果有所改善。(6)对WRF模式中与降水过程密切相关的物理过程参数化方案进行的20组配置试验表明，WSM3微物理参数化方案、MYJ边界层参数化方案和NOAH陆面过程参数化方案同时选择时，模拟降水的效果最佳。(7)采用最佳组合参数化方案，模拟输出了流域代表性降水过程的(5km或3km水平分辨率)降水结果。(8)结合模式输出降水与DEM分析给出100m x100m 格点降水分布的计算方法及结果。