建立适合黑河流域生态-水文过程集成研究的高分辨率区域气候模式

本项目以黑河流域为研究对象，以中国科学院大气物理研究所东亚区域气候- - 环境重点实验室研制的具有独立版权的区域集成环境系统模式为基础,以流域尺度水资源为核心,利用黑河流域观测和遥感数据对该模式陆面过程中一些重要参数的重新率定，并对直接影响着降水的模拟和预报的积云对流参数化方案中重要参数的优化，建立适合于黑河流域生态-水文过程研究的高分辨率（水平分辨率为3公里）的区域气候模式,实现流域尺度复杂下不同生态系统条件下地表能量-水文-生态相互作用的精确表达,提高对地表过程物理机制的理解,提高模式在黑河流域的综合应用水平和模拟预测能力,为黑河流域生态水文过程集成研究重大研究计划发展和完善降尺度技术和方法,最终为黑河流域生态-水文过程研究集成研究重大计划中实现对流域水资源精细化研究提供研究工具。

本项目以中国科学院区域气候-环境重点实验室研制的区域环境集成系统模式为基础，首先开展模式物理参数化过程进行改进：（1）改进模式中Grell积云对流参数化的闭合方案; (2)加入了谱松弛技术;（3）耦合了对风场变量进行四维同化技术；并开展不同弛技术对黑河流域温度和降水的模拟研究，结果表明：对于平均温度来说，无论采用哪种松弛技术，模式能够较好的模拟出黑河流域不同季节的空间分布。采用谱松驰技术的区域气候模式模拟的温度和降水较没有采用谱松弛技术的区域气候模式更加接近观测值，模拟的温度没有明显的提高。开展不同地形资料对黑河流域温度和降水的研究。该研究表明：在采用高分辨率的区域气候模式研究黑河流域流域气候时采用适合黑河的地形是非常必要也是非常重要的；同时开展Grell 和Bett-Miller和不采用积云对流参数化方案在黑河流域的降水模拟试验。研究表明：（1） 卫星遥感反演的黑河流域的降水较观测台站降水偏少，卫星遥感反演日降水与观测台站日降水的相关系数达到0.3371,相关系数通过99%置信度检验。(2)无论采用哪种积云对参数化方案，模式能够较好地模拟出年降水空间分布以及不同区域日平均降水随时间演变，与观测之间相关系数都通过99％置信度检验。（3）模式水平分辨率为3公里时，大多数研究认为在区域气候模式模拟过程中不用积云对流参数化，而研究表明对于黑河流域来说，采用Grell积云对流参数化方案较其他两种方案无论从空间和时间演变来说更加接近观测。最后，利用以上研究成果，同时黑河流域观测和遥感数据对模式进行模式本地化建立适合黑河流域生态-水文过程高分辨率区域气候模式。结果表明:模式能够较好地模拟出黑河流域降水的年、季节空间分布特征和不同区域降水年变化.对于不同区域来说，上游地区模式模拟降水较观测偏多,中游和下游地区较观测偏少，降水偏差在-39.9%-9.6%之间;模式模拟黑河流域上游、中游和下游地区候平均降水与观测之间对相关系数分别为0.8123,0.5064，0.7033,都通过99％置信度检验.其中黑河流域上游地区模拟最好，相关系数达到0.8123;该研究表明采用黑河流域高分辨率区域气候模式进行动力降尺度后，弥补了黑河流域观测站点少的缺陷，将为“黑河流域生态-水文过程集成研究”重大研究计划提供高时空分辨率科学数据，为水文模型评估与实现对流域水资源精细化管理和决策支持提供科学数据.