通用陆面模式中汇流机制研究与新一代汇流模式开发

The study of the river water system is one of the most important research themes in land surface modeling. In order to enhance the routing model in the common land model (CoLM), the proposed research aims to develop a new scalable routing model using sub-basins as basic modeling units. The study includes: 1) developing river network and watershed information extraction method, and then generating data sets (including flow direction, water accumulation, slope, river network, the sub-basin) for the routing model; 2) developing methods to transfer runoff from the land surface model grids to sub-basins, in order to ensure the consistency of runoff simulations from land surface model grids and sub-basins; 3) through of analysis of observed discharge data from watersheds of different landform types, identifying routing mechanisms of these different basins, solving Saint Venant equations for different routing mechanisms, simulating floodplain and river discharge; 4) analyzing the uncertainty of the model parameters and model inputs, and developing a database of spatial distribution and the uncertainty information of the parameters. The goal of this research is to develop a new Routing model (CoLM-RM) for CoLM. The CoLM-RM will provide reasonable streamflow simulation for all sub-basins of the basin, which can help use to study the impact of the climate change and impacts on water resources.

汇流模式是陆面模式的重要组成部分。现有陆面模式中汇流模式采用大网格，固定流速进行计算，导致模拟流量误差大。本申请将建立新的汇流模式，该模式基于子流域且尺度可变，实时动态计算流速。研究内容包括：1）提出分布式河网与流域信息的提取方法，生成汇流模式的基础数据集（包括流向、水流累积、坡度、河网、子流域）；2）研究径流在陆面模式网格与子流域间的尺度转换方法，确保陆面模式的网格径流与子流域径流一致性；3）分析不同地貌类型流域的观测流量数据，识别不同类型流域的汇流机制，求解不同机制下Saint Venant方程组，计算所有子流域的坡面与河道流量；4）分析汇流模式参数和模式输入的不确定性，给出分布式参数与其不确定性。该申请研究的目标是研制适用于通用陆面模式的新一代汇流模式，将产生一套分布式汇流模式参数集与参数化方案集，使陆面模式能够给出所有子流域的合理坡面与河道流量，为水资源及气候变化影响研究提供支撑。

河流是地球系统的静脉。对地球系统的模拟必须有高精度的河网信息与汇流模拟。对陆面模式的汇流改进是近几年陆面模式的研究热点。现有陆面模式中汇流模式采用大网格，固定流速进行计算，导致模拟流量误差大。本项目建立新的汇流模式，该模式基于子流域且尺度可变，实时动态计算流速。研究内容包括：分布式流域信息提取；汇流方案典型流域比较；分布式动态汇流参数；汇流模型系统开发与应用。 .采用本项目提出的提取流向的方法，将不再对流域进行填洼，但需要对所有网格进行遍历。本项目实现了分布式流域信息提取，通过并行计算来提高流域信息提取效率。最终能够得到连续的高精度河网与流域信息。.本研究提出计算曼宁糙率系数的新方法，充分考虑了叶面积指数、土壤组成、水力半径和横断面面积等因素，从而拟合出新的糙率系数计算公式。基于此方法，利用分布式时变增益水文模型在黄河流域进行模拟，结果表明新模型比原模型的模拟流量更为准确，尤其对于坡面汇流有了更为准确的模拟。.本研究以飞来峡流域为研究对象，采用分布式时变增益产流模型计算流域产流，开展运动波汇流方案与单位线的比较与研究。结果显示两种汇流方案模拟流量过程线与实测在趋势上吻合都比较好。运动波方案模拟效果比单位线的模拟效果好。.本项目开发了水文多模型集合预报系统。该软件系统的主要功能是采用多模型对水文过程进行集合预报处理，其中包含了天气预报数据下载、前处理、多个水文模型模拟及后处理等功能。其中产流模型包括：时变增益模型、新安江模型、萨克门托模型；汇流模型包括运动波模型、单位线模型。.将本软件系统在珠江上游飞来峡流域、渭河流域、海河内潮白河流域及北京市进行了建模。通过与观测流量进行对比，发现该模型系统能够很好的模拟流域产汇流过程，并能一定程度考虑人类活动影响。.该项目的研究成果能够应用于洪水预报，山洪预报，干旱预警，也能为水资源及气候变化影响研究提供支撑。