拟三维地下水模型与通用陆面模式(CoLM)的耦合研究

For the currently popular land surface model, they still exist some defects and deficiencies in groundwater description. Most of them are not describe the dynamic variation of groundwater, however, although some model have considered the interaction between soil water and groundwater, the groundwater lateral flow is still not be included. The fully three-dimensional groundwater model has perfect description of soil water, groundwater and their interaction in hydrological research field, but if it is applied to the land surface model, there still are some problem, such as the scale mismatch, computational memory requirements high, the computational efficiency low. So, this proposal aims to develop a suitable for the land surface model and computationally efficient quasi three-dimensional groundwater model, and then couple it with Common Land Model(referred to as CoLM) to establish a new land surface model CoLM_GW, including groundwater-soil water interaction and groundwater lateral flow. The CoLM_GW, considering integral surface water-soil water-groundwater interaction, will provide a more complete platform for the terrestrial water cycle especially groundwater research.

目前流行的陆面过程模式在对地下水描述方面存在着缺陷与不足，绝大多数没有考虑到考虑地下水的动态变化，少数考虑的也仅仅是考虑土壤水与地下水之间的垂直交换，而缺乏真正物理机制的地下水侧向流过程描述。虽然水文领域已有完备描述土壤水、地下水及其相互作用的三维地下水模型，但若将其应用于陆面过程模式，依然存在着尺度不匹配、计算内存要求高、计算效率低等难题。针对这一科学问题，本项目拟发展一种适合陆面过程模式且计算高效的拟三维地下水模型，继而将该拟三维地下水模型与通用陆面模式（Common Land Model,简称CoLM）进行耦合，建立包含地下水-土壤水相互作用与地下水侧向流的陆面模式CoLM_GW。这样的包含完整地表水、土壤水和地下水相互作用的陆面过程模式CoLM_GW，可以为陆地水循环尤其是地下水的研究提供更加完整的模式平台，具有重要的科学意义与研究价值。

陆面过程对准确描述陆－气间的相互作用起着重要的作用。本研究针对目前流行的陆面过程模式在对地下水描述方面存在的不足如没有地下水的动态变化及地下水间侧向流变化等，通过先发展一个适合于陆面过程模式的拟三维地下水模型，将非饱和土壤水和饱和地下水的运动建立联系，再将该拟三维地下水模型耦合到通用陆面过程模式（Common Land Model,简称CoLM）当中，生成新的考虑地下水－土壤水相互作用和地下水侧向流的通用陆面过程模式CoLM_GW, 用其分析考虑地下水的动态变化对陆面过程模式输出变量尤其是陆气间水热变量的影响。本研究的创新点在于： 1）建立计算简单且适合于陆面过程模式的拟三维地下水模型； 2）用大型稀疏方程组的优化解法实现二维地下水模型在塔里木河区域的模拟，并且网格间的地下水位是相互作用的； 3）在复杂的通用陆面过程模式中，加入地下水运动的子模型，更新陆面过程模式的水分循环模拟。结果表明，加入地下水侧向流的陆面模式在河岸的地下水位模型更加准确，同时加入了地下水的陆面模式模拟出的蒸散发变湿也更加接近观测数据。 陆面过程模式在水分循环上的更加合理描述，将会改进陆－气间水热通量的预报，对于大气乃至整个地球系统的水循环的理解和准确模拟起着重要的作用，具有重要的科学意义和研究价值。