高分辨率陆面水文过程模式研制

Over the recent years notable progress has been made in the development of high resolution land surface datasets, on the order of 1 km. But to date global land surface models are still running at rather coarse spatial resolutions of about 100-50 km. This project intends to introduce several new representations of hydrological processes in the Common Land Model to resolve fine-scale (~ 1 km) movements of terrestrial water. Key improvements are as follows: 1) within a grid cell hillslope processes of overland flow and groundwater will be explicitly represented on a physical basis; 2) by using dataset of depth to bedrock, the computational domain of soil water movement is made to vary with location of bedrock; 3) lateral flow mechanism of groundwater between adjacent grid cells is introduced; 4) a two-way coupling scheme of river flow and runoff is developed. The improved hyperresolution land surface hydrological model can better represent the heterogeneity of land surface, more accurately describe the distribution of terrestrial water, and further improve other simulations of land surface physics, chemistry and ecology.

本项目拟在发展完善1公里分辨率全球陆地表面数据集的基础上，改进目前通用陆面模式(CoLM)对于地表汇流、土壤水、地下水和河道径流等水文过程及其相互作用的描述，使其更加符合小尺度水文过程的特征，将目前CoLM的水文过程模拟的空间分辨率由约100-50公里提高到1公里。其中关键改进为：1）考虑地形因素，发展次网格内基于物理原理的地表水汇流数值方案和基流模拟方案；2）借助高分辨率的全球基岩深度数据，改进目前陆面模式中全球统一取3.9米深作为土壤水计算区域下界的方案，变为随基岩的实际深度而变化；3）增加网格之间地下水的侧向流动机制；4）发展河道径流与地表汇流及基流的双向耦合方案。通过这些改进，使陆面模式能更好地反映陆地表面的异质性，更准确地刻画土壤水、地表水和地下水的分布，从而提升对陆面物理、化学和生态等其他过程的模拟精度，为数值天气预报/地球系统模式及相关领域应用提供精细化的陆面水文过程模式。

观测和计算机技术的进步为高分辨率陆面模式的发展提供了机遇，但陆面模式参数化方案的研究滞后于数据和高性能计算的发展。本项目在发展完善1公里分辨率全球陆地表面数据集的基础上，改进了目前通用陆面模式对于地表汇流、土壤水、地下水和河道径流等水文过程及其相互作用的描述，使其更加符合小尺度水文过程的特征，将目前通用陆面模式水文过程模拟的空间分辨率提高到了1公里。主要研究内容为：1）基于地形等水文学数据，发展了一个以流域为基本单元的地表划分方法，并基于此实现了对侧向流的模拟；2）在通用陆面模式中新建了对地表汇流和河道径流的动力学过程以及地下水侧向运动过程的模拟方案；3）改进了通用陆面模式中土壤水分运动过程的模拟方案，使其可与侧向流更紧密地耦合；4）改进了湖泊、水库和植物水力等其他水文过程的模拟方案；5）建立了完整的用于支撑高分辨率陆面水文过程模拟的数据集。模拟对比实验和验证的结果表明，引入流域单元和侧向流的高分辨率陆面模式能更好地反映陆地表面的异质性，更准确地刻画土壤水、地表水和地下水的分布，并进一步提升了对能量和植被等其他过程的模拟精度。本项目建立了基于物理原理的、水文过程较为完整的对侧向水流的模拟方案，方案的数值算法和代码内置于通用陆面模式中，其精度、效率和稳定性满足高分辨率陆面水文过程模拟的需求。本项目发展的模式对小尺度的陆面自然过程描述更准确，与城市、水库和作物等人类活动过程的尺度相匹配，除天气和气候研究领域外，也可应用于水文、生态、环境和农业等领域。