分布式水文模型及其應(yīng)用

分布式水文模型WEP及其應(yīng)用賈仰文中國水科院水資源所2012年11月28日2前言分布式水文模型WEP應(yīng)用案例海河流域（水資源演變歸因分析、未來變化預(yù)測及調(diào)控方案）唐家山流域（WEP+TRMM堰塞湖入湖徑流預(yù)報(bào)）渭河流域（WRF+WEP耦合徑流預(yù)報(bào)）國外應(yīng)用案例（日本、韓國）問題討論報(bào)告提綱3前言4水文模型的分類5分布式物理水文模型的作用

(Physically-baseddistributedhydrologicmodel)由于分布式物理水文模型能夠把單一的水量變化的模擬擴(kuò)大到廣泛的水文水資源與生態(tài)環(huán)境問題模擬，因此具有研究上的前沿性和應(yīng)用上的廣泛性。它涵蓋了地表與地下水計(jì)算、水資源數(shù)量與質(zhì)量的聯(lián)合評(píng)價(jià)、非點(diǎn)源污染、土壤侵蝕與水土流失、洪水預(yù)報(bào)、生態(tài)需水與生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)、農(nóng)田灌溉與農(nóng)業(yè)節(jié)水、城市水文水環(huán)境的模擬計(jì)算，并且可以通過尺度轉(zhuǎn)換與大氣環(huán)流模式耦合來預(yù)測全球變化對(duì)水文水資源的影響。

6分布式水文模型的發(fā)展趨勢氣象-水文過程的耦合模擬將現(xiàn)代氣象和水文觀測技術(shù)相結(jié)合，將氣候模式與水文模型相耦合，對(duì)突發(fā)水文事件進(jìn)行高精度的模擬與預(yù)報(bào).789短期預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)洪峰、洪量、峰現(xiàn)時(shí)間為防洪調(diào)度服務(wù)。和衛(wèi)星遙感、雷達(dá)測雨、氣候預(yù)報(bào)模式結(jié)合，提高預(yù)報(bào)精度和預(yù)見期。中長期徑流預(yù)報(bào)，為水資源統(tǒng)一調(diào)度服務(wù)，比如水電調(diào)度、南水北調(diào)水量調(diào)度、全流域水量調(diào)度等。徑流實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)10徑流預(yù)報(bào)WEP分布式水文模型雙向耦合氣象模式預(yù)報(bào)降雨48h預(yù)見期雷達(dá)預(yù)報(bào)降雨3h預(yù)見期采用“陸-氣”耦合模式開展分布式洪水預(yù)報(bào)11分布式水文模型的發(fā)展趨勢無觀測資料或觀測資料缺乏流域的水文預(yù)測（PUBs）充分利用遙測技術(shù)，對(duì)上述地區(qū)進(jìn)行水文預(yù)報(bào);12分布式水文模型的發(fā)展趨勢水文及其伴生過程的耦合模擬，與水資源評(píng)價(jià)、泥沙運(yùn)移、水污染以及水生態(tài)等專業(yè)模型的耦合與集成。13分布式土壤侵蝕及泥沙運(yùn)移模型14在水量模擬的基礎(chǔ)上，增加水質(zhì)模擬模塊，模擬點(diǎn)源和非點(diǎn)源污染物遷移過程，進(jìn)而對(duì)河流水質(zhì)狀況及其變化作出預(yù)測，為流域水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度及預(yù)警預(yù)報(bào)服務(wù)。水量水質(zhì)聯(lián)合模擬與調(diào)控1516WEP模型原理17WEP模型簡介WEP模型(WaterandEnergytransferProcessesmodel，水分與能量交換過程模型）/WEP-L（大流域WEP模型）歷經(jīng)十多年（1995至今）的開發(fā)，擁有日本、中國軟件著作權(quán)。該模型在國家“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目和國家973項(xiàng)目研究中，融入二元水循環(huán)的理念與模式進(jìn)一步開發(fā)，相繼開發(fā)出WEP-IWHR（網(wǎng)格單元）和WEP-L（子流域內(nèi)等高帶）兩個(gè)版本。

WEP模型現(xiàn)已應(yīng)用于我國的黃河、黑河、海河、嫩江、金沙江、松花江等流域相關(guān)研究和水資源管理實(shí)踐中，并已在日本和韓國有一些應(yīng)用案例。18WEP模型的特點(diǎn)

水循環(huán)全要素過程及與能量過程耦合模擬

WEP模型綜合了分布式流域水文模型和陸面地表過程模型（SVATS模型）的各自優(yōu)勢，比較詳細(xì)地耦合了水循環(huán)與能量交換過程的模擬。與傳統(tǒng)水文模型相比，該模型在計(jì)算產(chǎn)匯流的同時(shí)，較細(xì)致地計(jì)算了各類植被多形式耗水過程和地下水流動(dòng)過程，具有計(jì)算植被生態(tài)需水和進(jìn)行廣義水資源（包括水循環(huán)效率）評(píng)價(jià)的潛力，可以分清哪些河段是河水滲漏、哪些河段是地下水溢出。WEP模型原理19WEP模型的特點(diǎn)WEP模型原理20

大流域模擬以“子流域內(nèi)等高帶”為計(jì)算單元依據(jù)DEM和實(shí)測河流矢量圖進(jìn)行包含空間拓?fù)湫畔⒌暮泳W(wǎng)生成與子流域劃分，以“子流域內(nèi)等高帶”為計(jì)算單元，并用“馬賽克”法考慮計(jì)算單元內(nèi)土地覆被的多樣性，既避免了“大流域粗網(wǎng)格”帶來的水量平衡失真與匯流路徑失真問題，又能夠合理表述水文變量空間變異特征變時(shí)間步長（年/月/日/小時(shí)）

針對(duì)各水循環(huán)要素過程的特點(diǎn)，采用“變時(shí)間步長”進(jìn)行模擬計(jì)算，既保證了水循環(huán)動(dòng)力學(xué)機(jī)制的合理表述又提高了計(jì)算效率WEP模型的特點(diǎn)WEP模型原理21

“變水源區(qū)”變通模擬—超滲、蓄滿和泉水溢出

在產(chǎn)匯流計(jì)算中體現(xiàn)了變水源區(qū)（VSA）理論，能夠模擬超滲、蓄滿和泉水溢出等各種產(chǎn)流機(jī)制的產(chǎn)匯流過程，并做到了“地表水、地下水以及土壤水的聯(lián)合動(dòng)態(tài)計(jì)算”

模型計(jì)算速度快（全黃河流域模擬11分鐘/年）

既可用于洪水預(yù)報(bào)又可用于長期連續(xù)計(jì)算WEP模型的特點(diǎn)WEP模型原理22分布式水文模型單元?jiǎng)澐诸愋?3WEP模型水平結(jié)構(gòu)柵格模式，各單元的長與寬可不同。24

水平結(jié)構(gòu)上，坡面匯流計(jì)算根據(jù)等高帶高程、坡度與Manning糙率系數(shù)，坡面匯流采用一維運(yùn)動(dòng)波法追跡計(jì)算，河道匯流采用一維運(yùn)動(dòng)波法或動(dòng)力波法追跡計(jì)算。地下水分山區(qū)和平原區(qū)分別進(jìn)行數(shù)值解析，并考慮其與地表水、土壤水及河道水的水量交換。WEP-L水平結(jié)構(gòu)25WEP/WEP-L模型垂直結(jié)構(gòu)26WEP-L模型采用了“馬賽克”結(jié)構(gòu)，來考慮計(jì)算單元內(nèi)的土地利用變異問題。每個(gè)計(jì)算單元的蒸發(fā)蒸騰包括植被截留蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)、水面蒸發(fā)、農(nóng)作物蒸騰和植被蒸騰等多項(xiàng)。參照土壤-植被-大氣通量交換方法(SVATS模型），采用Penman公式或Penman-Monteith公式等進(jìn)行計(jì)算。由于蒸發(fā)蒸騰過程和能量交換過程客觀上融為一體，為計(jì)算蒸發(fā)蒸騰，詳細(xì)計(jì)算了地表附近的能量過程。WEP模型要素過程:蒸發(fā)蒸騰WEP模型原理27WEP模型的蒸騰蒸發(fā)計(jì)算28地表能量交換系統(tǒng)與能量平衡方程WEP模型要素過程:蒸發(fā)蒸騰WEP模型原理29

根據(jù)變?cè)磪^(qū)（VSA）產(chǎn)流原理，采用非飽和土壤水運(yùn)動(dòng)Richards方程與地下水運(yùn)動(dòng)方程的耦合模擬方法，并考慮兩種邊界條件（地表積水時(shí)的壓力水頭控制條件，以及通量控制條件）。但遇到強(qiáng)降雨度時(shí)，為避免數(shù)值計(jì)算的不穩(wěn)定問題，采用多層Green-Ampt模型計(jì)算入滲能力。WEP模型要素過程:土壤水運(yùn)動(dòng)、入滲與地表徑流WEP模型原理30WEP模型要素過程:土壤水運(yùn)動(dòng)、入滲與地表徑流WEP模型原理31WEP模型要素過程:土壤水運(yùn)動(dòng)、入滲與地表徑流WEP模型原理32WEP模型要素過程:地下水運(yùn)動(dòng)淺層地下水運(yùn)動(dòng)方程（Boussinesq方程）：上式中，μ＝產(chǎn)水系數(shù),kx、ky＝x方向和y方向的導(dǎo)水系數(shù)，W＝含水層厚度內(nèi)的平均取水等水深（源匯項(xiàng)）。Wyhhkyxhhkxthyx-??-??+??-??=??))([])([hhm承壓地下水WEP模型原理33WEP模型要素過程:地下徑流或河道滲漏:()[]?íì-+--=bbrbbbrubbdZHAkdHhAkRG/1/)(ruruHhHh<3WEP模型原理34WEP模型要素過程:坡面匯流/河道匯流WEP模型原理35WEP模型要素過程:積雪融雪

考慮了水庫或河道取水、農(nóng)業(yè)灌溉排水、林牧漁用水、工業(yè)與生活用水及排水、地下水揚(yáng)水等。采用“溫度指標(biāo)法”（Temperature-indexapproach）WEP模型要素過程:人工側(cè)支循環(huán)WEP模型原理36WEP模型輸入（1）37WEP模型輸入（2）38WEP模型輸入（3）39WEP模型輸入（4）40WEP模型輸入（5）41WEP模型輸出（1）42WEP模型輸出（2）43WEP模型水質(zhì)模塊開發(fā)長時(shí)間尺度（月）模塊，用于規(guī)劃層次

44短時(shí)間尺度（日內(nèi)過程）模塊，用于應(yīng)急管理等

水動(dòng)力學(xué)模型＋移流擴(kuò)散方程，類似于QUA2E水質(zhì)模塊模擬的污染物包括以下3類：1)總氮TN,包括氮元素在水中的各種形態(tài)，硝態(tài)氮，亞硝態(tài)氮，銨態(tài)氮，有機(jī)氮等;2)總磷TP,包括有機(jī)磷，無機(jī)礦物磷;3)生物需氧量BOD、化學(xué)需氧量COD、溶解氧DO、固體懸浮物SSWEP模型水質(zhì)模塊開發(fā)45BIOME-BGC模型：可以利用氣象信息和研究地點(diǎn)條件，能在1m到全球范圍尺度上對(duì)主要的生物群區(qū)的碳、水和氮通量和狀態(tài)進(jìn)行模擬。輸出:年最大葉面積指數(shù)(m2/m2)、年總蒸散量(mma-1)、年總徑ALA(mma-1)、年凈初級(jí)生產(chǎn)力NPP(gCm-2a-1),年凈生物群區(qū)生產(chǎn)力NBP(gCm-2a-1)等植被生長和碳循環(huán)信息。WEP模型生態(tài)模塊開發(fā)46由于黃土區(qū)坡面侵蝕輸沙過程的非線性特性突出，在WEP-L基本計(jì)算單元-等高帶內(nèi)嵌套亞計(jì)算單元結(jié)構(gòu)，通過不同土地利用類型上坡面溝蝕過程分布規(guī)律，進(jìn)行等高帶內(nèi)典型侵蝕地貌分布，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算單元的內(nèi)的侵蝕輸沙過程計(jì)算。WEP模型泥沙模塊開發(fā)典型侵蝕類型侵蝕機(jī)理雨滴濺蝕雨滴濺蝕面(片)蝕薄層水流侵蝕細(xì)溝侵蝕薄層水流侵蝕、重力侵蝕淺溝侵蝕股流侵蝕、重力侵蝕切溝侵蝕股流侵蝕、重力侵蝕滑坡、泄溜等重力侵蝕47二元水循環(huán)3majorhumanactivitiesDualistic(NaturalandSocial

)EvolutionofWaterCycle3majorevolutionresponsesDualisticforcing+Dualisticstructure+Dualisticparameters

Waterresources,waterenvironmentandwaterecologyWaterutilization,landcoverchangeandgreenhousegasemission48二元模型：WEP與水資源配置模型、多目標(biāo)決策分析模型的耦合分布式水文模型DistributedHydrologicalmodelDAMOS模型多目標(biāo)決策模型ROWAS模型

基于規(guī)則的水資源配置模型WEP模型WEPDistributedHydrologicalModelDualisticModel地下水模塊Moduleofgroundwater水質(zhì)模塊Moduleofwaterquality二元模型WEP模型，在二元核心模型中處于最為基礎(chǔ)的地位，主要用來模擬不同方案下流域水循環(huán)和水環(huán)境狀況，為方案的合理性和可行性提供基礎(chǔ)分析平臺(tái)。

DAMOS模型，處于二元核心模型的最頂層，可通過多目標(biāo)決策確定區(qū)域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)、資源以及水資源取用耗排總體目標(biāo)，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)區(qū)域水資源的合理配置提供約束。

ROWAS模型，在二元核心模型中處于串接DAMOS模型和WEP模型的位置，是通過水資源的合理配置實(shí)現(xiàn)對(duì)DAMOS宏觀決策目標(biāo)的時(shí)空合理分配并檢驗(yàn)其合理性，同時(shí)為WEP提供預(yù)定情景目標(biāo)下可用于水循環(huán)模擬的供用水過程。49海河流域應(yīng)用案例（水資源演變歸因分析、未來變化預(yù)測及調(diào)控方案）508省/市15個(gè)水資源三級(jí)區(qū)計(jì)算單元的劃分513,067個(gè)子流域劃分11,752個(gè)基本計(jì)算單元計(jì)算單元的劃分

水文計(jì)算單元526省和2市125個(gè)計(jì)算單元DAMOS模型ROWAS模型規(guī)劃管理單元計(jì)算單元的劃分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入示例

完成了水循環(huán)、水環(huán)境和生態(tài)3個(gè)方面9類16個(gè)要素的驗(yàn)證。在水循環(huán)模擬中，實(shí)現(xiàn)了降水、蒸發(fā)、地表水、地下水、水庫蓄變量等多個(gè)環(huán)節(jié)的系統(tǒng)驗(yàn)證，并實(shí)現(xiàn)了各要素間的互相校核，突破了以往的單要素驗(yàn)證。模型驗(yàn)證RegCM3降尺度結(jié)果檢驗(yàn)-模擬（左），實(shí)測（右）模型驗(yàn)證——水循環(huán)過程淺層地下水位檢驗(yàn)-模擬（左），實(shí)測（右）主要水文站徑流量結(jié)果檢驗(yàn)水庫蓄變量驗(yàn)證

模型驗(yàn)證——水循環(huán)伴生過程水動(dòng)力學(xué)水質(zhì)模型驗(yàn)證——總磷生態(tài)模擬對(duì)比示例地下水質(zhì)模型驗(yàn)證——硝態(tài)氮，左模擬，右實(shí)測地表水質(zhì)模型驗(yàn)證——氨氮

綜合模擬與預(yù)測平臺(tái)總體架構(gòu)模型系統(tǒng)采用最新的富客戶端/服務(wù)器(RCP/Server)的開發(fā)方式來構(gòu)建，可保證模型系統(tǒng)的所有功能。該系統(tǒng)已于2009年3月安裝到海河水利委員會(huì)和環(huán)境保護(hù)部業(yè)務(wù)部門的KM平臺(tái)中，已持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行三年以上。綜合模擬與預(yù)測平臺(tái)海河流域現(xiàn)狀下墊面及用水條件下的水量平衡圖1956-2005年多年平均值單位：億m3結(jié)果示例－水量平衡圖11752個(gè)計(jì)算單元調(diào)入水量43.559海河流域河流水質(zhì)狀況分布（3067河段）2000年8月,COD結(jié)果示例－河流水質(zhì)海河流域水資源演變歸因分析統(tǒng)計(jì)及歸因分析方法歸因分析的難點(diǎn)在于難以剝離不同因素對(duì)流域水循環(huán)及其伴生過程的影響，量化不同因素的貢獻(xiàn)率氣候自然變異是導(dǎo)致海河流域過去50年降水減少的主要原因溫室氣體排放、太陽活動(dòng)火山爆發(fā)是導(dǎo)致海河流域過去50年溫度增加的2個(gè)因素，其貢獻(xiàn)分別為84%和16%氣候自然變異、區(qū)域人類活動(dòng)是導(dǎo)致海河流域過去50年水資源量衰減的2個(gè)因素,其貢獻(xiàn)分別為38%和62%海河流域水資源演變歸因分析水資源演變預(yù)測水環(huán)境演變預(yù)測生態(tài)演變預(yù)測調(diào)控措施氣候變化預(yù)測海河流域未來水資源、水環(huán)境與生態(tài)過程的

演變趨勢預(yù)測及調(diào)控63情景方案的設(shè)置

ScenariosSetting水平年方案水文系列降水量地下水超采入海水量南水北調(diào)（引江）引黃中線東線2005年S11980～20051596.280350046.2

S2

1596.2533503.6546.42010年S31980～20051596.2535503.6546.4

S4

1596.2535556.4×50%3.6546.4

S51956～20051700.2539356.4×50%3.6546.4

S61980～20051596.205558.714.2472020年

S71596.209358.714.247S81956～20051700.209358.714.247S91980～20051596.203558.714.247S101980～20051596.2275558.714.247S141956～20051700.2275558.714.2472030年S111980～20051596.209383.931.343.3S151956～20051700.209383.931.343.3單位：108m32011-2020年平均降水變化百分率相對(duì)于1970-90年的模式氣候場，2011-2020年降水量在海河流域的大部分地區(qū)都表現(xiàn)為增加趨勢,幅度為5-10%,偏南地區(qū)增加更為明顯;2021-2030年降水增加幅度進(jìn)一步加大。趨勢預(yù)測受自然和人類雙重作用，2020年和2030年地表水資源量將分別增加3.4%和8.9%，

地下水與地表水的不重復(fù)量減少4.3%和13.4%，狹義水資源總量變化不大，變化幅度在2%左右；降水的有效利用量增加7%左右，廣義水資源量增加5%左右。未來水平年水資源量變化率2020年2005年地下水流場矢量圖

趨勢預(yù)測在未來調(diào)控情景下，由于地下水壓采和南水北調(diào)的補(bǔ)償作用，2020年淺層地下水位下降速度放緩，深層水位將有所回升。淺層深層選取9項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，對(duì)情景方案的合理性進(jìn)行分析，確定了3個(gè)不同水平年的優(yōu)選方案現(xiàn)狀年2015水平年2020水平年2030水平年1980-2005年系列S10S1S11S4總量調(diào)控方案雷達(dá)圖越接近正多邊形，說明發(fā)展越均衡、可持續(xù)性越好外調(diào)水量當(dāng)?shù)厮慈∷縀TCOD入河量地下水超采量入海水量氨氮入河量GDP糧食產(chǎn)量最嚴(yán)格水資源管理總量控制指標(biāo)現(xiàn)狀年S1方案2015水平年S4方案2020水平年S10方案2030水平年S11方案用水總量控制紅線地下水開采量248.7232.0187.5171.9地表水取水量（含外調(diào)水量）135.6169.5230.2260.6國民經(jīng)濟(jì)用水量381.1386.9400.0410.9生態(tài)環(huán)境用水量3.514.717.120.9入海/出境水量43.158.471.186.4用水效率控制紅線國民經(jīng)濟(jì)耗水量322.7320.4273.9270.0總耗水量（ET）1660.71667.01675.31685.2納污控制紅線COD入河控制量105.279.153.031.0氨氮入河控制量11.48.25.01.5單位：億m3，萬t不同方案下的全流域總量控制指標(biāo)2.3.2總量調(diào)控方案提出了8個(gè)省市、26個(gè)地級(jí)市、16個(gè)重點(diǎn)縣、15個(gè)水資源三級(jí)區(qū)、80個(gè)三級(jí)區(qū)套地市和125個(gè)調(diào)控單元的總量控制指標(biāo)68唐家山流域應(yīng)用案例（WEP+TRMM堰塞湖入湖徑流預(yù)報(bào)）

唐家山堰塞湖概況唐家山堰塞湖地點(diǎn)：北川縣境內(nèi)通口河流域堰頂最低點(diǎn)高程：750.2m相應(yīng)的堰高：82.8m庫容：3.2億立方米集水面積：3550km2

綜合治理需求若堰壩潰決，將嚴(yán)重威脅到周圍100多萬人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。關(guān)鍵治理措施采取工程措施進(jìn)行導(dǎo)流做好下游人員安置來水及堰前水位預(yù)報(bào)計(jì)算網(wǎng)格正方形網(wǎng)格網(wǎng)格大?。?00M*500M范圍：涪江（綿陽以上）流域輸入?yún)?shù)處理(1)DEMFlowDirectionFlowAccumulationRiverCodingSlopeCodingSlope輸入?yún)?shù)處理(2)AspectLandUseSoilTypeSoilType(Re)VegetaionSoilThick輸入?yún)?shù)處理(3)共獲得了4個(gè)氣象站1956-2004年逐日降水、氣溫、風(fēng)速、日照、相對(duì)濕度資料各計(jì)算單元的降水、溫度、相對(duì)濕度在泰森多邊形插值的基礎(chǔ)上，采用高程進(jìn)行修正泰森多邊形降水隨高程變化配線輸入?yún)?shù)處理(4)結(jié)合堰塞湖及其他相關(guān)敏感點(diǎn)，將河流劃分為134段。河形參數(shù)（底寬、頂寬、最大深度、曼寧糙率等）參照有關(guān)水文（水位）站的大斷面測量成果和規(guī)劃資料進(jìn)行分段概化與插值。模型校驗(yàn)(5)校驗(yàn)策略本區(qū)屬于缺水文資料嚴(yán)重缺失地區(qū),根據(jù)資料掌握情況,選取平武、甘溪、將軍石、涪江橋四個(gè)站月徑流量作為模型校驗(yàn)依據(jù)。模型校驗(yàn)期：1976-1980年為防止初始水文狀態(tài)設(shè)定存在的不足，將1970-1975年作為模型預(yù)熱期站點(diǎn)年相對(duì)誤差年Nash效率5-8月相對(duì)誤差5-8月Nash效率平武-6.28%0.643.79%0.75甘溪-12.38%0.628.76%/將軍石-5.37%0.674.12%0.71涪江橋-2.95%0.689.00%0.62模型校驗(yàn)(6)模型適用性評(píng)價(jià)受到資料限制,個(gè)別斷面的模擬效果不是十分理想枯水季模型的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差均較大控制唐家山斷面將軍橋站的整體模擬效率較好,5-8月份的模擬效果較好,且模擬值略大于實(shí)測值,有利于風(fēng)險(xiǎn)管理.預(yù)報(bào)輸入?yún)?shù)處理（1）TRMM雷達(dá)雨量參數(shù)處理雷達(dá)格點(diǎn)覆蓋情況分布圖時(shí)段：2008年1月1日-7月1日步長：3小時(shí)校正方式：歷史地面氣象站（松潘站）日監(jiān)測數(shù)據(jù)與所在格網(wǎng)數(shù)據(jù)配線校正曲線預(yù)報(bào)情景及初始狀態(tài)變量設(shè)置預(yù)報(bào)情景設(shè)置：1）雷達(dá)降水?dāng)?shù)據(jù)；

2）地面觀測站（松潘站）同期降水監(jiān)測數(shù)據(jù)，未進(jìn)行高程修正；

3）地面觀測站（松潘站）同期降水監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行高程修正本模型模擬預(yù)報(bào)時(shí)段為：2008年5月12日至6月16日?？紤]到用于堰塞湖風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避，其他狀態(tài)變量采用以下情景：模型從預(yù)熱期2008年1月1日-5月11日溫度、風(fēng)速、日照、相對(duì)濕度參照1990-2000年同一時(shí)段利于河道匯集流域情景土壤水含量、初始地下水水位采用1990-2000年同一日期（1月1日）最大土壤含水量和最淺地下水埋深模擬預(yù)報(bào)結(jié)果分析單站降水輸入預(yù)報(bào)結(jié)果誤差較大；采用Radar降水輸入預(yù)報(bào)效果較好；至泄流時(shí)，水庫蓄積量較實(shí)測多0.11億立方米，滿足工程除險(xiǎn)要求。形成和工程處理期實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測期下泄期82渭河流域應(yīng)用案例（CWRF+WEP耦合徑流預(yù)報(bào)）83渭河流域位置與范圍84WRF模式介紹模式的開發(fā)WeatherResearchandForecastingModel由美國國家大氣研究中心（NCAR）中小尺度氣象處、國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）環(huán)境模擬中心、預(yù)報(bào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（FSL）的預(yù)報(bào)研究處和奧克拉荷馬大學(xué)的風(fēng)暴分析預(yù)報(bào)中心（CAPS）四單位聯(lián)合發(fā)起；1997年開始建立，2000年發(fā)布第一版；目前最新版為V3.2，April2,2010模式的版本ARW（AdvancedResearchWRF）：研究用√N(yùn)MM（NonhydrostaticMesoscaleModel）：業(yè)務(wù)用85WRF模式介紹ArakawaC水平交錯(cuò)格點(diǎn)垂直坐標(biāo)

86WRF模式介紹模式中物理過程相互作用87模式本地化模擬區(qū)域設(shè)置綜合考慮模擬區(qū)域優(yōu)化及模式計(jì)算經(jīng)濟(jì)性等因素選擇南北31.5°N-39°N、東西101.5°E-103°E區(qū)域作為最外層模擬區(qū)域，其范圍覆蓋了陜西、甘肅及寧夏大部，以及四川、青海、內(nèi)蒙、山西、河南等省局部模擬時(shí)段選擇綜合考慮WRF輸入數(shù)據(jù)的可獲取性和渭河流域水文站點(diǎn)徑流資料的掌握情況選取2000年作為模擬時(shí)段88模式本地化模擬參數(shù)設(shè)置每6小時(shí)更新邊界條件；輸出結(jié)果的時(shí)間間隔為8小時(shí)三層嵌套計(jì)算，分別為45km-15km-5km網(wǎng)格，粗細(xì)網(wǎng)格間采用雙向反饋模式計(jì)算中的積分時(shí)間步長為3分鐘；子母區(qū)域積分步長比例為1:3:3垂向分層為27層數(shù)據(jù)來源靜態(tài)地面數(shù)據(jù)來自WRF官方網(wǎng)站初始場和邊界場文件來自NCEP的FNL資料89模式方案選取微物理過程mp_physics=Lin等的方案近地面層sf_sfclay_physics=MOJE方案邊界層bl_pbl_physics=MYJTKE方案陸面過程sf_surface_physics=RUC方案積云參數(shù)化cu_physics=KF方案長波輻射ra_lw_physics=rrtm方案短波輻射ra_sw_physics=Duhia方案90模擬效果檢驗(yàn)?zāi)M區(qū)域：渭河流域各三級(jí)區(qū)模擬時(shí)段：2000年8月16日00時(shí)-8月25日00時(shí)結(jié)果選取：采用最內(nèi)層5km格點(diǎn)結(jié)果檢驗(yàn)方法：TS、BS以及AS評(píng)分方法91TS評(píng)分：BS評(píng)分：AS評(píng)分：模擬效果檢驗(yàn)其中：Na為降雨預(yù)報(bào)正確的測站數(shù)或區(qū)域數(shù)，Nb為降雨空?qǐng)?bào)的測站數(shù)或區(qū)域數(shù)，Nc為降雨漏報(bào)的測站數(shù)或者區(qū)域數(shù)；N1為預(yù)報(bào)系列中可接受的次數(shù)，N為總的預(yù)報(bào)次數(shù)。降雨落區(qū)檢驗(yàn)降雨量檢驗(yàn)92模擬效果檢驗(yàn)三級(jí)區(qū)TS評(píng)分BS評(píng)分降雨量級(jí)TS評(píng)分BS評(píng)分北洛河狀頭以上0.8751.143≥0.1mm0.7751.029涇河張家山以上0.6251.167≥10mm0.5831.714渭河寶雞峽以上0.751≥25mm0.2863.5渭河寶雞峽至咸陽0.751≥50mm----渭河咸陽至潼關(guān)0.8750.875≥100mm----渭河流域各三級(jí)區(qū)及不同降雨量級(jí)下降雨模擬的TS評(píng)分和BS評(píng)分93模擬效果檢驗(yàn)渭河流域各三級(jí)區(qū)模擬降雨量AS評(píng)分檢驗(yàn)：AS=78%，即認(rèn)為78%的模擬結(jié)果可以接受。可接受標(biāo)準(zhǔn)為：絕對(duì)誤差<5mm或相對(duì)誤差<50%。結(jié)論：WRF模式對(duì)渭河流域降雨過程的時(shí)空分布以及雨量量級(jí)等方面的模擬效果較好，因此認(rèn)為WRF模式的本地化是成功的。94基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與處理氣象資料：氣象要素：降水、日照、氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速涵蓋渭河流域301個(gè)雨量站點(diǎn)，1956-2000年逐日數(shù)據(jù)水文資料：主要水文站點(diǎn)：狀頭、張家山、林家村、咸陽、華縣1956-2000年45年系列逐日的實(shí)測流量和逐月的還原流量信息地表高程信息：美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）EROS數(shù)據(jù)中心建立的全球陸地DEM（也稱GTOPO30）河網(wǎng)及子流域：實(shí)測河網(wǎng)取自于全國1：25萬地形數(shù)據(jù)庫參照實(shí)測河網(wǎng)，利用DEM提取模擬河網(wǎng)河道斷面形狀參數(shù)推算95基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與處理土地利用/覆被經(jīng)國家相關(guān)部門審查批準(zhǔn)生產(chǎn)的1986、1996和2000年三個(gè)時(shí)段的1∶100000土地利用圖1980－2000年21年逐旬NOAA/AVHRR影像，地表分辨率為8km土壤信息采用全國第二次土壤普查資料水文地質(zhì)全國流域水資源規(guī)劃地下水評(píng)價(jià)相關(guān)資料《中國水文地質(zhì)分布圖》的分區(qū)資料水利水保工程96基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與處理社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息以水資源三級(jí)區(qū)和地級(jí)行政區(qū)為統(tǒng)計(jì)單元收集整理了1980、1985、1990、1995、2000年等5年與用水關(guān)聯(lián)的主要經(jīng)濟(jì)社會(huì)指標(biāo)供、用、耗水信息以水資源三級(jí)區(qū)和地級(jí)行政區(qū)為統(tǒng)計(jì)單元收集整理了1980、1985、1990、1995、2000年等5個(gè)典型年份不同用水門類的地表水、地下水供、用、耗水信息灌溉制度按P=75%的灌溉保證率時(shí)的灌溉制度進(jìn)行灌溉模擬種植結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀年流域各種作物播種面積97模型調(diào)參和校驗(yàn)水文站實(shí)測徑流量年均值（億m3）計(jì)算流量年均值（億m3）相對(duì)誤差月徑流過程N(yùn)ash效率系數(shù)華縣70.269.0-1.7%0.709咸陽42.140.6-3.7%0.732林家村22.023.14.7%0.7001956-2000年實(shí)際年徑流量模擬結(jié)果校驗(yàn)98模型調(diào)參和校驗(yàn)結(jié)論：WEP模型對(duì)渭河流域水文特性以及徑流過程均體現(xiàn)出較好的適用性，達(dá)到模型校驗(yàn)的要求，可以應(yīng)用于下一步的陸氣耦合模擬研究。渭河流域華縣站1983年數(shù)場洪水過程校驗(yàn)99陸氣耦合綜合模擬

陸氣耦合方案WRF模擬計(jì)算

尺度轉(zhuǎn)換WEP綜合模擬計(jì)算

陸氣耦合綜合分析100陸氣耦合方案單向耦合數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式主要提供降水等氣象要素結(jié)果作為水文模型的輸入數(shù)據(jù)二者僅根據(jù)自身設(shè)置分別進(jìn)行模擬計(jì)算，而并未進(jìn)行變量交互和反饋，因此也稱單向耦合模擬為“離線”模擬雙向耦合數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式不僅提供氣象要素給水文模型，同時(shí)接受水文模型的反饋，主要耦合變量包括感熱、潛熱、蒸發(fā)以及降雨等各時(shí)段計(jì)算中均需要數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式和水文模型進(jìn)行變量交互和實(shí)時(shí)反饋，因此也稱雙向耦合模擬為“在線”模擬101陸氣耦合方案單向耦合與雙向耦合的根本區(qū)別是否共用同一個(gè)陸面過程論文采用的耦合方式：單向耦合模擬著眼于延長水文預(yù)見期及提高水文預(yù)報(bào)精度數(shù)值氣象模式分布式水文模型陸面過程102WRF模擬計(jì)算模擬時(shí)段2000年9月23日00時(shí)至10月31日18時(shí)（GMT：GreenwichMeanTime）模擬參數(shù)設(shè)置每6小時(shí)更新邊界條件；輸出結(jié)果的時(shí)間間隔為8小時(shí)三層嵌套計(jì)算，分別為45km-15km-5km網(wǎng)格，粗細(xì)網(wǎng)格間采用雙向嵌套模式計(jì)算中的積分時(shí)間步長為3分鐘；子母區(qū)域積分步長比例為1:3:3垂向分層為27層103WRF模擬計(jì)算104WRF模擬計(jì)算三級(jí)區(qū)TS評(píng)分BS評(píng)分北洛河狀頭以上0.8421.121涇河張家山以上0.8681.152渭河寶雞峽以上0.9211.086渭河寶雞峽至咸陽0.9211.028渭河咸陽至潼關(guān)0.9211.028降雨量級(jí)基于三級(jí)區(qū)基于子流域TS評(píng)分BS評(píng)分TS評(píng)分BS評(píng)分≥0.1mm0.8951.0810.7331.144≥10mm0.4852.0630.2823.284≥25mm0.195.250.1168.384≥50mm----0.01757.8105WRF模擬計(jì)算渭河流域各三級(jí)區(qū)模擬降雨量AS評(píng)分檢驗(yàn)：AS=87%，即認(rèn)為87%的模擬結(jié)果可以接受。可接受標(biāo)準(zhǔn)為：絕對(duì)誤差<5mm或相對(duì)誤差<50%。106WRF模擬計(jì)算數(shù)值氣象模式WRF對(duì)于渭河流域各三級(jí)區(qū)是否降雨即降雨的定性判斷方面具有良好的模擬效果。除個(gè)別時(shí)段雨量模擬偏大較多以外，WRF模擬結(jié)果對(duì)于區(qū)域降雨過程以及降雨量級(jí)均有較好的體現(xiàn)。結(jié)論：WRF模式對(duì)渭河流域降雨過程