水文模型与陆面模式耦合研究进展

文章编号:100020240(2006)0620961210

水文模型与陆面模式耦合研究进展

收稿日期:2006206221;修订日期:2006210221

基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(2006CB400502;2001CB309404),中国科学院“百人计划”择优支持项目(82057493);中国科

学院大气物理所东亚区域气候2环境重点实验室开放基金项目资助

作者简介:雍斌(1975-),男,安徽马鞍山人,1997年毕业于合肥工业大学,现为南京大学国际地球系统科学研究所博士研究生,主要

从事遥感与地理信息系统及其在陆面水文过程中的应用方面的研究.E 2mail :yongbin @https://www.360docs.net/doc/f03687006.html,

雍　斌1,　张万昌2,1,　刘传胜1

(1.南京大学国际地球系统科学研究所,江苏南京　210093;2.中国科学院大气物理所东亚区域气候2环境重点实验室,

全球变化东亚区域研究中心,北京　100029)

摘　要:水文模型与陆面模式耦合是目前全球变化研究中的热点问题,如何实现分布式水文模型与陆面过程模式的双向耦合,并将其有机嵌入大气模式中,是未来大气环流模式(GCM )和区域气候模式

(RCM )发展和完善的重要目标之一.在简单介绍陆面过程模式和水文模型发展历程的基础上,对水文

模型和陆面过程耦合研究的国内外进展进行了综述,指出了模式耦合中存在的共同问题和未来工作的研究要点.最后,探讨了分布式水文模型与陆面模式耦合在全球变化研究框架中的地位与意义,并展望了陆面水文过程发展的主流趋势和研究方向.

关键词:水文模型;陆面模式;陆面水文过程;耦合;全球变化;参数化中图分类号:P435+.2

文献标识码:A

1　引言

水是土壤2植被2大气传输系统(SVA T )物质、

能量循环的主要驱动力和载体,陆面水文过程则通过水分循环以降水、径流、蒸散发、融雪等多种方式完成了土壤、植被和大气之间水分、热量、动量通量的复杂的交换过程.陆面水文过程研究的最终目的就是要发展和完善水文模型与陆面过程的双向耦合模式,建立描述陆气间水汽通量和能量通量相互传输的参数化方案,实现对地球流体的气候、生态、水文的模拟和预测以及对极端灾害事件的真正预警机制.

2　陆面过程模式的发展

陆面过程模式是用来描述陆地表面水文物理过程、生物化学过程、植被动力过程、辐射传输过程、边界层湍流输送过程等[1-2],模拟和预测陆-气间各种相互作用的模型和模块的统称.陆面过程模式是定量刻画土壤2植被2大气间能量、动量和水汽交换的参数化方案,是大气环流模式(GCM )和区域气候模式(RCM )中的重要组成部分.

陆面过程模式的发展历史可以分为3个阶段:1)简单模式阶段.1956年Budyko et al .[3]提出了一个简单的陆面过程方案对大气和陆面间的相互作用进行参数化,即Bucket 模式;1969年Manabe [4]首次将该模式引入到GCM 中;随后多领域学者也相继投身到与GCM 相耦合的陆面过程模式研究中,陆面过程研究进入以Bucket 模式为核心的简单模式阶段.该模式以水量平衡为基础,将土壤层看作一个水箱,非常简单地处理了土壤蒸发和地表径流过程;2)生物大气模式阶段.从20世纪80年代开始,陆面过程进入了以Deardorff [5]的大叶模式,Dickinson et al .[6-7]的BA TS 模式以及Sellers

et al .[8]

的SiB 模式为典型代表的生物大气模式阶段.这段时期各种陆面模式的主要特点是显式引入了植被对大气的作用,对生物圈的作用考虑较为完善,对陆气间的水热通量和动量通量进行了参数化模拟计算;3)新一代多模式阶段.20世纪90年代以来,全球变化研究的热潮推动了GCM 和RCM 的快速发展,人们对陆面过程模式给予了更多的关注.各种陆面过程模式不断问世,如BA TS2[9]、SiB2[10]、CL M [11]、AV IM [12]、BA IM [13]、L SX [14]、

第28卷　第6期2006年12月

冰　川　冻　土

J OU RNAL OF G L ACIOLO GY AND GEOCR YOLO GY

Vol.28　No.6

Dec.2006

SSiB[15]、L SM[16]、IA P94[17]和V IC[18-19]等,陆面过程模式研究围绕生物化学和水文过程展开,进入了新一代多模式阶段.新一代陆面过程参数化方案考虑了碳循环作用,对陆气间的物理、化学、生物、水文过程的描述更加详细.这一阶段,人们在全球不同气候区对典型生物及流域进行了大规模的国际间合作的陆面过程观测试验,并实施了以国际陆面参数化方案比较计划(PIL PS—Project for Inter2 comparison of Land2surface Parameterization Scheme)为代表的一系列模式敏感性试验.PIL PS 在相同的初边值条件下对20多个陆面模式进行了对比计算,结果发现不同的陆面模式计算出的水热通量相差很大,没有一个模式能够很好地模拟整个陆气交换过程,当前陆面过程模式中仍然存在很大的不确定性[20-22].近5～6a里,由于植被动力学、生态水文学、数据同化技术、同位素和遥感技术的迅速发展,陆面过程模式得到了各种理论和高新技术的有力支持,呈现出多学科交叉研究的态势.

现代陆面过程模式的研究重点包括:水文过程模型和碳循环模型与气候模式间的耦合;尺度转换以及陆面四维同化系统的研建;非均匀下垫面的参数化问题;中尺度通量的参数化及其转换表达;边界层与自由大气间能量与物质的交换等[23-24].其中,陆气间的双向耦合、时空尺度转换、次网格非均匀下垫面的参数化等,是提高模式模拟精度的关键所在.

3　水文模型的发展

水文模型是对自然界中复杂水文现象的近似模拟,是水文科学研究的重要手段[25].裸土蒸发、植被蒸散、土壤水传输、下层土壤重力排水和地表径流等陆面水文过程都属于水文模型的参数化模拟对象[26].

水文模型的发展主要经历了3个阶段:1)经验性“黑箱”模型阶段.自20世纪20-30年代开始,一批重要的水文学原理和计算方法陆续出现[27],如以达西定律为代表的描述非饱和土壤水运动的各种控制方程;以霍顿公式为代表的各种下渗曲线公式;以彭曼方程为代表的流域蒸散发计算方法;以圣维南方程组和槽蓄原理为基础的洪水波运动非线性偏微分表达;以Nash瞬时单位线和线性水库法为代表的降雨径流模拟方法等[28].尤其是Horton 超渗产流和Dunne蓄满产流概念的提出,使人们认识到自然界中存在着两种截然不同的产流机制.关于这两种产流机制的探讨、研究和应用仍是当今水文界经久不衰的话题.这些理论、公式、方法[27]在实践中不断得到发展和完善,为水文模型的建立和应用奠定了坚实的理论基础,水文模型的雏形———经验性的“黑箱”模型应运而生;2)概念性集总式模型阶段.50年代中期至80年代中期,概念集总式水文模型逐步取代了“黑箱”模型而占据主导地位.其中代表性模型有SSA RR、Stanford、Sacramen2 to、Tank、H EC-1、SCS、新安江模型、和A PI连续演算模型等[28-29].但集总模型的最大缺陷是忽略了地形、土壤、植被、土地利用、降水等流域特征参数空间分布的异质性,而把流域作为一个整体来处理;3)分布式水文模型阶段.80年代中期开始,随着计算机、GIS和遥感技术的迅速发展,构造具有一定物理基础并能反映流域内各种要素空间异质性的分布式水文模型成为可能.与集总式相比,分布式水文模型具有明显的优势.首先,分布式水文模型可以对流域各特征要素的空间异质性分布进行参数化,可以深刻反映多源影响的水文过程的物理机制,输出重要的水文过程参数;其次,分布式水文模型是建立高精度水文模型的有效途径;另外,经过验证的分布式水文模型可以对无资料流域或欠缺资料的流域进行模拟和预测.当然分布式水文模型本身也存在缺陷,这就是需要建模者对水文变化的连续物理过程有深入了解.而且模型的参数众多,难以率定,需要大量的观测数据进行验证,因而建立分布式水文模型必须投入大量的人力和物力.目前国际上比较成熟的、影响较大的分布式水文模型有TOPMODEL[30]、SWA T[31]、D HS2 VM[32]、SH E[33-34]等.但这些模型对输入参数的要求和提供的参数库建立在欧美的数据集或观测标准之上,使得模型在我国的推广受到很大影响[35].针对国内数据情况建立具有我国流域特色的分布式水文模型,近10a来取得了不少创新性的研究成果,主要研究者有刘昌明等[36]、郭生练等[37]、夏军等[38]、康尔泗等[39]、贾仰文等[40]、任立良等[41],这些研究为我国开展陆面模式与分布式水文模型之间的耦合奠定了良好的基础.

当前水文模型的研究热点及未来的发展趋势应该包括以下4个方面:加强气候变化的水文响应研究,加深对自然变化和人类活动共同影响下的陆面水文过程变化机理研究,将水文模型与气候模式紧密耦合,提高陆面水文过程的模拟精度;开展无资料流域水文预测与应用(即PUB计划),改进

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MOPEX参数估计方法[25];解决水文模型的不确定性、非线性和水文尺度转换等问题;将GIS、遥感、示踪剂和同位素等高新技术引入水文模型,获取复杂、困难的水文信息,提高水文模型的实用性.

4　水文模型与陆面模式的耦合

传统水文模型的研究主要针对水量的自然变化,而现代水文模型则更多地考虑地球生物圈、全球气候变化以及人类活动的影响[42].气候变化必然会引起水循环系统的变化,从而导致水资源在时空上的重新分配,改变区域降水、蒸散发、土壤湿度、径流等水文要素的循环过程;同时陆-气界面通过植被覆盖、地表粗糙度、反照率、蒸散发等地表参数的变化影响二者之间的水量及能量通量交换,从而对气候系统进行反馈.陆2气间存在双向反馈,互为驱动力[28,43].目前,很多气候模式中的陆面过程细致考虑了一维垂向上的蒸发、蒸腾及感热计算,但对二维水文过程估算粗糙,未能反映土壤湿度的侧向分布、缺少汇流过程、蒸发估计不准,因此无法很好地描述陆2气间的相互作用.在新一代陆面模式中耦合一个好的水文模型显得至关重要.从新安江模型发展而来的V IC模型和基于地形指数的TOPMODEL模型由于考虑了水文过程对土壤湿度分布、地表径流大小和空间分布,进而对蒸发大小和分布的影响,所以有可能耦合到陆面模式中去.

4.1　水文模型与陆面模式耦合进展

4.1.1　V IC模型

发展陆面过程模式的目的是为了能通过近地表的大气强迫(降水、气温、风速、辐射等),给出陆面水分和能量平衡的现实描述.大尺度陆面水文模型V IC,用空间概率分布函数来描述计算栅格内变化的入渗能力,可同时进行陆2气间水分及能量平衡的模拟,弥补了传统水文模型对能量过程描述的不足.V IC模型能输出每个网格上的径流深和蒸发,再通过汇流模型将网格上的径流深转化成流域出口断面的流量过程.该模型最初由Wood et al.[44]根据一层土壤变化的入渗能力提出,Liang et al.[18]在此基础上将其发展为两层土壤的V IC22L模型,后来模型中又增加了一个10cm左右的薄土层,变成3层土壤的V IC23L模型[19].该模型的主要特点是:1)同时考虑陆2气间水分收支和能量收支过程;

2)同时考虑两种产流机制(蓄满产流和超渗产流)[19];3)考虑次网格内土壤、降水、植被非均匀性对产流的影响[45];4)考虑积雪、融雪及土壤冻融过程[46].基于上述特点,V IC模型在世界上很多地区进行水文过程的模拟取得了良好的效果[47-52],该模型还参加了不少重要的国际陆面参数化方案的比较计划项目[20-22,53-54].

Liang et al.[19]为解决次网格土壤异质性问题,将超渗和蓄满两种产流机制同时考虑到V IC模型中,研究了在不同的土壤和降水条件下,土壤空间分布非均匀性对两种产流机制的影响.通过在美国宾夕法尼亚州的3个流域上实验研究发现:如果不考虑超渗产流将会低估地表径流而高估土壤含水量,改良后的模型对陆2气耦合系统中地表径流和土壤水的分配起到重要作用.为了能动态表达地表水和地下水相互作用对土壤湿度和蒸散法的影响, Liang et al.[55]通过模拟地表径流和地下水,分析了地表水经渗透后的剩余部分径流的产生机理,改进后的模型较好地模拟了总地表径流和地下水含量.之后,Liang et al.[56]又在俄克拉荷马州蓝河流域研究了6种不同空间分辨率(网格大小分别为1/32、1/16、1/8、1/4、1/2和1°)下降水和土壤异质性对整个模式水分通量的影响.结果表明:V IC 模型存在临界分辨率;模型经过参数率定后,只要分辨率高于临界值则模拟结果相差不大;但如果分辨率低于临界值,即便用高分辨率下率定的参数来运行模式,也难以得到较好的模拟效果;此外,还发现如果研究区的土壤湿度对土壤特性的空间分布越敏感,则模拟的径流和蒸发对降水空间分布就越敏感.

此外,Su Fengge et al.[43]改进了V IC模型中土壤蓄水曲线和土壤深度参数,研制了气候变化对中国径流影响的评估模型,谢正辉等[57]构建了适用于区域气候模式的50km×50km分辨率网格的大尺度水文模型框架;周锁铨等[58]提出了一个在模拟地表径流、土壤湿度和地表通量时,考虑次网格降水和土壤空间异质性的计算方案GV IC,并与BA TS模式耦合,模拟和分析了长江流域地气系统水分循环过程;Zeng Xinmin et al.[59]将V IC与新安江模型相结合,研建了VXM水文模型,替代RIEMS区域气候模式中BA TS的径流描述部分,并分析了降水和入渗不均匀性对陆面水文过程模拟的影响.

4.1.2　TO PMODEL模型

地形是降雨2径流陆面水文过程中的关键因素[30],是流域中气温、降水、土壤、植被等空间分

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6期雍　斌等:水文模型与陆面模式耦合研究进展　

布的主导因子,对陆面过程的通量计算有重要影响[23].以地形为基础的TO PMODEL半分布式流域水文模型于1979年由Beven et al.[30]提出,目前该模型在水文模拟、生态监测、气候变化、地球物理化学等领域得到了广泛的应用与发展[60-63].TOP2 MODEL以变源产流面积概念为建模基础、水量平衡原理和Darcy定律为理论依据、三个重要假设为模型简化的条件,充分考虑地形对产流源面积的形成和动态变化的影响,有效地反映出流域饱和缺水量的空间变化[30,60-64].正是由于TOPMOD EL考虑了水文过程中地形对土壤湿度分布、地表径流量、蒸散发大小及空间分布的影响,所以有可能耦合到陆面模式中去.TOPMOD EL中的饱和源面积定义为地形和地下水埋深的函数[30],这与陆面模式(如SiB和BA TS等)中近地表土壤含水量密切相关.Warrach et al.[65]指出由于TOPMOD EL能够简单而定量地刻画地形对次网格土壤含水量空间分布的影响,而且需要率定的参数少,这就使得TOPMODEL与陆面模式耦合的能力很可能要优于V IC模型.这个结论坚定了很多学者在区域或全球气候模式中实现TOPMODEL与陆面模式成功耦合的信心.

Famiglietti et al.[66]首先采用统计动力法,将流域尺度改进后的TO PMODEL集成到宏观尺度上,构建了可用于气候模式的陆面水文参数化方案TOPL A TS,来表达陆面过程中水分和能量循环的时空变化特征.该模式利用地形-土壤指数(即ln {(αT e)/T x tanβ)})的空间统计分布来模拟土壤水随坡降再分配的状况,从而使模式具有表达土壤缺水量、根区含水量、径流量和能量通量等次网格异质性变化特征的能力.为了将遥感观测资料同化到TOPL A TS模式中,Peters2Lidard et al.[67]对模式中地热通量、土壤水垂向扩散、土壤蒸发、散发、感热和潜热通量的稳定性校正系数等参数化过程进行了改进,使得模型更适合进行短时期、近地面的水分能量动态变化过程模拟,这对于大气边界层的研究,以及充分利用遥感观测数据等非常有意义. Seuffert et al.[68]用TOPLA TS替换了中尺度模式Lokal Model中的土壤处理模块TERRA,实现了TOPL A TS与气候模式的双向紧密耦合.改进后的模式较好地考虑了土壤和植被的空间异质性分布.

Niu Guoyue et al.[69-70]发展了一种基于简单TOPMODEL的全球气候模式陆面径流参数化方案SIM TOP,最近还提出了一种用于计算地下水埋深的简单地下水模型SIM GM,并将新建的SIM TOP 和SIM GM耦合到NCA R-CL M3标准全球气候模式中.该模式将地形指数空间离散分布简化为单参数指数函数,而非先前的三参数gamma函数,进一步简化了径流量的计算公式.新方案对地表径流和地下径流的模拟精度明显比原模式中baseline径流方案好得多.由于减少了率定参数,同时采用降尺度公式调整了次网格地形指数均值空间分布,与Chen Ji et al.[71]提出的TOPMOD EL耦合方案相比,改进后模式的地表径流和地下径流的计算公式更加简洁、高效,模拟精度也更好些.但由于模式中并没有对冻土中过冷液态水及其水力特性进行相关处理,导致模式在中高纬度地区的模拟效果比低纬度热带地区要差.而且在中纬度地区,该模式模拟的融雪时间过早,雪深小于实测值.

此外,目前还出现了不少考虑地形因子影响的探讨分析和参数化耦合方案.如,Stieglitz et al.[72]基于TO PMODEL概念框架和原理公式,提出了用地形因子来控制区域和全球气候模式中的地表水文过程模拟;Chen et al.[71]将地形指数ln (α/tanβ)嵌入L ABs大尺度水文模型中,模拟和分析了地形对于美国北方大尺度流域上水和能量年季变化的影响等.TOPMODEL与陆面模式的耦合为陆面水文过程的发展提供了捷径和新思路.

4.1.3　其它水文模型

除了V IC和TOPMOD EL,其它水文模型与陆面模式的耦合及相关研究也取得了很大的进展.例如,ARNO模型吸取了新安江模型的蓄水容量曲线的思想[73],与Hamburg气候模式成功耦合[74],较好地处理了GCM计算网格内土壤水空间分布不均匀性问题;Mengelkamp et al.[75]将水平方向径流汇流模型嵌入SEWAB陆面过程中模拟和检验了模式的水分收支状况;Habet s et al.[76]将MODCOU大尺度水文模型与ISBA陆面模式相耦合,改进了ISBA的网格产汇流方案;王守荣等[77]在滦河及桑干河流域进行了水文模型D HSVM与区域大气模式RegCM2/China的嵌套模拟试验;苏凤阁等[78]结合新安江模型蓄水容量曲线概念与线性水库汇流方法改善了陆面过程模式AV IM对产汇流过程描述的不足等等.

另外,由于地下水和地表水有重要的相互作用,地下水位模型与陆面模式的耦合也成为目前国内外的一个研究热点.地下水位的时空分布在很大程度上受地形、植被、气候条件及人类活动的影

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响,反过来地下水的变化又影响着土壤含水量的分布和变化,进而影响土壤蒸发、植被蒸腾和地表感热和潜热通量,从而对气候产生重要影响,因此地下水的动态变化是陆气相互作用中一个重要的物理过程[7,11,17-19].目前,国内外学者提出了一些新的地下水数值计算模型,并与陆面过程模式相耦合,动态表达了非稳态下的地下径流机制[79-82].

4.2　水文模型与陆面模式耦合中存在的共同问题

和研究要点

各种水文模型与陆面模式耦合的尝试,拓宽了研建陆2气参数化方案的视野,加深了人们对陆面水文过程机制的理解.目前,水文模型与陆面模式的耦合基本上可归为两类:1)用气候模式预测的结果作为输入,来驱动水文模型,即单向耦合;2)直接将水文模型内嵌到陆面过程模式中,实现双向耦合.虽然不同的研究者从不同的角度提出了不同形式的耦合方案,但这些模式的通用性不强,而且未能很好解决耦合过程中出现的一些关键问题,从而导致模式对陆2气间的相互作用的描述仍不够准确.尺度问题、非均匀性问题、不确定性问题是水文模型与陆面过程耦合中存在的共同问题,同时也是目前和今后的研究重点.

(1)尺度问题.大气和水文时空尺度差异很大,大气过程在空间上变化比较均匀、时间上比较激烈,而水文过程正好与之相反.在空间尺度上,气候模式属于大尺度范畴,而水文模型通常活跃在流域尺度(102～105m),即Dooge[83]定义的中观尺度(102～104m)及宏观尺度的低阶部分(105m);时间尺度上,气候模式的积分步长从几分钟到1h不等,水文模型的计算步长通常为小时、日、月甚至年.如何解决水文模型和气候模式之间时空过程的尺度不匹配问题是进行模式耦合的研究关键.目前解决尺度问题的3种可能途径是:1)研究资料在时间尺度上的解集方法,如将降雨径流月资料解集到日,日资料解集到小时,这就为解决水文模型与气候模式在时间尺度上不匹配提供了一种可行方法;

2)对各种水文、气象要素在不同分辨率上的空间统计关系进行数学表达[84];3)利用各种手段、方法(如灰色系统法等)获取不同尺度模型耦合新信息,从而得到最恰当的尺度转换简化关系[85].

(2)次网格非均匀性问题.地形、土壤、植被、降水等要素在GCM和RCM次网格内的高度非均匀性严重影响了陆面水文过程的模拟精度和效果,进行陆气耦合必须考虑次网格的非均匀性.进行非均匀性研究是为了提出一个二维或者三维的、具有良好验证性和通用性的陆面水文过程参数化方案,从而定量表达土壤2植被2大气界面交互过程.目前虽然有很多处理方案试图解决非均匀性问题,但对土壤水、蒸散发等水文过程的描述仍缺乏有效性.

(3)不确定性问题.水文模型和陆面模式中大量不确定性参数,以及模式耦合模拟时水文模型和气候模式模拟结果的实时传递和相互反馈中存在的各种不确定性因素,将直接导致整个陆气模式系统的不确定.不确定性问题是十分棘手的问题,我们应当积极推动PUB计划[86],采用不确定因素多准则集成技术、风险估计方法、多元数据对比方法对模式的不确定性进行量化[25],用数据同化技术来提高对数据、参数的优化能力,为气候模式提供更好的初始场.

(4)高新技术方法的合理应用.陆面水文过程的发展与RS、GIS、D EM技术和计算机科学技术的快速发展密不可分.在水文模型中通过有效地集成RS、GIS的空间采集和分析功能,并结合四维数据同化系统技术、示踪剂和同位素技术等,以获取栅格降雨、各种下垫面特征的空间参数或气候模式预测的大气强迫数据,来实现陆2气间的双向驱动.这些高新技术的合理应用是提高水文模型与陆面模式耦合能力的重要技术支撑.

4.3　分布式水文模型与陆面模式耦合在全球变化

研究框架中的地位与意义

目前,全球变化已经成为国际地球科学发展的主题,人类正面临着一个变化的地球的挑战.近20 a来国际地圈2生物圈计划(IG B P),世界气候研究计划(WCRP),全球能量和水循环实验(GEWEX)都将陆面水文过程作为全球变化的重要的研究内容之一,进行了大量的水文模型与陆面过程之间的耦合研究.如何在大气模式中建立能有效描述陆2气间水气通量和能量通量的陆面水文过程参数化方案已经成为全球变化研究中的热点问题.

图1是当前人们正在尝试并希望未来能够实现的一种全球变化模式研究框架(来自2006年与日本东京大学Toshio K oike教授在中国科学院大气物理所东亚中心的学术交流).该框架旨在全球尺度的GCM中内嵌一个区域气候模式RCM,来获取高分辨率的模式输出,从而实现动力降尺度的目的.图1中上方的GCM和RCM方框指基于同一动力框架(如MM5等)的大气环流模式和区域气候模式.其左下方的两个框图是为增强全球变化框架功能而嵌

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图1　一种典型的全球变化模式研究框架(Toshio K oike,2006) Fig.1　A typical f rame of the global change model(Toshio K oike,2006)

套的云物理参数化方案和陆面过程参数化方案.其中:粗线条和框图表示整个陆面过程系统的各种模块间相互作用关系和数据处理流程;细线框表示云物理模式系统的内部关系和数据流;中等粗细线框表示陆气间数据同化和模式优化的结合部分.图1中所有实线表示全球变化研究的最基本框架结构,是目前模拟精度较好、结果比较可靠的部分,而虚线表示未来尚待发展和完善的部分.从该框架图可以看出云物理参数化方案和陆面过程模式各自都是一个具有优化反馈机制的动态系统,同时以各种数据资料(尤其是遥感数据和气象资料)的同化和时空尺度上的转换为桥梁纽带,实现了系统间重要的耦合关系.其中,陆面过程与分布式水文模型的双向耦合在全球变化研究中处于一个相当重要的地位,急需快速发展和完善,其耦合效果将直接影响到整个模式框架对全球变化模拟和预测的能力.

简而言之,在全球变化研究框架中,人们正试图基于陆2气耦合模式平台,借助遥感技术、四维数据同化系统将气象、水文数据及各种非常规资料融合为有机的整体,实现陆2气特征参数的尺度转换,为气候模式提供更好的初始场,从而优化整个模式;试图通过气候模式与陆面过程的耦合以及陆面过程与分布式水文模型的耦合来描述陆-气间具有双向反馈的复杂的相互关系;试图通过气候模式模拟出的大气强迫数据来实现真正有意义的水资源管理和水文预警机制.实现分布式水文模型与陆面过程模式的双向耦合,并将其有机嵌入大气模式中,是未来大气模式发展和完善的重要目标之一.

5　结语

气候条件与水资源环境在不同的时空尺度上如何相互影响、相互制约一直是一个难以解答的问题,开发适合于陆面模式耦合的水文模型,建立和完善陆面水文过程参数化方案是解决这一问题的有效途径,也是提高GCM和RCM模拟精度的关键所在.这就要求水文学者和气象学者必须通力合作,积极推动和发展以“全球2陆地2区域2流域尺度水文循环”为核心的全球变化研究[87-88].基于遥感和GIS技术,将分布式水文模型与陆面过程紧密耦合,同时考虑次网格内降水、地形、植被、土壤等空间分布的不均匀性,建立对气候模式有反馈机制的陆面水文过程模式,从而定量刻画陆气间水热通量和动量通量的收支过程,这将成为陆面水文过程研究未来发展的主流方向.

致谢:感谢中国科学院大气物理研究所东亚中心孟祥新博士和曹丽娟博士对本文的支持和帮助.

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Advances in the Coupling Study of H ydrological

Models and Land2Surface Models

YON G Bin1,　ZHAN G Wan2chang2,1,　L IU Chuan2sheng1

(1.I nternational I nstit ute f or Eart h S ystem S cience(ES S I),N anj ing Universit y,N anj ing J iangsu210093,China;2.Regional

Cli mate2Envi ronment Research f or Tem perate East A si a,I nstit ute of A t mos p here Physical,CA S,Bei j ing100029,China)

Abstract:As one of t he hottest problems in t he glo bal change st udies,t he coupling st udy of hydro2 logical models and land2surface models has become more and more att ractive recently.It has been an important scientific issue how to carry out t he in2 tercoupling between dist ributed hydrological mod2 els and land2surface p rocess models,and t hen em2 bed t he two models into t he climate models proper2 ly in t he f ut ure GCM or RCM research.After briefly int roducing t he develop ment of land2surface p rocess models and hydrological models,t his paper summarizes t he new advances of t he intercoupling between hydrological models and land2surface p rocess models and point s out t he common weak2 ness of all t he st udies and t he research focuses in t he f ut ure.Finally,it is discussed what kind of role t he intercoupling between dist ributed hydro2 logical models and land2surface models plays in t he f rame of global change research.At t he same time,t he main st udy trends of land2surface hydro2 logical process are also proposed.

K ey w ords:hydrological model;land2surface model;land2surface hydrological processes;coupling;global change;parameterization

079 冰 川 冻 土 28卷