陆气耦合研究及应用.docx

陆气耦合研究及应用《水文杂志》2014年第三期1陆面模型1.1VIC模型概述VIC水文模型基于SVATS（SoilVegetationAtmo-sphereTransferSchemes）思想通过空间网格化和土壤空间概率分布函数来反映气候和下垫面因子的时空变异性也被称为“可变下渗容量模型”。新一代VIC模型将土壤分为3层从上自下分别为顶薄层、上层和下层在蒸散发计算上采用冠层湿部蒸发、植被蒸腾和裸土蒸发三种蒸发模式。在产流机制上将产流分为直接径流和基流两个部分其中直接径流包含蓄满和超渗两种产流机理分别用于饱和面积和未饱和面积上的产流计算；采用ARNO方法描述基流且不考虑顶薄层和上层中的侧向流并假定基流只发生在最层土壤[7-8]。在汇流计算上VIC模型假定各个网格之间产流计算相互独立通过耦合Routing网格汇流模型[9]来计算网格内和网格间汇流网格内汇流采用经验单位线法网格之间汇流则采用线性圣维南方程组方法求解。陆面过程模拟流程见图1。1.2模型参数确定VIC－Routing模型参数可以分为产流和汇流参数产流参数包括网格植被类型、植被参数库以及土壤参数汇流参数包括网格面积比例、网格流向、流速以及扩散系数。利用ArcGIS软件通过水文分析和空间统计等处理先后生成网格面积比例、网格流向网格植被类型分布等参数文件通过参考LDAS（LandDataAs-similationSystem）相关成果来制作植被参数库文件。而对于网格土壤参数文件的制作由于土壤参数较多分与土壤类型相关的参数和与产流相关的经验参数需采用不同的方法确定前者采用基于网格优势土壤类型查表和公式计算相结合的方法确定后者则通过模型率定来确定。为方便与数值天气预报模式耦合VIC网格目标分辨率与数值天气预报模式一致取为10km统计结果表明寸、宜区间共由680个10km×10km网格覆盖其中共有642个网格产流量汇入三峡水库。1.3模型输入本文中VIC模型只对水量平衡进行计算采用24h的时间步长模型输入为日降水和日最高、最低气温。在降水、温度数据网格插值上利用寸滩等87个雨量站的实测降雨数据和奉节等7个气象站的温度数据采用倒距离平方和插值法将站点数据插值到网格上考虑到三峡库区内雨量站和气象站点分布不均且雨量站比温度站密集故采用动态搜索法确定插值范围取距网格中心点最近的六个雨量站和最近的三个温度站分别对雨量、温度进行网格插值计算。1.4模型参数率定VIC-Routing模型待率定的参数有7个与产流相关的土壤经验参数和2个汇流参数。对于土壤经验参数的率定考虑到VIC为基于网格的分布式水文模型对每个网格内的经验参数都进行率定计算量巨大计算时间过长可行性较低；而三峡库区土壤类型分布较又较为均匀上层土壤（0~30cm）主要是壤土类下层土壤（30~100cm）主要是黏壤土和黏土且以万县为界万县上游主要为黏壤土万县下游主要为黏土并没有必要对每个网格内的土壤经验参数都进行率定。结合三峡库区水文控制站点流量资料情况的基础上将三峡库区以万县为界分为两个区间分别进行参数率定万县以上区间以寸武、清溪场子区间为代表流域万县以下分左右岸左岸以大宁河（巫溪站）代表流域右岸以磨刀溪（长滩站）为代表流域。寸武、清溪场流量资料系列较长取2001~2006年为率定期、2007~2008年为检验期而巫溪和长滩站径流资料有限取2004~2005为率定期、2006年为检验期采用SCE-UA优化算法以Nash模型效率系数R2（确定性系数）为目标函数参数率定结果详见表1。至于汇流参数的率定三峡库区虽然汇流地貌条件复杂但库区两岸支流较短汇流速度均较快且Routing模型中汇流速度和扩散性系数都有较明确的物理意义故可先利用相关资料估算初值再选取洪水过程进行调试最终调试结果表明流速可取3.5m3/s扩散性系数可取1000m2/s。1.5VIC模型检验为检验VIC模型在三峡库区的模拟情况利用2006~2008年库区气象、水文以及径流资料分别对三峡库区年径流量、汛期产流量（5月1日~11月1日）以及重要洪水过程等模拟结果进行统计分析所选取的场次洪水均对三峡入库洪水有重要影响统计结果详见表2~3。由表2~3可知2006年~2008年VIC模型三峡库区年径流模拟总量和汛期模拟产流量的相对误差均较低年径流模拟总量相对误差分别为3.08%、3.10%、4.18%汛期模拟产流量分别为0.13%、0.73%和1.66%。进一步分析可知在7场洪水模拟中洪峰和洪量相对误差均在20%以内且模拟峰现时间和实际峰现时间均完全拟合。根据水文情报预报规范（SL250-2000）[10]相关评判标准三峡库区VIC模型模拟精度较高可以用于三峡水库入库洪水作业预报。2气