大尺度实时水文监测与季节预报研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 张学君 |
| 答辩日期 | 2018-06 |
| 文献子类 | 博士后出站报告 |
| 授予单位 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 牛书丽 |
| 关键词 | VIC模型 实时水文监测预报框架（HMSF） 干旱预报 可预报性 |
| 学位名称 | 博士后 |
| 英文摘要 | 过去几十年，我国遭受了许多严重的旱涝事件，给社会经济、农业生产和生态环境带来严重的影响。尽管国家建立了大尺度气象监测、诊断平台，但气象监测难以反映陆面真实的水情状况。为此，本文拟基于大尺度分布式陆面水文模型—VIC（Variable Infiltration Capacities），借助地面站点观测、卫星遥感产品、气候预报模型等多源气象信息，开展中国大尺度实时水文监测与季节预报研究，建立气象—水文之间的联系，及时评估极端气候事件的水文影响，以减少旱涝等极端水文事件造成的经济损失。报告的研究内容及主要结论可概括为以下三部分： 1. 构建起大尺度实时水文监测与季节预报框架（HMSF）。收集了全国756个地面台站过去62年（1952-2013）的气象观测，通过插值网格化与质量控制等处理后，生成基于0.25°×0.25°空间分辨率的VIC模型气象强迫输入（包含降雨、最高气温、最低气温和风速等）；在全国11条主要大河流域，选取具有较长观测序列（>10年）的15个水文观测站，校正VIC模型。结果显示，校正后，VIC模型在大部分站点的纳西效率系数（NS）均大于0.8，相对误差（Er）维持在25%以内，表明校正的VIC模型能够重现观测径流的年际和年内季节变化。在此基础上，研究构建起基于VIC模型的大尺度实时水文监测与季节预报框架（HMSF）框架，包含三类VIC模拟：1）利用过去62年（1952-2013）的地面气象观测驱动VIC模型得到的历史期模拟（RETRO_VIC），用于重建历史气候态，为评估未来陆面水文状况的干湿变化提供参考基准；2）基于TRMM卫星降雨和VIC模型的实时监测模拟（MONIT_VIC）。这里，以地面观测为基准，研究校正了TRMM卫星降雨，消除两者间的系统性偏差，使得实时监测（MONIT_VIC）能够与历史模拟（RETRO_VIC）直接对比，用于实时干旱监测；3）以实时监测提供的陆面水文状况作为预报初始化条件，以气候预报模型CFSv2提供的降雨、气温预报作为模型气象强迫输入，开展未来6个月的季节水文预报。为解决气候模型与水文模型的尺度不匹配的问题，我们以历史期地面观测为基准，利用等百分位数转换方法将CFSv2预报的时空分辨率分别降尺度到0.25°和逐日尺度。HMSF能够自动更新，并将实时监测和季节预报转化为相对于历史气候态的百分位数，用于干旱实时诊断与预估。2. 基于典型干旱事件评估HMSF框架的预报能力。以西南地区为研究区，选取发生在2006年湿季（夏季）和2009/10年干季（秋冬春）的两次典型干旱事件，评估了HMSF框架的干旱预报能力。结果表明：1）CFSv2在某些地区能够合理预报未来1-2个月的降雨，但在总体上仍难以准确预报未来降雨的空间分布；2）实时监测的陆面水文状况能够重现对应的“观测”，表明HMSF的监测模块（MONIT_VIC）不仅能提供准确、可靠的实时干旱诊断信息，还能为未来水文预报提供可靠的初始化条件；3）基于多组回顾性预报实验的评估发现，HMSF的预报模块MONIT+CFSv2（以实时监测作为预报初始状态，以CFSv2作为未来气象强迫输入）能合理地预报未来1个月的干旱面积，而当预见期超过1个月时，预报能力显著下降；与传统集合预报（MONIT+ESP）相比，MONIT+CFSv2在干季具有更佳的预报效果，两者在湿季的预报能力相差不大。以上评估表明，HMSF框架能够实时提供准确的预报初始状态，合理预报陆面水文状况在未来1个月的变化。需要注意的是，以上评估只是基于两次典型的干旱事件，未来仍需加入更多的干旱案例或开展更长序列的回顾性预报实验，进一步检验结论的稳定性和可靠性。 3. 评估季节水文预报可预报性的主要来源。基于VIC模型，开展了31年（1980-2010）的ESP和反ESP回顾性预报实验，选取均方根误差比（RMSEESP/RMSErevESP）和分级概率评分比（）两个指标，对比ESP与反ESP预报效果，区分预报初始状态（ICs）和未来气象强迫（CFs）对不同地区、不同季节和不同预见期内径流（CR）和土壤水（SM）预报的相对贡献。结果表明，在我国北方干旱半干旱地区或干燥的季节，未来1个月的CR和SM预报主要由前期水文状态（如积雪、土壤水等）控制；尤其在西北内陆区或干湿转换的季节（9月-次年1月），初始化条件的影响可持续3-6个月。相对而言，在南方湿润地区或者雨水丰沛的夏季，CFs则成为未来CR和SM预报可预报性的主要来源。以上研究结果为人们采取针对性措施改进当前预报水平提供了科学依据。RPS/ RPSESP revESP 本文发展了一套基于VIC模型的HMSF系统框架，对当前气象监测形成重要补充，为防汛抗旱、水资源规划管理以及水库等水利工程的综合利用提供有力的科学决策支撑。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 70 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/193909]  |
| 专题 | 科技平台与基建处_图书馆 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 张学君. 大尺度实时水文监测与季节预报研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院地理科学与资源研究所. 2018. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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