高分辨率融合降水驱动下的WRF_WRF-Hydro耦合模拟研究.pdf

第 卷第 期 水 资 源 保 护 年 月.:/基金项目:国家自然科学基金项目()国家重点研发计划项目()作者简介:王维()男工程师博士主要从事陆面水文过程与中尺度数值大气模拟研究:.通信作者:刘佳()正高级工程师博士主要从事陆气耦合流域水文模拟与预报研究:.高分辨率融合降水驱动下的/耦合模拟研究王 维刘 佳李传哲于恩涛王一之邱庆泰(.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司四川 成都 .中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室北京 .中国科学院大气物理研究所竺可桢 南森国际研究中心北京.山东农业大学水利土木工程学院山东 泰安)摘要:为了满足陆面水文模式和数值大气模式耦合构建降雨径流模拟系统的需求构建了基于天气雷达与雨量站观测降水的 种高分辨率降水数据(雷达估测降水、雨量站插值降水和基于雷达与雨量站观测数据的融合降水)采用雨量站插值降水和融合降水数据对陆面水文模式 的关键产汇流参数进行率定探讨了不同降水驱动 开展径流模拟在我国北方山区中小尺度流域的适用性 结果表明:融合降水的误差指标相比传统插值降水有不同程度的改善融合降水的时空准确性也更为突出采用雨量站插值降水和融合降水均可有效改善 的关键产汇流参数其中融合降水率定参数组的洪水模拟效果要优于雨量站插值降水以高分辨率融合降水数据为驱动可获得更准确的 关键产汇流参数有效提高/陆气耦合系统在研究流域的适用性关键词:降雨径流模拟高分辨率融合降水雨量站插值降水天气雷达中图分类号:.文献标识码:文章编号:()/(.):./.:最 初 是 天 气 研 究 与 预 报 模 式()的陆面水文扩展模块而后逐渐演变为并行、多核、多尺度、多物理过程描述的全分布式陆面水文模式提供了一种将陆面水文过程耦合到中尺度以及其他地球建模系统的途径能够更精准反映水循环过程中的地表状态与水热通量变化 陆面水文模式在水文、地理、气象等多个学科交叉领域均有广阔的应用前景尤其是基于数值大气模式结果与 开展的单向耦合在中小河流暴雨洪水的预报预警方面具有巨大的潜力近年来广受国内外学者的关注 在长期模拟方面 等用单向耦合的/成功模拟了西非小流域的年径流过程但发现部分时段存在流量快速回落情况 等对美国干旱与半干旱区的 场洪水进行了单向模拟并通过土地利用类型将参数变量值进行了分类修正修正后的流量过程明显优于系统默认参数取值的结果李光伟等较早开始用 开展长时段模拟并对我国三江源区 年的陆面水文过程进行了水热平衡分析比较了土壤湿度与湍流热通量的变化情况 在短期模拟方面孙明坤等对比了 和新安江模型在陕西半湿润区的应用效果结果表明 能够更好地反应洪水细节但对中小流域的洪水模拟精度仍需加强顾天威等用 模拟了湿润区清江流域内的 场洪水模拟的纳什效率系数在.晁丽君等探究了多源降水融合驱动下 在中小河流洪水预报中的适用性 以上研究展现了 对我国不同区域、不同尺度陆面水文过程的适用性但是在模式的关键产汇流参数率定方面多数研究仍存在欠缺和不足 实际上当将 用于洪水过程的时空动态模拟时关键产汇流参数的确定与传统水文模型相比更为依赖可靠的高分辨输入降水数据输入降水的准确性是制约陆面水文模式系统模拟精度的重要因素 雨量站可以在相对精确的位置对点雨量进行观测但其维护检测成本相对较高我国雨量站的站网密度往往不能满足流域空间建模的需求通过对雨量站插值的方式也很难反应降水在局部空间上的异质性 雷达站数据具有较高的时空分辨率单个雷达站覆盖半径为 非常适合中小尺度范围的气象观测 从 年开始利用气象雷达观测雨量的空间特性到近几十年气象雷达数据的不断更新对雨量的估测精度不断提高气象雷达的应用也越来越广泛 将气象雷达观测数据转化为降雨强度的过程较为复杂加之我国雷达站网布设较早硬件设置并不完善导致观测过程中往往会产生多种误差降水产品质量尚存在一定的不确定性 在此背景下利用雨量站与雷达站的各自优势实现对两种数据的融合成为了获得稳定高分辨率高准确性降水数据的有效方法本文以大清河南北两支的两个典型山区流域为例探讨雨量站和雷达站的高分辨率降水数据融合方法以及单向的/耦合系统(以下简称“耦合系统”)对我国北方山区陆面水文过程的适用性以期为 提供更精确的降水数据用于关键产汇流参数的率定 研究区概况以阜平和紫荆关两个典型山区流域为研究区雨量站以及流域高程情况如图 所示 阜平流域面积为紫荆关流域面积为两流域分别位于我国北方大清河流域的南北支上游处于半湿润、半干旱气候区降雨径流时程短极易引发洪涝灾害 研究数据.雨洪数据降水观测数据来自阜平流域的 个雨量站和紫荆关流域的 个雨量站(图 包含流域出口处的雨量站)以及石家庄雷达站 石家庄雷达站为 波段多普勒雷达系统该雷达系统的初始数据来自中国气象局两个研究流域均在雷达站的扫描覆盖范围内 研究区内降雨产流过程筛选比较困难尤其是近十几年来阜平流域和紫荆关流域降水量处于历史较低水平流域内较为干旱受限于降水量和下垫面的情况某些量级较大的降水场次存在降雨未产流现象 为此对 年的降雨径流数据进行整理分析尽可能选择峰高量大、峰谷差异明显、暴雨中心相对集中的洪水同时兼顾了多峰型洪水和小洪水最终筛选出用于 模式试验的 场雨洪过程(表)其中场次 和场次 分别是发生在紫荆关和阜平流域的较大雨洪过程 内流域降水的时空分布也更为集中.高分辨率降水数据降水准确性是影响 径流模拟的关键而对于我国北方半湿润、半干旱地区而言降水过程的时空分布不均匀程度较大 为了提高耦合系统在研究流域的适用性本文进一步构建了雷达估测降水、雨量站插值降水和基于雷达与雨量站观测数据的融合降水(以下简称“融合降水”)种高分辨率降水数据()阜平流域()紫荆关流域图 研究区地形高程、站网分布与 嵌套区域.表 研究区典型雨洪过程 雨洪场次流域统计时段面雨量/洪峰流量/(/)场次 阜平:.场次 阜平:.场次 阜平:.场次 紫荆关:.场次 紫荆关:.场次 紫荆关:.场次 阜平:.场次 阜平:.场次 紫荆关:.场次 紫荆关:.雷达估测降水 雷达估测降水是在石家庄雷达数据基础上通过中国气象局的雷达估测降水集群系统进行质量控制得到的 质量控制内容主要包括电磁波衰减校正、非降雨回波抑制、组合反射率拼图、设置雷达反射率和雨强转换方程等 石家庄雷达反射率 与雨强 的关系可以表示为 ()式中、为转换参数参照相关地区雷达估测模拟结果本文所采用的转换关系为:当降雨类型为对流降雨时、分别取值 和.为层状降雨时分别取值 和.处理后雷达估测降水数据的空间分辨率为 时间分辨率为 .雨量站插值降水 降水的地面空间插值可以大致分为两大类:一类是确定性插值一类是基于地统计学的地理统计插值其中反距离加权()方法是最常用的确定性空间插值方法 方法根据插值区域内各采样点的相似度假设网格对应位置处的估值可由局部邻域内所有数据点的距离加权平均值表示可以表示为(/)(/)()式中:为网格插值点处的估计值为第 个雨量站的观测值为需要插值的网格点与雨量站点间的距离 为研究区的雨量站总数 本文通过 方法将雨量站观测降水数据插值到与雷达估测降水分辨率相同的 网格上.融 合 降 水 外 部 漂 移 克 里 金()插值方法是地统计学方法中广义克里金插值法的一种扩展该方法允许合并多个附加变量作为背景信息来对主变量进行插值 在实现雷达与雨量站观测数据的融合时石家庄站的雷达数据被视为唯一的附加变量 插值中主变量(研究区雨量站 处的降水量的期望值)与附加变量(雨量站 处的雷达估测降水量)之间符合如下关系:()式中、满足系数 和 的线性趋势在给定位置 处的估计值是由线性估计器导出的权重与给定位置附加变量计算公式如下:()()式中:为第 个雨量站对应的权重为经过加权计算后的雷达降水估计值为第 个雨量站位置为未知雨量的位置 耦合系统设置耦合系统采用了 模式的 层降尺度嵌套方案(图)最内层 的分辨率为 第 层 分辨率为 最外层 分辨率为 模式的驱动数据采用欧洲中期天气预报中心()的分辨率为.的欧洲中期天气再分析过渡数据()基于两个研究区的气候特征和潜在对流降雨条件选取了行星边界层方案()、微物理过程方案()和积云对流方案()进行模拟分析 该组方案能够较好地反映我国北方对流降雨过程的物理形成机制在我国北方半湿润、半干旱地区中尺度气象模拟中取得了较好的模拟效果积云对流方案没有在 中开启发生在该层的对流降雨默认为显式解决 主要包括陆面过程模块、汇流模块以及用于处理陆面与水文分辨率不匹配的聚解 聚合(降尺度 升尺度)过程模块 其中陆面过程通过 层土柱模拟土壤层情况提供大气下边界条件和次网格的水热通量并与大气边界层和植被层相互作用 聚解 聚合过程采用特定的映射方式将需要的水文变量从较粗的陆面模式网格分解并转换到更精细的次网格用于解析影响陆面水分重力再分布的关键局部地形梯度特征 本文将 模拟获得的 分辨率 作为气象驱动场以及降水插值场来与 单向耦合并进一步在汇流中降尺度到 表 给出了耦合系统中 与 的基本参数配置 由于 目前采用的基流模型与实际情况存在较大差异容易造成过多的河道入流因此在模拟中关闭了 的基流选项 对于每场雨洪过程耦合系统在正式模拟前均进行了 的预热以保证较为准确的初始土壤水分状态表 耦合系统参数配置 /模式名称所选配置驱动数据 输出间隔 阜平嵌套中心 紫荆关嵌套中心 顶层气压 水平方向分辨率、垂直分层 层陆面模式投影方式长波辐射短波辐射微物理过程积云对流/显式解决行星边界层 输出间隔 降尺度后汇流分辨率 汇流模型时间步长 降尺度比例土壤层(层)厚度、地下汇流准三维地下汇流坡面汇流扩散波模型河道汇流马斯京根 康吉 结果与分析.不同高分辨降水数据的精度对比对于 模拟降水田济扬等在大清河流域开展的陆气耦合研究表明 模式所提供的降尺度降水数据在时间和空间上具有较大的不确定性 表 给出了 场雨洪过程的 模拟降水结果降水量相对误差范围为.绝对值的均值为.显著的误差会对后续陆面水文过程模拟产生较大影响采 用 留 一 交 叉 验 证()方法对雷达估测降水、雨量站插值降水和融合降水 种高分辨率降水产品的时空精度进行验证针对流域内的雨量站进行逐小时降水评估 选择系统偏差()、均方根误差()和均方根转换误差()来定量对比雨量站观测数据与高分辨率降水数据的差异 基于留一交叉验证方法对构建的 种降水数据在 场降水过程中的表现进行评价结果见图 整体来看 表 模拟的累计降水量及相对误差 雨洪场次 模拟累计降水量/相对误差/场次.场次.场次.场次.场次.场次.场次.场次.场次.场次.()()()图 不同高分辨率降水数据评价指标箱型图.()观测降水()模拟降水()雷达估测降水()雨量站插值降水()融合降水图 场次 不同降水数据的累计雨量空间分布.()观测降水()模拟降水()雷达估测降水()雨量站插值降水()融合降水图 场次 不同降水数据的累计雨量空间分布.融合降水能够更好地再现研究区的降水空间关系虽然对于 指标雨量站插值降水和融合降水的 值(均值分别为.和.)比较接近但 和 指标均表明融合降水所对应的箱型图变化范围更小(均值由.下降为.均值由.下降为.)能够获得更稳定的降水时空模拟结果 雷达估测降水在整个研究区内对降水过程的模拟效果均不太理想与雨量站插值降水相比均低估了雨量这和 等的研究结论一致 可见雷达估测降水更适合作为一种辅助性降水数据用于解析降水过程的空间分布图 和图 分别给出了 种高分辨率降水数据在场次 和场次 的空间累计雨量情况 可以看出 模拟降水的空间分布与观测降水相比仍存在一定的差异 雨量站插值降水在雨量站点处与观测降水一致但由于研究区站网密度较为稀疏插值仍无法保证雨量站周边区域雨量的一致性 当降水的空间分布相对均匀时(如场次)插值效果与融合降水相差不大但遇到空间分布不均的大暴雨(如场次)则可能出现较大误差尤其是在场次 的西部和北部区域雨量站插值降水与观测降水和融合降水相比降水量上呈现了更大的差异 雷达估测降水虽具有较强的空间表现但在雨量的准确性方面较为欠缺仍需借助雨量站观测降水通过插值融合方法进行调整 种降水中雷达估测降水的准确性与观测降水相比最差不能直接用于耦合系统模拟但经过雷达与雨量站数据融合后所获得的融合降水在 种评价指标上均呈现了最好的效果可以为耦合系统的模拟提供更为准确的降水空间信息.关键产汇流参数率定考虑到雷达估测降水的精度较差后续仅分析雨量站插值降水和融合降水对耦合系统模拟的影 响 首先对 关键产汇流参数进行率定为提升参数解集寻优过程的收敛速度率定过程中采用了并行动态多维搜索()算法选取克林 古普塔效率系数()作为目标函数 在指标计算过程中 能够同时考虑量级较小的洪水过程更有利于对洪水过程模拟效果的 综合评判 计算公式为 ()()()()式中:为 值 为模拟系列与观测系列标准偏差的比率 为模拟系列与观测系列平均值的比率 为两个系列的相关系数 当 等于 时说明模拟能力达到最佳而当 为负值时则认为模拟效果较差 分别将雨量站插值降水和融合降水两种降水数据作为 的输入对关键产汇流参数进行调参采用 年以前的雨洪过程(即场次 、)率定关键产汇流参数 年发生的场次 和场次 用于验证 模式中率定的参数、率定初始区间及率定结果见表 表 关键产汇流参数率定结果 水文过程参数物理意义参数区间雨量站插值降水率定结果融合降水率定结果产流土壤下渗系数.坡面汇流地表粗糙度.河道汇流曼宁糙率系数.河道边坡坡度.表 洪水模拟评价结果 雨洪场次雨量站插值降水参数组驱动融合降水参数组驱动/率定期场次.场次.场次.场次.场次.场次.场次.场次.验证期场次.场次.均值.除了 指标进一步选取洪峰误差()、洪量误差()、纳什效率系数()并结合泰勒图对不同降水驱动下的洪水模拟结果进行评价基于两种高分辨率降水数据的 洪水模拟评价结果见表 洪水模拟指标箱型图见图 从 和 来看融合降水参数组的模拟结果要好于雨量站插值降水参数组其中 均值由.增大为.均值由.增大为 由于研究流域内洪水陡涨陡落且水库常年处于缺水状态因此洪峰误差也是一个十分重要的评价指标 由表 和图 可以看出融合降水参数 ()()()()图 洪水模拟指标箱型图.组与雨量站插值降水参数组驱动下的多数雨洪场次洪峰、洪量均偏小这可能与高分辨率降水与观测降水相比整体偏小有关 与雨量站插值降水参数组相比融合降水参数组多数场次的洪峰误差均有所降低整体洪峰误差降低了.此外融合降水与雨量站插值降水相比对较高洪峰较大洪水的过程有更好的模拟效果尤其是场次 和场次 使用融合降水参数组驱动与使用雨量站插值降水参数组驱动相比洪峰误差分别降低了.和./耦合模拟结果采用前面率定的关键产汇流参数组(融合降水参数组和雨量站插值降水参数组)得到使用雨量站插值降水、融合降水与 模拟降水作为 驱动的模拟结果如图(图中数字为雨洪场次编号)所示图 为选取的 场典型雨洪过程(图中横轴是以场次雨洪的起始时刻(见表)为零点的时间)由图 可以见无论采用哪种参数组 模拟降水的标准差偏离实际范围更大且负偏离居多以场次 为例其标准差由雨量站插值降水和融合降水时的整体基本无偏差(标准差接近于)到采用 模拟降水驱动时的较大偏差(标准差接近于 图 模拟结果泰勒图.)其他场次的指标表现也说明了 模拟降水与高分辨率降水相比不确定性更大 筛选的 场雨洪在产流过程中具有典型的混合产流特性不同的产流主导成分(以超渗产流为主或以蓄满产流为主)导致了多样的洪水过程尤其是引入场次 这 ()场次()场次()场次()场次 图 不同情景下 模拟的洪水过程.种洪量、洪峰均较小的洪水一定程度上导致了模拟偏差的扩大 即便如此当降水驱动从 模拟降水换成高分辨率降水时与 模拟降水相比采用雨量站插值降水和融合降水作为驱动洪水模拟效果更好(图)此外结合图 和图 由于研究区雨洪过程的复杂性其中洪峰、洪量较小的雨洪过程波动范围更大(如场次)不同降水驱动配合融合降水参数组/雨量站插值降水参数组对于洪峰较大的洪水过程(如场次 和场次)均能够获得较高的模拟精度 场洪水的整体相关性系数基本能够保持在.以上在实际应用中高分辨率融合降水在长时段连续模拟中并不易获得因此采用融合降水参数组完全依靠 模式提供气象驱动对研究区 年主汛期雨洪过程开展了耦合系统试验结果见图 可见通过融合降水率定的关键产汇流参数也能在耦合系统的连续模拟中取得较好效果图 /模拟的 年长时段雨洪过程./结 语本文采用融合降水作为驱动获得了更准确的 关键产汇流参数有效提高了耦合系统在我国北方山区流域的适用性 模拟降水和雷达估测降水均存在一定程度的不确定性对于研究区而言雷达估测降水明显低估了降水量雨量站插值降水与融合降水的误差接近但融合降水能够更好地表现降水的时空分布这对于 的关键产汇流参数率定更为关键采用融合降水作为驱动可有效改善 的关键产汇流参数特别是洪峰流量较大的洪水过程其改善效果最为明显在 模拟降水驱动下采用融合降水率定参数的洪水模拟效果要优于雨量站插值降水然而 对于量级较小的洪水场次的模拟结果仍不理想在今后的研究中可以针对流域特性对 的产汇流结构进行调整采用精度更高的观测数据和驱动数据对影响陆面水文过程的关键水文变量做进一步的校准和验证参考文献:刘昱辰刘佳李传哲等.模式在水文模拟与预报应用中的研究进展.水电能源科学():.(.():.()占车生宁理科邹靖等.陆面水文 气候耦合模拟研究进展.地 理 学 报():.(.():.()芮孝芳.数值天气预报的成功经验对洪水预报的启示.水利水电科技进展():.(.():.()刘志雨刘玉环孔祥意.中小河流洪水预报预警问题与对策及关键技术应用.河海大学学报(自然科学版)():.(.()():.()张珂牛杰帆李曦等.洪水预报智能模型在中国半干旱半湿润区的应用对比.水资源保护():.(.():.().:.:.:.李光伟孟宪红.模型对三江源水文气象参数的模拟评估研究/第 届中国气象学会年会:高原天气气候研究进展.北京:中国气象学会:.孙明坤李致家刘志雨等.模型与新安江模型在陈河流域的应用对比.湖泊科学():.(.():.()顾天威陈耀登高玉芳等.基于 模式的清江流域洪水模拟研究.水文():.(.():.()晁丽君张珂陈新宇等.基于多源降水融合驱动的 模型在中小河流洪水预报中的适用性.河海大学学报(自然科学版)():.(.()():.()廖一帆林炳章丁辉.广东省暴雨高风险区划.水资源 保 护 ():.(.():.()孙鸿娉汤达章李培仁等.多普勒雷达非降水回波在临近预报中的应用研究.气象科学():.(.():.()刘佳邱庆泰李传哲等.降水临近预报及其在水文预报中的应用研究进展.水科学进展():.(.():.()田济扬刘佳严登华等.双校正模式下的大清河流域陆气耦合洪水预报研究.水文():.(.():.().():.:.():.(/):.():.:.():.():.:.:.:?.():.().:.(.).:.():.():.():.():.().:.:.():.(收稿日期:编辑:熊水斌)(上接第 页)闻昕李精艺谭乔凤等.南水北调东线工程江苏段中长期优化调度研究.水力发电学报():.(.():.().:.():.艾学山冉本银.方法及其在水库群优化调度中的应用.水电自动化与大坝监测():.(.():.()冯仲恺廖胜利牛文静等.梯级水电站群中长期优化调度的正交离散微分动态规划方法.中国电机工程学报():.(.():.()李振吴兆丹郭伟建等.南水北调东线一期工程运行成本降低途径与措施.水利经济():.(.():.()(收稿日期:编辑:熊水斌)