土壤湿度初始化对WRF-Hydro模式陆面水文过程模拟的影响
批准号:
42075187
项目类别:
面上项目
资助金额:
59.0 万元
负责人:
袁慧玲
依托单位:
学科分类:
大气环境与健康气象
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
袁慧玲
中文摘要
土壤湿度既影响大气低层和陆面之间的能量交换,也影响降水-径流过程的水分交换和分配。利用WRF-Hydro大气-陆面-水文全面双向耦合模式,研究土壤湿度初始化对流域陆面水文过程从天到次季节-季节尺度(S2S,0-60天)模拟的影响。首先,检验评估9种分析/再分析资料的表层土壤湿度产品在中国不同地区的时空适用性。其次,采用动态维度搜索(DDS)和多目标函数率定方法,评估WRF-Hydro模拟的水量和能量平衡,优化率定陆面和水文模式的敏感参数。利用动态贝叶斯平均方法,综合考虑多种土壤湿度产品的不确定性,生成融合的土壤湿度产品,并结合陆面同化系统的循环同化,优化设计土壤湿度初始化方案。采用WRF-Hydro耦合模式在淮河上游流域开展2年高分辨率数值模拟,流域尺度分辨率为200 m。深入分析土壤湿度初始条件对陆面水文过程模拟的影响及其水热循环变化的物理机制,以改进S2S尺度的降水预报和径流预报。
英文摘要
Soil moisture (SM) regulates the energy balance between the lower atmosphere and the land, and affects the exchange and partitioning of water fluxes at the land surface during the rainfall-runoff process. This study investigates the impact of SM initialization on the simulations of terrestrial hydrological processes at daily and subseasonal to seasonal (S2S, 0-60 days) scales over the upper Huaihe River basin, using the two-way fully coupled atmosphere-land surface-hydrology WRF-Hydro model system. First, the nine SM model products (0-10 cm), including one analysis, three reanalyses, and five Land Data Assimilation System (LDAS) products, are comprehensively evaluated using the dense (over 2400 stations) in situ observations at different timescales (annual to sub-daily) in eight climate regions over mainland China during 2010-2017. Next, the sensitive parameters in the land surface and hydrological processes in WRF-Hydro are calibrated using the dynamically dimensioned search (DDS) algorithm and multi-objective function, considering water and energy balance. Based on the nine SM products, the dynamic Bayesian Model Average (BMA) method is adopted to generate a merging SM product accounting for the SM uncertainties. In combination with the high-resolution land data assimilation system (HRLDAS), the merged SM is applied to the cycling data assimilation, providing the optimized soil initialization to WRF-Hydro. By running the two-way fully coupled WRF-Hydro, the 2-year simulations will be implemented and verified over the upper Huaihe River basin, with the finest basin-scale resolution of 200 m. This study will further explore the impact of initial SM conditions on the SM-precipitation feedback and rainfall-runoff generation, as well as the variation of water balance and energy balance, in order to facilitate improving S2S rainfall and streamflow prediction.
本研究评估了9种土壤湿度产品在中国地区的可靠性和适用性,发现CLDAS表现最佳。基于此,设计了两种高精度融合算法(BMA和RFSM),显著提高土壤湿度精度,尤其在干旱监测和洪水预报中表现突出。通过采用动态权重优化BMA(DBMA),而RFSM结合9种土壤湿度产品及地形因素,制作了高分辨率数据集,两者均优于BMA和CLDAS。研究通过机器学习融合多源数据,构建了可解释的土壤湿度融合框架,提升了干旱监测和洪水预报的准确性。.项目通过多次WRF模式模拟与集合预报,开发了陆面数据三维变分同化系统,用于初始化土壤湿度和温度。通过对2011年和2012年旱涝急转期的试验,验证了土壤湿度同化对小雨模拟的改进效果,尤其是DBMA、RFSM和CLDAS的同化效果接近观测值,尽管对中到暴雨的改善较小。.利用WRF-Hydro水文模式与WRF大气模式进行单向耦合,研究了土壤湿度初始化影响降水和径流的物理机制。土壤湿度初始化通过调节陆面蒸散发、水汽通量和能量通量,显著改善径流洪峰模拟。采用DDS算法自动率定水文模式参数,提高了率定效率和准确性。在2011年和2012年洪水模拟中,优化后的土壤湿度初始化有效减少了洪峰高估和漏报现象。研究表明,湿润土壤通过增强蒸散发和能量通量增加降水,并促进地表径流生成,干旱土壤则减少径流。.最后,研究通过4 km分辨率的WRF-Hydro模式,对2011-2012年淮河上游流域进行了高分辨率模拟,探讨了初始土壤湿度异常对水分循环和能量循环的影响。结果表明,初始土壤湿度通过影响蒸散发和土壤温度,进而调节水文和能量循环。土壤湿度增加导致蒸散发和潜热通量上升、感热通量下降,并通过调节这些变量影响降水的空间分布。初始土壤湿度异常的影响随着量级增加而持续时间延长,对次季节尺度的水文过程有一定影响。此外,项目还开展了土壤液态水对流过程对持续性极端降水事件的影响研究。.通过优化土壤湿度数据同化方法和融合算法,本研究提升了干旱监测、降水模拟和洪水预报的精度,为气候监测、灾害预警和水文过程模拟提供了更为准确的数据支持。
淮河上游流域分布式水文模拟的不确定性研究
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批准号:41675109
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项目类别:面上项目
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资助金额:68.0万元
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批准年份:2016
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负责人:袁慧玲
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依托单位:
中国夏季定量降水预报的不确定性理论研究
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批准号:41175087
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项目类别:面上项目
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资助金额:70.0万元
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批准年份:2011
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负责人:袁慧玲
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依托单位:
国内基金
海外基金