时间尺度对半干旱半湿润流域洪水预报模型的影响研究

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1、太原理工大学硕士研究生学位论文后从植被的小块发展成大气环流模式(GCMs)网格单元时空尺度上的土壤一植物一大气连续体中的能量和水的通用模式(SVAT)，具有代表性的研究成果是农业水循环模拟模型(ACRU)。对于中尺度的(200----2000km)水循环，为减少空间属性差异对水文模拟尺度的限制，通常的做法是基于“单元模型思想”和水文系统识别方法，将一个较大的流域分解成一系列空间属性相对均匀的相似水文单元(即不再考虑单元内部的差异性)，利用地理信息、遥感技术、提取大量的陆地表面形态信息(如网格单元的坡度、坡

2、向以及单元之间的关系等)，研究土壤一植被一大气之间的相互作用，利用大气环流模式，研究水循环对下垫面变化的响应，修正大气环流模式，预测区域环境变化、区域开发对水循环的影响。目前的研究显示，中尺度下的地表非均一性、植被叶面的季节性变化对温度和降水影响很大。大尺度(陆地和全球尺度)的水文研究则注重大气过程及地表过程的相互作用，特别是大气圈一水圈一生物圈一冰雪圈一岩石圈一人类活动对水循环的综合影响，利用GCMs、遥感技术、世界气象观测网来预测水循环变化，模拟全球水文循环及其对大气、海洋和陆面的影响，利用大气与陆面

3、特征的全球观测值确定水循环和能量循环。然而，许多GCMs对水文循环作用过程考虑相当粗糙，在GCMs网格内，土壤结构、地形地貌、植物种类及覆盖程度都存在十分突出的空间不均匀性。因此，有必要在大尺度地表过程参数化方案中考虑次网格水文不均匀性。虽然一些学者考虑了网格内土壤一植物不均匀性的影响，提出和建立了相应的地表过程参数化方案，但地表过程参数化方案没有包括边界层与陆地表面的交互作用，缺乏一个带有普遍意义的理论框架作为评价水文过程空间尺度变化的依据。在尺度研究方法方面，传统水文学一般是基于统计分析，从水文现象本

4、身寻找规律，用野外收集的难以精确反映空间属性变化特征的点数据来代表面上信息，对物理成因与尺度影响考虑较少。近年来，对水文过程的尺度转换理论和方法研究取得了一定进展，最具代表性的是“外推”和“缩微”技术的应用。但外推技术基于一个这样的基本假定，即中等或小尺度上的原理和等式可用于描述大尺度的过程，这好比植物尺度上的经验关系适用于群落、嵌块和生物界尺度。这样，大尺度上的响应过程可能被系统误差或无关联局部所掩盖。尽管如此，大多数外推法仍认为中尺度参数与大尺度参数是相同的，但结果使外推理论的应用受到限制。虽然分形技

5、术为解决在一定时空尺度范围呈现相似格局的表面上具有复杂形式的问题提供了途径，但简单的分形特性很少在所有时间或空间尺度上应用。“缩微’’技术可以简单地理解为将低空间分辨率图像用高分辨率表示的重采样。BAHC计划的关键任务之一就是探索获得高分辨率气象输入信息和途径，以便在生3太原理工大学硕士研究生学位论文态水文模型中应用。然而，缩微技术在水文研究中的应用也受许多尚未解决问题的限制，如大多数收缩方法所得出的以日为单位的时间系列仅限少数方面的参数，最为普遍的是降水，对内部连续的多变量数据的收缩需要在时间系列中保持

6、变量间协方差和自相关的方法。另外，收缩是单一方向的模拟技术，中尺度观测因子的变化强化了区域和小尺度水文状态因子的响应，现行技术无法将陆地反馈并入气候模型中。在模型尺度研究方面，近年水文模型与过去单一的降雨一径流模型相比，考虑了水文循环与气候环境变化、生态系统和人类活动影响等综合因素。Kavvas(1995)和Sposite从标准的点尺度方程式出发，推导面均水文守恒方程，模拟不同时空尺度上水文过程的变化。刘新仁在新安江模型的基础上，建立了多重尺度系列化水文模型，在淮河流域上对模型参数的地区化规律进行了研究。

7、其中，最突出的进展表现在两个方面：一是利用GIS、卫星遥感技术获取传统水文方法观测不到的数值地形(如TOPMODEL和TOPOG地形模型)、土壤、植被、气象观测信息(如大范围的降水量)以及土壤含水量信息，建立了描述时空变异性、多变量或参数化的耦合流域水文模型。二是加深了对水文机理以及与生态系统和人类活动影响的认识，探索了水文过程的复杂性。尽管陆面过程参数化和中尺度水文模型的研究已取得了可喜进展，但由于水文变量时空分布的不均匀性和水文过程转换的复杂性，建立能够模拟变化尺度的水文物理模型以及能与气候模型时空尺

8、度相匹配的大尺度水文模型仍远没有取得令人满意的结果。国内对不同水文尺度的转化问题进行了研究，由大尺度向中尺度或小尺度的转换称为降尺度(或解集)，由小尺度向中尺度或大尺度的转换称为升尺度(或聚集)。近年来，一些新的数学方法被引入水文尺度转换中，夏军(1996年)采用灰色系统方法建立了大气宏观尺度模型向水文局部尺度模型的转换关系；常福宣(2001年)采用分形理论为基础尺度分析计算出标度指数，确定出年最大洪峰的尺度与流域面积尺度之间