一种大气、陆面与水文三者双向耦合方法技术

本发明专利技术涉及一种大气、陆面与水文三者双向耦合方法，包括以下步骤：步骤1、在流域蓄水容量离散化基础上，对产流计算进行改进；步骤2、确定耦合尺度，并处理地形资料；步骤3、确定耦合变量并制定双向反馈机制；步骤4、汇流计算与洪水预报；本发明专利技术完善了陆气耦合系统对水循环过程的模拟，提升了陆气耦合洪水预报的精度，将为流域洪涝灾害防御提供可靠的技术支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种大气、陆面与水文三者双向耦合方法
本专利技术涉及一种大气、陆面与水文三者双向耦合方法，属于洪水预报领域，主要用于气象与水利部门开展洪水预报预警等工作。
技术介绍
以“落地雨”驱动的洪水预报预见期短，往往无法满足汇流时间短的中小流域防洪需求。采用预报降雨驱动水文模型开展洪水预报能够有效延长预见期，特别是数值降雨预报的应用，使预见期的设定更具灵活性，但在数值大气模式与水文模型单向耦合下，数值降雨预报精度较低，难以满足中小流域洪水预报的要求，导致陆气耦合洪水预报技术迟迟未能在实践中得到应用推广。所谓单向耦合，是数值大气模式获得的预报降雨作为水文模型的输入，驱动水文模型进行洪水预报，而水文模型不向数值大气模式进行反馈，这种耦合模式较为简单，计算量相对较小，但不符合水循环的物理机制。真实的水循环过程，应该是伴随着能量循环的，且数值大气模式形成降雨时，陆面应反馈地面蒸发、植物蒸腾，辐射由大气传输至陆面，陆面也应反馈一定的辐射至大气中，总的来说，单向耦合未能准确描述水循环过程，因此容易造成预报降雨失真。双向耦合更接近真实水循环过程，但受各类观测资料的限制，一直未能形成一套可靠的耦合模式，大多数双向耦合模式都是针对某一区域资料的特定情况，有条件构建而成，缺乏普适性，难以推广。此外，目前的陆气耦合多数是数值大气模式与陆面模型的耦合，数值大气模式、陆面模型与水文模型三者的双向耦合研究较少。
技术实现思路
本专利技术提出了一种大气、陆面与水文三者双向耦合方法，其解决的技术问题是充分利用地形与植被覆盖资料，确定耦合尺度与变量，制定大气、陆面、水文多过程的双向反馈机制，在提高关键变量计算精度的基础上，提高大气-陆面-水文双向耦合条件下流域洪水预报能力。为了解决上述存在的技术问题，本专利技术采用了以下方案：一种大气、陆面与水文三者双向耦合方法，包括以下步骤：步骤1、在流域蓄水容量离散化基础上，对产流计算进行改进；步骤2、确定耦合尺度，并处理地形资料；步骤3、确定耦合变量并制定双向反馈机制；步骤4、汇流计算与洪水预报。进一步，步骤1中，首先是在TOPMODEL的TI地形指数ln(α/tanβ)上进行改进，考虑在地形和植被覆盖情况下流域洪水的影响，使得流域洪水流量计算更准确，其中α为单宽集水面积，tanβ为地表坡度。但这种表达方式是基于网格的，无法适应流域上下游的产汇流关系，为了使得改进的地形指数适应流域上下游的产汇流关系，因此将α改为α’，表示小流域单元集水面积，tanβ改为tanβ’，表示小流域单元的平均坡度。改进后的地形指数TI’可以反映流域饱和缺水量、下渗能力的空间分布，ln(α’/tanβ’)越大，越容易产流，ln(α’/tanβ’)越小，越不容易产流，但ln(α’/tanβ’)未能考虑植被覆盖对产流的影响。为了实现陆气双向耦合水量与能量的空间离散，对上述的地形指数进行再次修改。引入遥感对植被观测原理的归一化植被指数NDVI，该指数能够反映植被的茂密程度。一般而言，植被越茂密，NDVI越大，降雨截留越多，蒸散发量越大，产流量越小。修改后的地形指数为由于该指数不仅包含了地形的信息，还包含了植被覆盖的信息，因此将其称为地面指数T。并持续改进建立地面指数T与流域蓄水容量、下渗能力的关系，得到每一个小流域单元的蓄水容量和下渗能力：其中，小流域单元由30mDEM数据提取划分，每个单元的面积约16km2，Wi为其中某一小流域单元的平均蓄水容量，WMM为整个流域最大点的蓄水容量，Ti为该小流域单元的地面指数，Tmin为整个流域值最小的地面指数，Si为该小流域单元的面积，S为整个流域的面积，a为表征流域形状的整个流域面积-河长曲线经验指数，由下式求得：其中，x为自分水线沿河流至某处的河长，L为自分水线沿河流至流域出口断面的河长，Sx为x处的汇水面积。下渗能力曲线为抛物线性，每个小流域单元的下渗能力与地面指数的关系如下：其中，fi为某一小流域单元的下渗能力，fm为整个流域最大点的下渗能力，b为整个流域蓄水容量曲线指数，n为整个流域下渗分配曲线指数。第i个小流域t时段内的地表产流按照下式计算：RSi＝Pit-Eit-Fit其中Rsi为小流域单元时段地表径流深，Pit为小流域单元时段扣除植物截留的雨量，Eit为小流域单元时段蒸发量，Fit为小流域单元时段下渗量，由计算。第i个小流域t时段内的地下径流按照下式计算：当Pia+Fit＜Wi'm时，当Pia+Fit≥W'im时，Rgi＝Fit-Eit+Pia-Wi其中Rgi为小流域单元时段地下径流，Eit为小流域单元时段蒸发量，Pia为小流域单元前期影响雨量，Wi为小流域单元的平均蓄水容量，Wi'm为小流域单元内最大点蓄水容量。小流域单元的径流量为地表径流与地下径流之和。步骤1中的在流域蓄水容量离散基础上对产流计算的改进，其中通过现有计算公式改进，引入地形指数和植被指数，并建立创立地面指数与流域蓄水容量、下渗能力的关系，目前没有公开地形和植被指数联合使用的计算公式；目前已有关于地形指数与流域蓄水、下渗能力间的关系式，石朋发现地形指数与流域蓄水容量呈同位移量为零的对数维布尔分布曲线关系，但地面指数本身是本专利技术提出的新概念，与地形指数有本质区别。建立地面指数与流域蓄水容量间的关系，是通过诸多典型流域拟合得到的，而地面指数与下渗能力间的关系是在地面指数与流域蓄水容量关系、流域蓄水容量曲线、下渗能力曲线三者的基础上，推导而成。本专利技术是以小流域单元为最小计算单元的，也就是说，小流域单元的植被覆盖是以NDVI表征的，每个小流域是固定的值，卫星遥感多久更新一次数据，小流域的NDVI值就更新一次。小流域的地形、土壤类型与土壤质地认为是不随时间而变化的。进一步，步骤2中确定耦合尺度由小流域单元的大小决定。因每个小流域单元面积约16km2，大气模式与陆面模型的网格剖分定为4km×4km，网格的数据与小流域单元建立对应关系，若某一小流域单元落在某一网格中的面积最大，则将该小流域单元与该网格建立对应关系。但考虑到大气模式与陆面模型用到的地形资料分辨率约为1km，而水文模型用到的地形资料分辨率为30m，双向耦合时受分辨率的影响会产生误差放大现象。为了不改变大气模式与陆面模型本身1km地形在大尺度范围的连续性，不宜直接用30m地形资料代替1km地形资料，因此需要对大气模式与陆面模型在整个流域范围内的地形资料进行处理。选择我国范围内100个典型区域，涵盖平原、高原、丘陵、盆地、山地等地形，采用相关关系方法，寻求1km和30m分辨率地形资料间改进的地形指数间的关系：TI'30＝p×TI'1000+q其中，TI’30为30m分辨率下地形指数TI’，TI’1000为1km分辨率下地形指数TI’，拟合得到p、q值，作为1km地形降尺度到30m地形的依据，反映了1km地形与30m地形间的系统性关系，即本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大气、陆面与水文三者双向耦合方法，包括以下步骤：/n步骤1、在流域蓄水容量离散化基础上，对产流计算进行改进；/n步骤2、确定耦合尺度，并处理地形资料；/n步骤3、确定耦合变量并制定双向反馈机制；/n步骤4、汇流计算与洪水预报。/n

【技术特征摘要】
1.一种大气、陆面与水文三者双向耦合方法，包括以下步骤：
步骤1、在流域蓄水容量离散化基础上，对产流计算进行改进；
步骤2、确定耦合尺度，并处理地形资料；
步骤3、确定耦合变量并制定双向反馈机制；
步骤4、汇流计算与洪水预报。


2.根据权利要求1所述一种大气、陆面与水文三者双向耦合方法，其特征在于：所述步骤1引入地形指数TI＝ln(α/tanβ)进行了改进，将α改为α’，表示小流域单元集水面积，tanβ改为tanβ’，表示小流域单元的平均坡度，改进后的地形指数TI’可以反映流域饱和缺水量、下渗能力的空间分布。


3.根据权利要求2所述一种大气、陆面与水文三者双向耦合方法，其特征在于：所述步骤1引入植被指数NDVI，将地形指数TI’修改为由于该指数不仅包含了地形的信息，还包含了植被覆盖的信息，称为地面指数T。


4.根据权利要求3所述的一种大气、陆面与水文三者双向耦合方法，其特征在于：所述步骤1建立了以小流域为单元的地面指数T与流域蓄水容量之间的关系：



Wi为其中某一小流域单元的平均蓄水容量，WMM为整个流域最大点的蓄水容量，Ti为该小流域单元的地面指数，Tmin为整个流域值最小的地面指数，Si为该小流域单元的面积，S为整个流域的面积，a为表征流域形状的整个流域面积-河长曲线经验指数，由下式求得：



其中，x为自分水线沿河流至某处的河长，L为自分水线沿河流至流域出口断面的河长，Sx为x处的汇水面积。


5.根据权利要求3所述的一种大气、陆面与水文三者双向耦合方法，其特征在于：所述步骤1建立了以小流域为单元的地面指数T与流域下渗能力之间的关系：



fi为某一小流域单元的下渗能力，fm为整个流域最大点的下渗能力，b为整个流域蓄...

【专利技术属性】
技术研发人员：田济扬，刘荣华，郭良，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11