基于参数区域化的全球水文模型构建、模拟与预估

来源 :华东师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lixin200513137149
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全球水文模型是全球陆地水资源空间分布和时间变化分析和评估的重要工具,同时也是预估未来气候变化和人类活动影响的重要科学手段。由于全球水文模型参数率定困难,一般多采用均一参数,限制了其在广大无/缺资料区的应用。解决目前全球水文模型的参数均一化,采用区域化且与地表异质性相关联的模型参数,提高模型模拟精度是亟待解决的科学问题之一。本文在梳理分析前人研究的基础上,为提升全球水文模型的模拟精度,基于水文模型参数区域化开发了全球水文模型FLEX-Global,通过与实测数据比较及与其他全球水文模型对比对FLEX-Global模型性能进行了验证。采用最新的第六次国际耦合模式比较计划CMIP6中多个全球气候模式和情景的未来气候变化数据作为驱动,开展全球陆地(不包含格陵兰岛以及南极洲)的河流流量预估和趋势分析。主要研究工作和结论如下:(1)FLEX-Global是以FLEX流域水文模型为框架,耦合MCT-HSC产流模块进行产流计算,并采用全球汇流模型Ca Ma-Flood进行河网汇流计算的全球水文模型。该模型空间分辨率为0.5°,采用日时间步长模拟全球范围内的河流流量。为检验模型精度,首先与全球径流数据集GRDC中26个主要河流实测流量进行比较验证,并与现有的7个全球水文模型进行比较。多指标评估结果表明,采用参数区域化的FLEX-Global可以提高河流流量的模拟精度,且FLEXGlobal模型核心产流模块MCT-HSC的应用也可以在一定程度上提高模型性能,在赤道气候带、干燥气候带和暖温气候带改善效果显著。(2)采用FLEX-Global开展未来预估研究。时间上,在SSP1-2.6情景下,全球陆地径流量可能呈增加趋势,这可能与降水量呈增加趋势而气温上升缓慢有关。在SSP5-8.5情景下,本文选择的两个气候模式驱动模拟的全球陆地径流量变化趋势呈相反的变化趋势,这可能是这两种气候模式中降水量变化趋势相反造成的。说明全球气候模式在对未来气候变化预估中存在不确定性。空间上,在SSP1-2.6情景下,在中低纬度带,主要位于北美洲中部、非洲中东部以及东亚地区的水资源量可能有所增加,发生洪涝的可能性增高;在中高纬度带,主要位于亚洲北部、欧洲南部、非洲西部地区的水资源量可能有所减少,发生干旱的可能性增高。在SSP5-8.5情景下,在高纬度带及低纬度带北印度洋沿岸,主要位于北美洲北部、亚洲北部及南美洲中部、非洲中东部、东亚及南亚地区的水资源量可能有所增加,发生洪涝的可能性增高;在中低纬度带,主要位于北美洲中南部、南美洲北部、欧洲南部、非洲西部、大洋洲西部地区的水资源量可能有所减少,发生干旱的可能性增高。这可能与这些地区降水量的变化有关,降水变率的增大会增加一些区域发生洪水和干旱的风险。(3)预估未来长江流域在两种情景下的水资源量可能都有所增加。在SSP1-2.6情景下,流域中下游地区的径流量主要呈增加趋势,发生洪涝的可能性增高;上游地区的径流量可能主要呈减少趋势,发生干旱的可能性增高。在SSP5-8.5情景下,流域上游地区的径流量可能主要呈增加趋势,发生洪涝的可能性增高;中下游地区的径流量主要呈减少趋势,发生干旱的可能性增高。预估未来黄河流域在SSP5-8.5情景下的水资源量可能有所增加,流域大部分地区的径流量主要呈增加趋势,干流地区发生洪涝的可能性增高,流域发生干旱的可能性有所降低。但在SSP1-2.6情景下的径流量的时空变化有较大不确定性,本文所选的两个气候模式作为驱动数据模拟的径流量变化在黄河流域并未得到一致的结论。本文开发的FLEX-Global模型解决了大多数全球水文模型使用均一参数的问题,在一定程度上改善了全球水文模型在部分地区的表现,对改进全球水文模型性能进行了有益尝试。在此基础上,利用最新的CMIP6气候模式作为驱动数据基于FLEX-Global模型模拟了未来全球陆地河流流量,讨论了未来水资源量变化趋势的时空分布,可为在全球尺度进行水资源管理、洪涝和干旱灾害防治等提供参考。未来研究中,还需考虑人类活动影响,减小构建模型水文参数的不确定性,提高空间分辨率,更精准地模拟全球陆地水资源空间分布和时间演变。
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