水文循環(huán)過(guò)程及定量預(yù)報(bào)

前言

　　水文循環(huán)是自然界最重要的物質(zhì)循環(huán)之一，是連接大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈的紐帶，是流域水資源和水旱災(zāi)害形成和演變最重要的驅(qū)動(dòng)源。水文循環(huán)過(guò)程及其定量預(yù)報(bào)研究，乃是當(dāng)今水文氣象領(lǐng)域共同關(guān)注的熱點(diǎn)和前沿問(wèn)題。　　本書(shū)是在多項(xiàng)科研成果及全國(guó)優(yōu)秀博士學(xué)位論文《定量降雨與實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)》等五篇博士學(xué)位論文基礎(chǔ)上凝練而成的，內(nèi)容涵蓋流域水文循環(huán)的主要環(huán)節(jié)和關(guān)鍵問(wèn)題。書(shū)中各章節(jié)之問(wèn)既自成體系，又相互關(guān)聯(lián)；既有理論闡述，又有實(shí)例應(yīng)用；既是科學(xué)傳承，又具開(kāi)拓創(chuàng)新。本書(shū)在學(xué)術(shù)思想上，強(qiáng)調(diào)研究項(xiàng)目與國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的關(guān)鍵水問(wèn)題密切結(jié)合，突出成果的應(yīng)用性；在結(jié)構(gòu)體系上，從水文循環(huán)的關(guān)鍵要素研究人手，通過(guò)剖析流域面雨量計(jì)算、實(shí)際蒸發(fā)量估算、降雨定量預(yù)報(bào)等技術(shù)，深入探討大尺度陸面水文過(guò)程的機(jī)制與應(yīng)用實(shí)踐，成功開(kāi)發(fā)出基于陸氣耦合的實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)；既涵蓋了水文循環(huán)研究的關(guān)鍵內(nèi)容，又突出了定量預(yù)報(bào)的關(guān)鍵技術(shù)?！　∪珪?shū)共分9章。第1章介紹水文循環(huán)基本概念與大氣過(guò)程；第2章討論流域面雨量計(jì)算方法；第3章介紹降雨定量預(yù)報(bào)方法；第4章探討流域蒸散發(fā)估算方法；第5章討論CLASS陸面過(guò)程模型的改進(jìn)與應(yīng)用；第6章討論大尺度VIC水文模型的應(yīng)用及參數(shù)區(qū)域規(guī)律探討和移用方法；第7章提出基于網(wǎng)格的流域匯流模型；第8章介紹陸氣耦合洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)；第9章介紹基于陸氣耦合洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)的淮河流域?qū)崟r(shí)洪水預(yù)報(bào)實(shí)例?！　”緯?shū)主要?jiǎng)?chuàng)新內(nèi)容有：定量分析了我國(guó)西部塔里木河流域的大氣水汽狀態(tài)；提出了基于衛(wèi)星測(cè)雨產(chǎn)品估算資料稀缺地區(qū)面雨量的方法；改進(jìn)了CLASS陸面過(guò)程模型中產(chǎn)流計(jì)算的方案，引入了壤中流產(chǎn)流機(jī)制；提出了VIc大尺度水文模型的參數(shù)區(qū)域化方法；開(kāi)發(fā)了考慮參數(shù)空間分布的網(wǎng)格匯流模型；建立了陸氣耦合模型系統(tǒng)，并在淮河流域近幾年的實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)中得到應(yīng)用，將洪水預(yù)報(bào)的預(yù)見(jiàn)期增加了72小時(shí)以上。

內(nèi)容概要

本書(shū)詳細(xì)介紹了流域水文循環(huán)關(guān)鍵要素大氣水、降水與蒸發(fā)的計(jì)算、預(yù)報(bào)、估算的技術(shù)與方法，并分別給出了大氣水分析計(jì)算實(shí)例、定量降雨估算、預(yù)報(bào)技術(shù)與方法的應(yīng)用實(shí)例、蒸發(fā)估算方法及其在干旱監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用實(shí)例等；探討了陸面過(guò)程模型和大尺度水文模型應(yīng)用中的技術(shù)問(wèn)題，根據(jù)中國(guó)的氣候條件和下墊面條件，改進(jìn)了陸面過(guò)程模型，探索了大尺度水文模型在中國(guó)應(yīng)用的參數(shù)區(qū)域規(guī)律；將定量降雨預(yù)報(bào)與陸面水文過(guò)程相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了基于陸氣耦合的定量降雨與實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)技術(shù)，并成功應(yīng)用于淮河流域洪水預(yù)報(bào)實(shí)踐中，其洪水預(yù)報(bào)精度和預(yù)見(jiàn)期均有提高，特別是預(yù)見(jiàn)期實(shí)現(xiàn)了實(shí)質(zhì)性突破，在原有基礎(chǔ)上增加了72小時(shí)以上。    本書(shū)可供水利工程、環(huán)境科學(xué)、地球科學(xué)等專(zhuān)業(yè)科研人員及研究生參考。

作者簡(jiǎn)介

陸桂華，男，48歲，博士，民盟江蘇省委副主委，江蘇省水利廳副廳長(zhǎng)，江蘇省政協(xié)常委，河海大學(xué)、南京大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。1982年獲華東水利學(xué)院陸地水文專(zhuān)業(yè)學(xué)士學(xué)位，1989年獲愛(ài)爾蘭國(guó)立大學(xué)工程水文專(zhuān)業(yè)碩士學(xué)位，1997年獲河海大學(xué)水文學(xué)及水資源專(zhuān)業(yè)博士學(xué)位。兼任河海大學(xué)水問(wèn)題研究所所長(zhǎng)、江蘇省水利學(xué)會(huì)常務(wù)副理事長(zhǎng)、中國(guó)水利學(xué)會(huì)水文專(zhuān)業(yè)委員會(huì)副主任委員、IHP中國(guó)委員會(huì)委員、全球水伙伴中國(guó)技術(shù)委員會(huì)委員等。獲全國(guó)高等學(xué)校優(yōu)秀骨干教師、首屆江蘇省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才等稱(chēng)號(hào)，入選“新世紀(jì)百千萬(wàn)人才工程”、水利部“5151”人才工程、江蘇省“333高層次人才培養(yǎng)工程”首批中青年科技領(lǐng)軍人才，享受?chē)?guó)務(wù)院特殊津貼。先后承擔(dān)國(guó)家科技支撐計(jì)劃、“863”計(jì)劃、水利部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)、科技攻關(guān)、國(guó)家自然科學(xué)基金等縱向科研項(xiàng)目40余項(xiàng)。指導(dǎo)博、碩士研究生90佘名。發(fā)表《陸氣耦合模型在實(shí)時(shí)暴雨洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用》等學(xué)術(shù)論文90余篇，其中多篇論文被SCI、EI檢索?？蒲谐晒@國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，大禹水利科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，黃河水利委員會(huì)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，江蘇省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

書(shū)籍目錄

前言第1章　水文循環(huán)基本概念與大氣過(guò)程　1.1　水文循環(huán)基本概念與研究進(jìn)展　　1.1.1　水文循環(huán)過(guò)程　　1.1.2　水文要素　　1.1.3　水文循環(huán)研究進(jìn)展　1.2　水文循環(huán)大氣過(guò)程　　1.2.1　水汽含量　　1.2.2　水汽輸送　　1.2.3　水汽收支　　1.2.4　水分內(nèi)循環(huán)　1.3　塔里木河流域水汽含量時(shí)空特征　　1.3.1　塔里木河流域概況　　1.3.2　水汽含量空間分布　　1.3.3　水汽含量時(shí)間變化　1.4　塔里木河流域水文內(nèi)循環(huán)特征　　1.4.1　水汽輸送特征　　1.4.2　水汽收支特征　　1.4.3　水汽源匯特征　　1.4.4　水文內(nèi)循環(huán)特征　1.5　本章小結(jié)第2章　流域面雨量計(jì)算　2.1　流域面雨量計(jì)算方法回顧　　2.1.1　常用面雨量計(jì)算方法　　2.1.2　降雨空間插值方法　2.2　變權(quán)重降雨插值方法　　2.2.1　變權(quán)重插值公式　　2.2.2　變權(quán)重的推求　　2.2.3　插值精度驗(yàn)證　2.3　基于TRMM　PR資料的降雨插值方法　　2.3.1　TRMM概述　　2.3.2　TRMM衛(wèi)星測(cè)雨產(chǎn)品的精度檢驗(yàn)　　2.3.3　基于T-G聯(lián)合的流域降雨量估算方法　　2.3.4　T-G聯(lián)合回歸法在淮河流域的應(yīng)用　　2.3.5　T-G聯(lián)合系數(shù)法在西北資料稀缺流域的應(yīng)用　2.4　本章小結(jié)第3章　降雨定量預(yù)報(bào)　3.1　概述　　3.1.1　數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的歷程　　3.1.2　動(dòng)力框架的發(fā)展　　3.1.3　數(shù)值計(jì)算方法　　3.1.4　物理過(guò)程參數(shù)化　　3.1.5　資料同化及方法　　3.1.6　數(shù)值天氣預(yù)報(bào)　3.2　MC2模式原理　　3.2.1　MC2模式的動(dòng)力框架　　3.2.2　MC2的物理過(guò)程　3.3　MC2模式程序結(jié)構(gòu)　　3.3.1　預(yù)處理程序　　3.3.2　主程序　　3.3.3　后處理程序　　3.3.4　MC2模式運(yùn)行配置　3.4　MC2模式的應(yīng)用　　3.4.1　預(yù)報(bào)方案設(shè)計(jì)　　3.4.2　預(yù)報(bào)效果檢驗(yàn)　　3.4.3　1998年和2003年后預(yù)報(bào)結(jié)果分析　　3.4.4　2005～2007年實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)結(jié)果分析　3.5　本章小結(jié)第4章　流域蒸散發(fā)估算　4.1　流域蒸散發(fā)方法回顧　　4.1.1　蒸散發(fā)量的測(cè)定　　4.1.2　蒸散發(fā)量的估算　4.2　流域蒸散發(fā)遙感估算模型及應(yīng)用　　4.2.1　經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀　?.2.2　單層模型　　4.2.3　雙層模型　　4.2.4　分塊模型　　4.2.5　蒸散發(fā)遙感估算模型應(yīng)用　4.3　大氣水分平衡方程估算蒸散發(fā)　　4.3.1　大氣水分平衡方程　　4.3.2　塔里木河流域蒸散發(fā)估算　4.4　蒸發(fā)悖論　　4.4.1　“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象　　4.4.2　“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象討論　4.5　本章小結(jié)第5章　陸面過(guò)程模型(CLASS)改進(jìn)與應(yīng)用　5.1　模型原理　　5.1.1　輻射傳輸方程　　5.1.2　熱量傳輸方程　　5.1.3　動(dòng)量傳輸方程　　5.1.4　蒸散發(fā)計(jì)算方法　　5.1.5　產(chǎn)流計(jì)算方法　　5.1.6　模型參數(shù)和輸入輸出　　5.1.7　模型程序結(jié)構(gòu)　5.2　模型改進(jìn)　　5.2.1　模型原產(chǎn)流機(jī)制的不足　　5.2.2　模型產(chǎn)流機(jī)制的改進(jìn)　5.3　模型應(yīng)用　　5.3.1　驗(yàn)證區(qū)與資料　　5.3.2　驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)　　5.3.3　單站模擬結(jié)果　　5.3.4　流域尺度模擬結(jié)果　5.4　本章小結(jié)第6章　大尺度水文模型(VlC)應(yīng)用　6.1　VIC模型原理和結(jié)構(gòu)　　6.1.1　模型原理　　6.1.2　程序結(jié)構(gòu)　　6.1.3　軟件移植　6.2　模型輸入和參數(shù)確定　　6.2.1　模型輸入　　6.2.2　氣候地理參數(shù)　　6.2.3　植被參數(shù)　　6.2.4　土壤參數(shù)　　6.2.5　水文參數(shù)　6.3　水文參數(shù)區(qū)域規(guī)律及移用　　6.3.1　典型流域的選擇　　6.3.2　模擬結(jié)果分析　　6.3.3　水文參數(shù)區(qū)域規(guī)律　　6.3.4　水文參數(shù)移用　6.4　本章小結(jié)第7章　基于網(wǎng)格的流域匯流模型　7.1　流域匯流方法　　7.1.1　集總式匯流方法　　7.1.2　分布式匯流方法　7.2　數(shù)字水系構(gòu)建　　7.2.1　DEM洼地處理　　7.2.2　網(wǎng)格流向計(jì)算　　7.2.3　水流累積量計(jì)算　　7.2.4　網(wǎng)格比降計(jì)算　　7.2.5　河網(wǎng)的提取　　7.2.6　流域的劃分　7.3　網(wǎng)格匯流模型　　7.3.1　基本原理　　7.3.2　參數(shù)求解　　7.3.3　程序設(shè)計(jì)　7.4　模型應(yīng)用　　7.4.1　參數(shù)確定和驗(yàn)證　　7.4.2　河網(wǎng)總?cè)肆鞯挠?jì)算　　7.4.3　結(jié)果分析　7.5　本章小結(jié)第8章　陸氣耦合洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)　8.1　洪水預(yù)報(bào)方法進(jìn)展　　8.1.1　河道洪水演進(jìn)法　　8.1.2　降雨徑流預(yù)報(bào)法　　8.1.3　氣象一水文方法　　8.1.4　陸氣耦合模型研究進(jìn)展　8.2　陸氣耦合洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)構(gòu)建　8.3　陸氣耦合方式　　8.3.1　MC2／CLASS雙向耦合　　8.3.2　MC2／新安江模型單向耦合　　8.3.3　降雨定量預(yù)報(bào)的實(shí)時(shí)修正　8.4　預(yù)報(bào)檢驗(yàn)　　8.4.1　檢驗(yàn)方案設(shè)計(jì)　　8.4.2　檢驗(yàn)結(jié)果分析　8.5　本章小結(jié)第9章　淮河流域?qū)崟r(shí)洪水預(yù)報(bào)實(shí)例　9.1　流域概況　9.2　2005年實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)　　9.2.1　淮河“2005.7”暴雨洪水　　9.2.2　實(shí)時(shí)暴雨預(yù)報(bào)成果檢驗(yàn)　　9.2.3　實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)成果檢驗(yàn)　　9.2.4　實(shí)時(shí)洪水預(yù)警圖　9.3　2007年實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)　　9.3.1　淮河“2007.7”暴雨洪水　　9.3.2　實(shí)時(shí)暴雨預(yù)報(bào)成果檢驗(yàn)　　9.3.3　實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)成果檢驗(yàn)　9.4　2008年實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)　9.5　2009年實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)　9.6　本章小結(jié)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的空間分辨率，可分為水平分辨率和垂直分辨率?！　〔捎糜邢薏罘址椒ㄇ蠼獯髿夥匠探M時(shí)，一般采用矩形網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行分割，分割的交點(diǎn)叫網(wǎng)格點(diǎn)，網(wǎng)格點(diǎn)問(wèn)的距離叫格距。水平分辨率就是指模式水平方向的格距的大小。在進(jìn)行數(shù)值求解的時(shí)候，計(jì)算的精度會(huì)直接受到水平分辨率的影響。能夠被模式準(zhǔn)確預(yù)報(bào)的最小天氣系統(tǒng)大約需要5個(gè)格點(diǎn)才能確定；對(duì)于一定波長(zhǎng)的波，網(wǎng)格水平分辨率越高，差分的精度就越高；對(duì)于水平尺度為1000～2000km的大尺度天氣系統(tǒng)，水平分辨率需取50～100km（廖洞賢，1999）。當(dāng)采用譜模式時(shí)，求解的精度與三角形截?cái)嗖〝?shù)的多少有關(guān)。例如，截?cái)嗖〝?shù)為213（簡(jiǎn)稱(chēng)T213），相當(dāng)?shù)乃椒直媛始s60km；與T799相當(dāng)?shù)乃椒直媛始s為25km；與T2047相當(dāng)?shù)乃椒直媛始s為l0km。事實(shí)上，為了求解物理過(guò)程的方便，在譜方法的計(jì)算中，雖然使用的是譜坐標(biāo)系.但仍需要在網(wǎng)格點(diǎn)上進(jìn)行計(jì)算?！　〈怪狈直媛室话阒冈诖怪狈较蛏献缘孛娴侥Ｊ酱髿忭?shù)姆謱訑?shù)。模式大氣頂一般不低于30hpa。在大氣中如果用位勢(shì)高度場(chǎng)計(jì)算溫度場(chǎng)至少需要2層；要表示溫度隨高度的變化，至少需要3層；要表示溫度直減率隨高度變化，則至少需要4層。為了得到具有一定精度的數(shù)值解，業(yè)務(wù)運(yùn)行的預(yù)報(bào)模式的垂直分層一般都在5層以上（廖洞賢，1999）?？紤]到溫度、風(fēng)等氣象要素隨高度的非線(xiàn)性變化，許多業(yè)務(wù)模式都采用不等距分層的方法。由于行星邊界層靠近地面，較密的分層能更逼真地模擬出地面加熱、冷卻和對(duì)流層上部、平流層下部對(duì)它的影響，因此在行星邊界層垂直分辨率最高。在兩層之間，則需要平緩的過(guò)渡以保持最高的計(jì)算精度。

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