水文循環(huán)過程及定量預(yù)報

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)動源。水文循環(huán)過程及其定量預(yù)報研究，乃是當今水文氣象領(lǐng)域共同關(guān)注的熱點和前沿問題?！　”緯窃诙囗椏蒲谐晒叭珖鴥?yōu)秀博士學(xué)位論文《定量降雨與實時洪水預(yù)報》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)鍵問題。書中各章節(jié)之問既自成體系，又相互關(guān)聯(lián)；既有理論闡述，又有實例應(yīng)用；既是科學(xué)傳承，又具開拓創(chuàng)新。本書在學(xué)術(shù)思想上，強調(diào)研究項目與國民經(jīng)濟發(fā)展中的關(guān)鍵水問題密切結(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，通過剖析流域面雨量計算、實際蒸發(fā)量估算、降雨定量預(yù)報等技術(shù)，深入探討大尺度陸面水文過程的機制與應(yīng)用實踐，成功開發(fā)出基于陸氣耦合的實時洪水預(yù)報系統(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)報的關(guān)鍵技術(shù)。　　全書共分9章。第1章介紹水文循環(huán)基本概念與大氣過程；第2章討論流域面雨量計算方法；第3章介紹降雨定量預(yù)報方法；第4章探討流域蒸散發(fā)估算方法；第5章討論CLASS陸面過程模型的改進與應(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)報系統(tǒng)；第9章介紹基于陸氣耦合洪水預(yù)報系統(tǒng)的淮河流域?qū)崟r洪水預(yù)報實例?！　”緯饕獎?chuàng)新內(nèi)容有：定量分析了我國西部塔里木河流域的大氣水汽狀態(tài)；提出了基于衛(wèi)星測雨產(chǎn)品估算資料稀缺地區(qū)面雨量的方法；改進了CLASS陸面過程模型中產(chǎn)流計算的方案，引入了壤中流產(chǎn)流機制；提出了VIc大尺度水文模型的參數(shù)區(qū)域化方法；開發(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時洪水預(yù)報中得到應(yīng)用，將洪水預(yù)報的預(yù)見期增加了72小時以上。

內(nèi)容概要

本書詳細介紹了流域水文循環(huán)關(guān)鍵要素大氣水、降水與蒸發(fā)的計算、預(yù)報、估算的技術(shù)與方法，并分別給出了大氣水分析計算實例、定量降雨估算、預(yù)報技術(shù)與方法的應(yīng)用實例、蒸發(fā)估算方法及其在干旱監(jiān)測中的應(yīng)用實例等；探討了陸面過程模型和大尺度水文模型應(yīng)用中的技術(shù)問題，根據(jù)中國的氣候條件和下墊面條件，改進了陸面過程模型，探索了大尺度水文模型在中國應(yīng)用的參數(shù)區(qū)域規(guī)律；將定量降雨預(yù)報與陸面水文過程相結(jié)合，開發(fā)了基于陸氣耦合的定量降雨與實時洪水預(yù)報技術(shù)，并成功應(yīng)用于淮河流域洪水預(yù)報實踐中，其洪水預(yù)報精度和預(yù)見期均有提高，特別是預(yù)見期實現(xiàn)了實質(zhì)性突破，在原有基礎(chǔ)上增加了72小時以上。    本書可供水利工程、環(huán)境科學(xué)、地球科學(xué)等專業(yè)科研人員及研究生參考。

作者簡介

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，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)院陸地水文專業(yè)學(xué)士學(xué)位，1989年獲愛爾蘭國立大學(xué)工程水文專業(yè)碩士學(xué)位，1997年獲河海大學(xué)水文學(xué)及水資源專業(yè)博士學(xué)位。兼任河海大學(xué)水問題研究所所長、江蘇省水利學(xué)會常務(wù)副理事長、中國水利學(xué)會水文專業(yè)委員會副主任委員、IHP中國委員會委員、全球水伙伴中國技術(shù)委員會委員等。獲全國高等學(xué)校優(yōu)秀骨干教師、首屆江蘇省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才等稱號，入選“新世紀百千萬人才工程”、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，享受國務(wù)院特殊津貼。先后承擔國家科技支撐計劃、“863”計劃、水利部公益性行業(yè)科研專項、科技攻關(guān)、國家自然科學(xué)基金等縱向科研項目40余項。指導(dǎo)博、碩士研究生90佘名。發(fā)表《陸氣耦合模型在實時暴雨洪水預(yù)報中的應(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@國家科學(xué)技術(shù)進步獎二等獎2項，大禹水利科學(xué)技術(shù)一等獎1項、三等獎1項，黃河水利委員會科學(xué)技術(shù)進步獎二等獎1項，江蘇省科學(xué)技術(shù)進步獎三等獎1項。

書籍目錄

前言第1章　水文循環(huán)基本概念與大氣過程　1.1　水文循環(huán)基本概念與研究進展　　1.1.1　水文循環(huán)過程　　1.1.2　水文要素　　1.1.3　水文循環(huán)研究進展　1.2　水文循環(huán)大氣過程　　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　流域面雨量計算　2.1　流域面雨量計算方法回顧　　2.1.1　常用面雨量計算方法　　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)星測雨產(chǎn)品的精度檢驗　　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　3.1　概述　　3.1.1　數(shù)值天氣預(yù)報的歷程　　3.1.2　動力框架的發(fā)展　　3.1.3　數(shù)值計算方法　　3.1.4　物理過程參數(shù)化　　3.1.5　資料同化及方法　　3.1.6　數(shù)值天氣預(yù)報　3.2　MC2模式原理　　3.2.1　MC2模式的動力框架　　3.2.2　MC2的物理過程　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模式運行配置　3.4　MC2模式的應(yīng)用　　3.4.1　預(yù)報方案設(shè)計　　3.4.2　預(yù)報效果檢驗　　3.4.3　1998年和2003年后預(yù)報結(jié)果分析　　3.4.4　2005～2007年實時預(yù)報結(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?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　陸面過程模型(CLASS)改進與應(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　動量傳輸方程　　5.1.4　蒸散發(fā)計算方法　　5.1.5　產(chǎn)流計算方法　　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　　5.2.1　模型原產(chǎn)流機制的不足　　5.2.2　模型產(chǎn)流機制的改進　5.3　模型應(yīng)用　　5.3.1　驗證區(qū)與資料　　5.3.2　驗證方案設(shè)計　　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)格流向計算　　7.2.3　水流累積量計算　　7.2.4　網(wǎng)格比降計算　　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　7.4　模型應(yīng)用　　7.4.1　參數(shù)確定和驗證　　7.4.2　河網(wǎng)總?cè)肆鞯挠嬎恪　?.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)報系統(tǒng)　8.1　洪水預(yù)報方法進展　　8.1.1　河道洪水演進法　　8.1.2　降雨徑流預(yù)報法　　8.1.3　氣象一水文方法　　8.1.4　陸氣耦合模型研究進展　8.2　陸氣耦合洪水預(yù)報系統(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)報的實時修正　8.4　預(yù)報檢驗　　8.4.1　檢驗方案設(shè)計　　8.4.2　檢驗結(jié)果分析　8.5　本章小結(jié)第9章　淮河流域?qū)崟r洪水預(yù)報實例　9.1　流域概況　9.2　2005年實時洪水預(yù)報　　9.2.1　淮河“2005.7”暴雨洪水　　9.2.2　實時暴雨預(yù)報成果檢驗　　9.2.3　實時洪水預(yù)報成果檢驗　　9.2.4　實時洪水預(yù)警圖　9.3　2007年實時洪水預(yù)報　　9.3.1　淮河“2007.7”暴雨洪水　　9.3.2　實時暴雨預(yù)報成果檢驗　　9.3.3　實時洪水預(yù)報成果檢驗　9.4　2008年實時洪水預(yù)報　9.5　2009年實時洪水預(yù)報　9.6　本章小結(jié)參考文獻

章節(jié)摘錄

　　數(shù)值天氣預(yù)報的空間分辨率，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，一般采用矩形網(wǎng)格對計算區(qū)域進行分割，分割的交點叫網(wǎng)格點，網(wǎng)格點問的距離叫格距。水平分辨率就是指模式水平方向的格距的大小。在進行數(shù)值求解的時候，計算的精度會直接受到水平分辨率的影響。能夠被模式準確預(yù)報的最小天氣系統(tǒng)大約需要5個格點才能確定；對于一定波長的波，網(wǎng)格水平分辨率越高，差分的精度就越高；對于水平尺度為1000～2000km的大尺度天氣系統(tǒng)，水平分辨率需取50～100km（廖洞賢，1999）。當采用譜模式時，求解的精度與三角形截斷波數(shù)的多少有關(guān)。例如，截斷波數(shù)為213（簡稱T213），相當?shù)乃椒直媛始s60km；與T799相當?shù)乃椒直媛始s為25km；與T2047相當?shù)乃椒直媛始s為l0km。事實上，為了求解物理過程的方便，在譜方法的計算中，雖然使用的是譜坐標系.但仍需要在網(wǎng)格點上進行計算?！　〈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高度場計算溫度場至少需要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)運行的預(yù)報模式的垂直分層一般都在5層以上（廖洞賢，1999）?？紤]到溫度、風等氣象要素隨高度的非線性變化，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、冷卻和對流層上部、平流層下部對它的影響，因此在行星邊界層垂直分辨率最高。在兩層之間，則需要平緩的過渡以保持最高的計算精度。

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