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基于陆气耦合模型的我国典型北方城市降雨-内涝过程模拟研究

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基于陆气耦合模型的我国典型北方城市降雨-内涝过程模拟研究

作者：陈燕奇华中科技大学

学位级别：硕士

当前我国北方城市管网在应对暴雨时排水能力较差,常因暴雨而产生严重的内涝灾害。在这种背景下,对我国北方城市降雨过程及其引发的内涝情况进行精确模拟有着极为重要的现实意义。本文将气候模式WRF(Weather Research and Forecasting Mo... 详细信息

当前我国北方城市管网在应对暴雨时排水能力较差,常因暴雨而产生严重的内涝灾害。在这种背景下,对我国北方城市降雨过程及其引发的内涝情况进行精确模拟有着极为重要的现实意义。本文将气候模式WRF(Weather Research and Forecasting Model)和城市雨洪模型InfoWorks ICM进行陆气耦合,构建城市降雨-内涝模型,并以我国典型北方城市—山东省菏泽市牡丹区为例,准确率定模型精度,开展降雨-内涝过程模拟研究,为我国典型北方城市降雨内涝精确预报提供参考。本文主要研究内容如下:(1)在WRF模式方面,结合牡丹区水文气象特点,在考虑60种不同参数化方案、三种空间插值方法的基础上,针对当前没有确切结论的5～10 km网格分辨率下是否应开启积云对流参数进行重点分析,并结合降雨量、降雨空间分布指标进行评价,选择最优参数化方案。结果表明:Kessler微物理过程、Grell-Devenyi积云对流参数、MRF行星边界层、开启第二层嵌套(9 km)积云对流参数、最近距离空间插值法为最优参数化方案。(2)在InfoWorks ICM模型方面,耦合一维、二维水动力模型构建内涝预报模型,并通过实测降雨对模型进行率定,在此基础上选择不同情景设计降雨,分析管道充满度、积水深度、积水时间,并划分内涝风险区,最后明晰内涝产生机制。结果表明:模型模拟易涝点与实测易涝点吻合;一年一遇情况下,管道满载度较高、积水时间较长,认为管网排水能力不足一年一遇;易涝点内涝风险区大多为中高风险;产生内涝的原因主要在于部分管道存在结构性和功能性缺陷。(3)建立陆气耦合模型,采用WRF模式预报降雨单向驱动InfoWorks ICM模型的方式,并通过实测降雨对模型进行验证,在Info Works ICM模型中分别输入WRF模拟降雨和实测降雨,将二者结果进行对比分析。实验结果表明:输入WRF模拟降雨和输入实测降雨淹没程度趋于一致,认为模型有良好的准确性。

关键词：降雨内涝陆气耦合模型 WRF模式 InfoWorks ICM模型

基于WRF模式的三峡库区陆气耦合模型研究及短期预报系统开发与应用

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基于WRF模式的三峡库区陆气耦合模型研究及短期预报系统开发与应用

作者：贾梦华中科技大学

学位级别：硕士

长江三峡水库调度兼顾防洪、发电、供水、航运、生态等诸多方面，其精确调度需要未来一定时段内的高时空分辨率和高精度降水预报信息。通过提高降水预报精度，提供具有一定预见期的降水信息驱动入库流量预报模型，以提高入库流量预报精... 详细信息

长江三峡水库调度兼顾防洪、发电、供水、航运、生态等诸多方面，其精确调度需要未来一定时段内的高时空分辨率和高精度降水预报信息。通过提高降水预报精度，提供具有一定预见期的降水信息驱动入库流量预报模型，以提高入库流量预报精度和预见期，对制定合理高效的水库调度方案具有极为重要的意义。为实现三峡库区短期入库流量高精度预报并延长预见期，本文选定三峡库区作为分析区，采用WRFV3.3为三峡库区天气预报模式，利用TS评分与极差分析法研究WRFV3.3参数化方案敏感性，从而确定适合三峡库区的WRF模式参数化方案组合。在此基础上，通过单向耦合方式，将VIC分布式水文模型与WRFV3.3进行耦合模拟预报，并针对三峡库区实际工程问题，搭建了三峡库区陆气耦合模型短期预报系统。实例试验结果表明，陆气耦合模型的预测方法较为有效，具有一定的实用性。目前该系统已在三峡梯调中心成功部署与应用。为将WRF-VIC陆气耦合模型研究成果更好的应用于三峡工程，改善短期水文预报精度和延长预见期并满足生产单位的工作需求，本文设计开发了三峡库区陆气耦合短期预报系统。该系统融合不同学科的模型与方法，涉及到模式编译、高性能计算、数据存储、水文气象数据查询与处理以及天气预报形势图查询等功能。系统的核心模块WRF模式通过SSH通信机制与mpich2并行编译软件，采用单机多核并行方式编译于HP Z800工作站，显著提高了模式运行速率，有助于延长水文预报预见期。水文气象信息查询模块利用MySQL轻量级数据库，实现了降水、径流、蒸发和温度等水文气象数据的实时查询与管理功能。同时，利用NCL语言实现了三峡库区天气预报形势图的绘制，并通过客户端供用户实时调用分析，从而方便用户针对三峡库区入库径流预报更为快捷地做出相应决策方案，为三峡库区梯级防洪发电调度系统提供良好的数据图形支持。

关键词：三峡库区 WRF模式 TS评分 VIC分布式水文模型陆气耦合模型

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基于陆气耦合的城市雨洪模拟技术研究进展

北京师范大学学报（自然科学版） 2022年第3期58卷 434-446页

作者：徐宗学初祁王昊叶陈雷北京师范大学水科学研究院北京100875 城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室北京100875 北京工业大学城市建设学部北京100124

对汇流时间短、暴雨时程集中且短期内降水强度大的城市区域而言,暴雨洪涝灾害预见期的延长可以为制定应急预案和实施防汛抢险争取更多的响应时间,降低城市暴雨洪涝事件带来的潜在危害.延长城市暴雨洪涝灾害预见期的有效措施之一,是采用... 详细信息

对汇流时间短、暴雨时程集中且短期内降水强度大的城市区域而言,暴雨洪涝灾害预见期的延长可以为制定应急预案和实施防汛抢险争取更多的响应时间,降低城市暴雨洪涝事件带来的潜在危害.延长城市暴雨洪涝灾害预见期的有效措施之一,是采用基于数值天气预报技术和多源/高分辨率数据资料的陆气耦合城市雨洪模拟技术进行雨洪过程模拟和灾害预报.本文归纳总结了城市雨洪过程模拟和预报中常用的5类降水输入数据及各类降水数据的适用条件;总结了数值天气预报技术在区域强降水模拟方面的研究进展及存在的问题;梳理了城市雨洪过程模拟中采用的常见方法及优缺点;总结了数值降水预报技术应用于城市雨洪过程模拟和预报的最新研究进展.在此基础上,提出了基于陆气耦合的城市雨洪模拟技术需要解决的关键问题和应对之策,指出在当前城市雨洪模拟技术较为成熟的情况下,减小数值降水预报结果的不确定性和提高城市雨洪过程模拟的精细化程度是提高城市暴雨洪涝灾害预报准确性的主要手段.

关键词：城市雨洪数值天气预报陆气耦合模型预见期暴雨洪涝灾害

WRF-Hydro模型与新安江模型在陈河流域的应用对比

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湖泊科学 2020年第3期32卷 850-864页

作者：孙明坤李致家刘志雨侯爱中霍文博温娅惠孔祥意戴金旺梁世强河海大学水文水资源学院南京210098 水利部信息中心(水利部水文水资源监测预报中心) 北京100053 黄河水利委员会河南水文水资源局郑州450003 宁波市镇海区建筑(交通)工程安全质量管理站宁波315202 北京水文总站北京100089

本文利用全球陆面数据同化系统与降雨观测数据,以陕西半湿润区陈河流域为研究对象,驱动WRF-Hydro模型,研究该模型的表现和适用性,并在结构、参数、输入输出和模拟结果方面与新安江模型对比.考虑到次表面层与实际包气带的区别,引入土层... 详细信息

本文利用全球陆面数据同化系统与降雨观测数据,以陕西半湿润区陈河流域为研究对象,驱动WRF-Hydro模型,研究该模型的表现和适用性,并在结构、参数、输入输出和模拟结果方面与新安江模型对比.考虑到次表面层与实际包气带的区别,引入土层厚度乘子ZSOILFAC对前者进行等比缩放,发现其与新安江模型反推包气带的厚度有较好的一致性.研究表明:在陈河流域中WRF-Hydro计算步长须在建议值的基础上缩小;WRF-Hydro模型善于模拟洪水细节,新安江模型表现好且稳定;前者的径流深和洪峰合格率平于或略低于后者;在两个指标均合格的洪水中,前者平均均方根误差比后者小21.5%,但对于其他洪水,前者平均均方根误差比后者大56.2%;WRF-Hydro在洪水起涨时刻模拟较好,表现出其在中小流域应用的潜力.

关键词： WRF-Hydro模型系统新安江模型洪水模拟分布式模型陆气耦合模型 GLDAS再分析数据陈河流域

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高寒草甸地区陆面过程观测及耦合模式研究

应用数学和力学 2004年第5期25卷 446-454页

作者：姚德良张强李家春谢正桐沈振西中国科学院力学研究所工程科学部北京100080 中国科学院西北高原生物研究所青海西宁810001

　对海北高寒草甸地区水热传输过程进行了系统观测,特别考虑了叶片气孔为非饱和水汽条件下的交换情况,结合修正的根系吸水公式,发展了一个多层陆气耦合模式·　利用该模式对中国科学院海北高寒草甸生态试验站地区矮嵩草草甸陆气水热交... 详细信息

　对海北高寒草甸地区水热传输过程进行了系统观测,特别考虑了叶片气孔为非饱和水汽条件下的交换情况,结合修正的根系吸水公式,发展了一个多层陆气耦合模式·　利用该模式对中国科学院海北高寒草甸生态试验站地区矮嵩草草甸陆气水热交换进行了数值模拟,分析了湍流交换的物理过程。

关键词：高寒草甸陆气耦合模型湍流输运数据模拟野外观测

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大尺度分布式水文模型在长江上游的应用研究

大尺度分布式水文模型在长江上游的应用研究

作者：杨振莹华中科技大学

学位级别：硕士

水文预报作为水文领域的核心研究内容,是水资源高效合理利用、水利工程规划建设和水电能源系统安全稳定运行的基础与保障。然而,近年来随着大规模水库群的建成,流域的水文情势产生了巨大的变化,对水文预报提出了更大的挑战和更高的要求... 详细信息

水文预报作为水文领域的核心研究内容,是水资源高效合理利用、水利工程规划建设和水电能源系统安全稳定运行的基础与保障。然而,近年来随着大规模水库群的建成,流域的水文情势产生了巨大的变化,对水文预报提出了更大的挑战和更高的要求。为此,本文以长江上游溪洛渡到宜昌区间为研究对象,以延长洪水预报预见期和提高预报精度为研究目标,引入陆气耦合方法,将数值天气预报WRF(Weather Research and Forecasting)模式的预报气象要素结果单向驱动分布式水文模型VIC(Variable Infiltration Capacity)模型,以此建立长江上游溪洛渡到宜昌区间的陆气耦合水文预报模型,有效延长了该区间的洪水预报预见期,提高预报精度。主要研究成果如下:(1)首先采用VIC模型建立了以网格为计算单元、以日尺度为计算步长的长江上游溪洛渡到宜昌区间的分布式水文预报模型,并将其用于陆气耦合模型的陆面过程模拟。同时,利用研究区域已有气象水文资料,运用SCE-UA(Shuffled Complex Evolution-University of Arizona)算法和PSO(Particle swarm optimization)算法率定模型参数,并优选出最佳参数。模拟检验结果表明所率定的参数具有较好的代表性。(2)其次将数值天气模式WRF模式引入研究区域,优选出了适用于研究区域的参数化组合方案。建立了基于TS评分、平均绝对误差和布莱尔评分的多指标综合评价体系,并依次选出了最优参数化方案:微物理过程(WSM 3-class方案)、陆面层(Noah方案)和积云对流参数化(New KF方案)的参数组合方案,并对优选参数化组合方案进行了验证,分析了降雨的时空分布特征,结果表明该参数化组合方案具有较好的适用性。(3)最后利用WRF模式模拟结果单向驱动所构建的分布式VIC模型,成功建立了长江上游溪洛渡到宜昌区间的陆气耦合水文预报模型。针对陆气耦合的气象模式与陆面模式之间的时空尺度匹配问题,提出了有效的解决方案,并利用多场实测降雨洪水过程对模型进行了检验,结果表明所建模型能够有效地延长预见期且预报精度比不考虑降雨的无降雨洪水预报高,能够有效的为该区间的水库群联合调度提供一定预见期的精确的预报来水数据。

关键词：水文预报 VIC模型 WRF模式陆气耦合模型长江上游

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高寒草甸地区陆面过程耦合模式与辐射研究

中央民族大学学报（自然科学版） 2005年第2期14卷 101-107页

作者：姚德良范平沈振西白玉湖中国科学院力学研究所北京100080 中国科学院西北高原生物研究所青海西宁810001

　本文论述了陆气相互作用的研究意义与现状.在原有研究工作基础上,针对中国科学院高寒草甸站地区陆气水热传输过程,提出了一个多层陆面过程耦合模式,藤别给出了导水率的计算模型和修正后的根系吸水模式,对植物内部湍流交换的物理过程... 详细信息

　本文论述了陆气相互作用的研究意义与现状.在原有研究工作基础上,针对中国科学院高寒草甸站地区陆气水热传输过程,提出了一个多层陆面过程耦合模式,藤别给出了导水率的计算模型和修正后的根系吸水模式,对植物内部湍流交换的物理过程作了深入研究.本文还介绍了当地的气候概况和野外观测情况,利用本模式对中国科学院高寒草甸站地区陆气水热交换过程进行了数值模拟,模拟结果与实测值吻合较好,证明该模式成功地模拟了陆气相互作用过程,可为当地合理利用水热资源提供科学依据.为了解植被在陆气相互作用的影响,本文又进行了敏感性数值试验.

关键词：高寒草甸陆气耦合模型数值模拟敏感性试验野外观测

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高寒草甸陆气水热交换数值模拟研究

高寒草甸陆气水热交换数值模拟研究

第十七届全国水动力学研讨会暨第六届全国水动力学学术会议

作者：姚德良张强谢正桐中国科学院力学研究所中国科学院力学研究所中国科学院力学研究所

本文论述了陆气相互作用的研究意义与现状。在原有研究工作基础上,针对海北高寒草甸地区陆气水热传输过程,提出了一个多层陆气耦合模式。对植被内部湍流交换的物理过程作了深入研究,特别考虑了叶片气孔为非饱和水汽条件下的交换情况,并... 详细信息

本文论述了陆气相互作用的研究意义与现状。在原有研究工作基础上,针对海北高寒草甸地区陆气水热传输过程,提出了一个多层陆气耦合模式。对植被内部湍流交换的物理过程作了深入研究,特别考虑了叶片气孔为非饱和水汽条件下的交换情况,并且给出了修正后的根系吸水模式。陆气耦合模式分别对大气、植被、土壤作多层划分,以助于细致了解沿高度分布的各物理量。利用本模式对中国科学院海北高寒草甸生态试验站地区矮嵩草草甸陆气水热交换过程进行了数值模拟,模拟结果与实测值吻合较好。证明该模式成功地模拟了陆气相互作用过程,可为当地合理利用水热资源提供科学依据。

关键词：高寒草甸陆气耦合模型湍流输运数值模拟

来源： cnki会议评论

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禹城地区陆气相互作用耦合模式和观测研究

生态学报 2000年第6期20卷 1076-1082页

作者：姚德良谢正桐李家春中国科学院力学研究所北京100080

论述了陆气相互作用研究在人类生存环境与发展区域经济中的重要意义与研究现状。在原有研究工作基础上 ,针对中国科学院禹试验城站地区麦田陆气水热传输过程 ,提出了一个多层陆气耦合模式。对植被内部湍流交换的物理过程作了深入研究 ,... 详细信息

论述了陆气相互作用研究在人类生存环境与发展区域经济中的重要意义与研究现状。在原有研究工作基础上 ,针对中国科学院禹试验城站地区麦田陆气水热传输过程 ,提出了一个多层陆气耦合模式。对植被内部湍流交换的物理过程作了深入研究 ,特别考虑了叶片气孔为非饱和水汽条件下的交换情况 ,并且给出了修正后的根系吸水模式。陆气耦合模式分别对大气、植被、土壤作多层划分 ,以助于细致了解沿高度分布的各物理量。利用本模式对中国科学院禹城试验站地区小麦地陆气水热交换过程进行了数值模拟 ,模拟结果与实测值吻合较好。证明该模式成功地模拟了陆气相互作用过程 ,可为当地合理利用水热资源提供科学依据。

关键词：麦田水热交换陆气耦合模型湍流输运数值模拟