本文關(guān)鍵詞：氣候變化下降水輸入和水文模型參數(shù)對(duì)水文模擬的影響

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【摘要】：氣候變化對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)的影響得到國(guó)際學(xué)者廣泛研究。而水文循環(huán)是連接不同生態(tài)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。氣候變化對(duì)水文循環(huán)過(guò)程的影響潛移默化地改變著人們和其他生物賴以生存的環(huán)境。近年來(lái),氣候變化導(dǎo)致的降水頻率和降水量的增加,以及極端事件的頻發(fā)越來(lái)越引起社會(huì)和學(xué)界的重視。在研究氣候變化對(duì)水文水資源的影響時(shí),存在著許多不同的不確定性來(lái)源。其中,降水作為水文過(guò)程模擬最重要的輸入變量,其準(zhǔn)確性對(duì)水文過(guò)程以及氣候變化研究起著至關(guān)重要的決定作用。目前,遙感降水?dāng)?shù)據(jù)和再分析降水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)水文模擬、預(yù)報(bào)和水資源管理有著極其重要的利用價(jià)值,且該價(jià)值對(duì)無(wú)資料地區(qū)而言尤為重要。本研究首先以地面站網(wǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù),評(píng)估了近兩年新發(fā)布的以及另兩種被廣泛使用的全球高時(shí)空分辨率的降水?dāng)?shù)據(jù)PERSIANN-CDR,TRMM 3B42V7和NCEP-CFSR在中國(guó)湘江和衢州流域的準(zhǔn)確度和可靠性。此外,結(jié)合SWAT水文模型,探討了上述三種降水?dāng)?shù)據(jù)在水文徑流模擬方面的適用性。在上述兩個(gè)研究問(wèn)題的基礎(chǔ)上,利用PERSIANN-CDR具有的長(zhǎng)時(shí)間序列(1983年-至今),本研究首次將遙感降水?dāng)?shù)據(jù)與氣候變化研究相結(jié)合探究了PERSIANN-CDR代替地面站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為一種觀測(cè)降水用于氣候變化研究的適用性。除了降水這一重要因素外,水文模型參數(shù)的非平穩(wěn)性和不確定性也是影響氣候變化對(duì)水資源預(yù)測(cè)的另一重要因素。目前,很多與氣候變化相關(guān)的研究在預(yù)測(cè)未來(lái)水資源時(shí)所使用的水文模型參數(shù)都是通過(guò)歷史時(shí)期數(shù)據(jù)率定得到,即假定參數(shù)是平穩(wěn)的。但氣候變化導(dǎo)致的水文模型參數(shù)的非平穩(wěn)性和不確定性對(duì)該假設(shè)的可靠性提出了挑戰(zhàn)。目前,很少有研究將水文模型參數(shù)在時(shí)間上的非平穩(wěn)性和不確定性聯(lián)合起來(lái)探究它們對(duì)氣候變化下水文水資源的影響。本研究針對(duì)該問(wèn)題,通過(guò)選取代表濕潤(rùn)、平均和干旱三種不同氣候條件的率定時(shí)期,并以基準(zhǔn)期這一率定時(shí)期作為對(duì)照組,探究了參數(shù)的非平穩(wěn)性對(duì)氣候變化研究的影響。本研究除使用傳統(tǒng)的單次最優(yōu)模擬法外,還提出了 k-模擬法。通過(guò)對(duì)比分析這兩種方法來(lái)研究參數(shù)的不確定性問(wèn)題對(duì)未來(lái)水資源預(yù)測(cè)的影響。本研究的主要工作和主要結(jié)論如下:(1)以地面實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)為依據(jù),使用四個(gè)評(píng)估降水產(chǎn)品時(shí)間序列和地面站點(diǎn)實(shí)測(cè)降水序列擬合情況的指標(biāo)(相關(guān)系數(shù)CC、平均均方根誤差RMSE、平均誤差ME和相對(duì)誤差BIAS)及三個(gè)評(píng)估降水事件準(zhǔn)確度的指標(biāo)(POD、FAR和CSI),在不同時(shí)空尺度(時(shí)間:日、月尺度;空間:子流域和整個(gè)流域)上評(píng)估了湘江和衢州流域上TRMM 3B42V7、PERSIANN-CDR和NCEP-CFSR三種降水?dāng)?shù)據(jù)。結(jié)果表明,TRMM3B42V7在月尺度上相關(guān)系數(shù)最大且誤差最小,因此表現(xiàn)最優(yōu);PERSIANN-CDR表現(xiàn)次之;NCEP-CFSR表現(xiàn)最差。(2)在基于SWAT模型的水文模擬方面,PERSIANN-CDR和3B42V7不論是在日尺度還是月尺度,均表現(xiàn)出較好的徑流模擬能力,但NCEP-CFSR在不同流域上表現(xiàn)不一致,波動(dòng)較大。相較而言,3B42V7在逐日徑流模擬方面表現(xiàn)最優(yōu),PERSIANN-CDR模擬的徑流表現(xiàn)出高水被低估的現(xiàn)象,而NCEP-CFSR模擬的徑流與PERSIANN-CDR正好相反,其高水被嚴(yán)重高估。在極端事件(最大日、最大三日和最大五日降水/徑流)方面,PERSIANN-CDR低估了降水極值,同時(shí)其模擬的徑流極值也被低估。NCEP-CFSR與PERSIANN-CDR表現(xiàn)正好相反。(3)比較評(píng)估PERSIANN-CDR和16個(gè)全球氣候模式CMIP5的降水估計(jì)和徑流模擬兩方面的表現(xiàn),尤其分析了其在降水和徑流極端事件方面的表現(xiàn)。結(jié)果表明,PERSIANN-CDR在氣候變化研究領(lǐng)域有很大的價(jià)值,特別是在極端降水事件方面。CMIP5模式的降水估計(jì)和降水極值在使用PERSIANN-CDR偏差糾正后均得到了很大的改善。對(duì)于PERSIANN-CDR對(duì)CMIP5降水估計(jì)的偏差糾正對(duì)徑流模擬的影響,結(jié)果顯示16個(gè)模式中有11個(gè)模式的徑流模擬因?yàn)槠浣邓?jīng)PERSIANN-CDR偏差糾正得到了改善。在徑流極值方面,PERSIANN-CDR對(duì)CMIP5降水估計(jì)偏差糾正的作用并不穩(wěn)定,16個(gè)模式中只有8個(gè)模式降水模擬的徑流極值因?yàn)槠浣邓钠罴m正得到了改善。(4)對(duì)參數(shù)的可移植性和不確定性的研究結(jié)果表明,率定期為濕潤(rùn)時(shí)期時(shí)率定得到的參數(shù)移植到研究時(shí)期(驗(yàn)證期或未來(lái)時(shí)期)也是濕潤(rùn)氣候條件時(shí)表現(xiàn)最好。而當(dāng)研究時(shí)期為干旱氣候條件時(shí),率定期為基準(zhǔn)期時(shí),模型模擬效果最優(yōu)。對(duì)于未來(lái)時(shí)期(2011-2040)的逐日高水而言,率定期為干旱時(shí)期時(shí)不確定性最大,而逐日中水和低水的最大不確定性源于率定期為平均時(shí)期得到的參數(shù)組。對(duì)于未來(lái)時(shí)期(2011-2040)的年徑流而言,最大的不確定性是率定期為平均時(shí)期對(duì)應(yīng)的模擬結(jié)果,其次是率定期為濕潤(rùn)時(shí)期的模擬結(jié)果,干旱時(shí)期為率定期時(shí)模擬的年徑流不確定性最小。此外,結(jié)果還表明,率定期為濕潤(rùn)和平均時(shí)期時(shí)最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)對(duì)應(yīng)的參數(shù)模擬出的季徑流相較于k-模擬法模擬的季徑流而言偏低,而率定期為基準(zhǔn)期時(shí)基本高于k-模擬法模擬的季徑流。相較而言,k-模擬法可以降低水資源管理中由于高估或低估而存在的風(fēng)險(xiǎn)。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：P333

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本文編號(hào)：1260246