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1、建立基于RS和GIS的大尺度水文模型全国径流模拟系统刘志雨1 林朝辉2 谢正辉2（1水利部水文局 2中国科学院大气物理所）【摘 要】 我国水问题主要表现为水资源短缺、洪涝灾害、水土流失和水环境恶化等。在水资源方面，我国水资源时空分布不均，人均占有量偏少，利用效率低。近年来，我国北方大部分地区连续干旱，黄河、海河等流域缺水严重，特别是华北地区，出现了较为严重的缺水局面，给工农业生产和人民生活造成很大影响。因此，对严重的旱涝灾害趋势尽早地做出预测，则可预测出水资源近期的变化情景，就可提早对水资源进行合理的调控，从而大大减轻严重气候灾害所造成的国民经济和人民生命财产的损失。笔者根据遥感(RS)和地理
2、信息系统（GIS）等高新技术在水文、水资源和环境中应用的研究成果，提出了建立基于RS和GIS的大尺度水文模型全国径流模拟系统的基本思路和根据，并建议应抓住机遇，积极开展此项生产性研究工作。【关键词】 大尺度;改进的VIC水文模型;GIS;径流模拟1. 问题的提出我国地处东亚季风区，大范围的旱涝等气候灾害频繁发生。在水资源方面，近年来我国北方大部分地区连续干旱，黄河、海河流域等缺水严重，特别是华北地区，人均水资源仅300400m3，出现了较为严重的缺水局面，给工农业生产和人民生活造成很大影响。因此，对严重的旱涝灾害趋势尽早地（提前一个季度或者一年）做出预测，则可预测出水资源近期的变化情景，就可提
3、早对水资源进行合理的调控（如春季上游水库的蓄水、放水，跨流域的调水等措施），从而大大减轻严重气候灾害所造成的国民经济和人民生命财产的损失。水情部门作为防汛、抗旱的耳目和参谋，必须紧密结合水资源管理的各项任务，开展水资源的预测预报及调度分析工作，特别是加强对非汛期（即通常所说的“枯季”）中长期径流预测预报，为水资源的合理配置和水量调度服务。径流来源主要是滞留于流域内的土壤蓄水量、地下水和降水量。目前，中长期径流预报主要是为了改善水资源的合理利用而提供的区域性河流径流和水库来水量的枯季径流预测服务，采用的方法大多为数学统计模型和概念性水文模型，不能很好地模拟气象要素（如降雨、蒸散发）的时空变化和流
4、域下垫面条件（如地形、地貌、植被和土壤等）非均匀性。笔者根据遥感(RS)和地理信息系统（GIS）等高新技术在水文、水资源和环境中应用的研究成果，提出建立基于RS和GIS的大尺度水文模型全国径流模拟系统，即将当前土壤含水量、短期气候预测成果（一个季度或者一年）以及当前预报的气象信息输入具有物理基础的分布式大尺度水文模型中，生成模拟全国各流域主要产流区径流时间序列。根据径流中长期预报的各流域主要江河来水情况，并结合流域内水库蓄水、地下水埋深和用水需求情况，分析水资源供需关系，为水资源的合理配置和水量调度提供科学的依据。2. 基于RS和GIS的大尺度水文模型全国径流模拟系统在拟建立的全国径流模拟系统
5、中，短期气候预测模型和大尺度水文模型是核心，GIS平台和模型系统是实现手段。利用RS技术能较准确地提供流域地质、地形、地貌、植被、土地利用、土壤类型、河流水系等许多下垫面条件的信息。GIS主要是为分布式水文模型、水文气象耦合模型和更有效地利用与管理各种空间分布数据提供工具。GIS数据平台既是模型系统运转的数据输入基础，也是模型系统输出结果的可视化表达环境。短期气候模型可为天气系统的模拟、监测和预测提供气候、气象资料，预报产品不但包括降水，而且还包括温度，同时还可以给出大尺度背景场、大气中水汽含量、风场、水汽输送等。根据气候模型的预报产品，结合下垫面的植被覆盖情况，可计算全国范围的中长期蒸散发能
6、力时空分布过程，从而输入到水文模型中。径流模拟系统中的大尺度水文模型建立在数字高程模型（DEM）基础之上，通过DEM可以提取大量的陆地表面形态信息，这些信息包含流域格网单元的坡度、坡向以及单元间的关系等，同时可以结合实际的河流水系确定地表水路径、河流网络和流域的边界。在DEM所划分的流域网格单元上建立水文模型，模拟流域单元内土壤植被大气系统中水的运动，并考虑单元网格之间水平方向的联系，进行地表水和地下水的演算。径流模拟系统中的GIS平台具体可实现如下一些功能：（1）RS/GIS及水文气象数据管理，如DEM、土地利用图、水文气象站点属性、水文气象数据等；（2）水文循环要素信息提取，如流域边界、河
7、网、坡度坡向、水流方向、网格划分、土地利用类型、土壤类型等；（3）模拟计算结果的可视化表达，如模拟结果中月径流的空间分布。基于RS和GIS的大尺度水文模型全国径流模拟系统结构如图1所示。图1 基于GIS的大尺度水文模型全国径流模拟系统框图3. 可行性分析3.1 短期气候预测作为国际上最早开展数值气候预测的单位之一，中国科学院大气物理研究所早在1988年就率先利用气候系统模式开展跨季度数值气候预测，随后在此基础上建立了IAP短期气候预测系统1,2。有别于一般的统计学模型，该数值气候预测系统是基于大气海洋动力学模式的基础上建立起来的，总体说来由五个分系统组成的：（1）IAP ENSO预测系统（IA
8、P-TOGA.I加海洋初值形成技术），（2）积分方案和“距平耦合”技术系统，（3）集合预测技术系统，（4）订正系统，（5）预测产品和分析系统。IAP 短期数值气候预测系统结构见图2。该预测系统从1998年起更是连续5年（19982002）很好地预报出我国夏季的大范围旱涝灾害，如1998年夏季发生在我国长江流域和东北松花江、嫩江流域的特大洪涝灾害；1999年我国南涝北旱的大范围旱涝形势；2000年我国主要雨带位于黄淮之间，而北方地区持续干旱少雨的形势。另外该预测系统对2001我国北方大部地区干旱少雨，而在长江下游地区存在降水正距平中心的大范围旱涝形势也预报得很好。特别需要指出的，1999年该预测
9、系统所作出的预测是全国所有预测方法中预报效果最为成功的一个，其预测评分为66.4，相关系数为0.14，是唯一正确预测出我国南涝北旱大范围旱涝形势的预测系统。同样对2000年夏季旱涝形势的预测，IAP跨季度数值气候预测的预测结果也是最好的，其预测评分为79分，相关系数为0.25。此外该预测系统还很好地预测出2002年夏季我国华北、东北干旱少雨的大范围形势，同时预报出来的长江下游以及我国南方大部的降水正距平区也与观测实况十分接近。此外，该预测系统也在预测实践中得到不断的改进和完善，现今已经发展成为滚动式的预报系统，亦即可以在任何时候开展任何时段的气候异常预测。因此目前的预测业务已不仅仅只是集中在夏
10、季，而且已经扩展到春季、冬季气候异常的跨季度和年度预测（提前一个季度至一年）。图2 IAP 短期数值气候预测系统框图3.2 径流预报模型和方法目前，中长期径流预报主要是为了改善水资源的合理利用而提供的区域性河流径流和水库来水量的枯季径流预测服务，采用的方法大多为数学统计模型，如退水曲线法、前后期径流量相关法、河网蓄水量法、前后径流模数相关法等, 只有少数为概念性水文模型，如美国国家天气局河流预报系统（NWSRFS）的中长期径流预报（ESP）模型中采用的就是萨克门托土壤湿度计算水文模型。近年来，随着遥感(RS)和地理信息系统（GIS）等高新技术在水文、水资源和环境的应用研究不断深入，在传统的统计
11、学模型、概念性模型的基础上，趋向于研制和应用具有物理概念的网格化的分布式水文模型3，以便更好地模拟气象要素（如降雨、蒸散发）的时空变化和流域下垫面条件（如地形、地貌、植被和土壤等）非均匀性。本径流模拟系统中拟采用VIC-3L（Variable Infiltration Capacity-3Lays）模型4,5作为径流计算的水文模型，并对其土壤蓄水容量曲线和土壤深度参数的获取方法作适当的改进。VIC模型是一个具有一定物理概念的大尺度水文模型，它将土壤分为三层，顶层分出一个0.1m的薄层，它允许土壤层与层之间的土壤水的扩散，并考虑了表层土壤水动态变化的描述和地下水水位的动态表示，同时考虑了蓄满产流
12、和超渗产流机制（见图3）以及土壤、植被性质的次网格非均匀性的径流机制。VIC-3L模型可同时进行陆-气间能量平衡和水量平衡的模拟，输出每个格点上的径流深和蒸散发，再通过汇流模型将网格上的径流深转化成流域出口断面的流量过程，弥补了传统水文模型对热量过程描述的不足。该模型已分别用于美国的Mississippi、Columbia、Arkansas-Red等流域以及Delaware等大尺度区域径流模拟。在我国，谢正辉等人以VIC-3L模型为基础，构建了气候变化对中国径流影响评估模型的框架，建立了与土地覆盖类型及土壤质地有关的全国60km网格植被参数库和土壤参数库，完成了740个站点包含19801990
13、年11年日资料的强迫数据在全国60km网格上的插值。VIC模型在全国2604个网格上连续运行，独立输出每个网格上19801990年的日径流深（mm）系列，结果显示网格多年平均计算径流深与多年平均降水在空间分布上呈现良好的对应关系，他们还对淮河流域蚌埠以上区域和渭河部分流域的模拟与实测月流量过程进行了对比分析，结果显示月过程峰形吻合较好。图3 VIC-3L模型中(a)上层土壤蓄水能力的空间分布, (b)上层土壤在超渗产流中入渗能力的空间分布3.3数据来源及模型参数地形、土壤和植被等网格资料可从因特网（Internet）上免费获取。可以从美国地质调查局（USGS）提供的GTOPO30公共域的服务获
14、取全球各区域相当于1 km网格尺度的数字高程网格资料，从美国马里兰大学（UMD）网站可以下载全球相当于1 km网格尺度的植被网格资料，从美国国家航空和宇宙航行局（NASA）哥世德航天中心（GSFC）的全球土地资料同化系统（GLDAS）中可以获取相当于10 km网格尺度的土壤栅格资料。大尺度水文模型在每个网格上独立运行，因此参数文件及数据文件需按网格来准备。在对大尺度水文模型的应用研究中，模型的参数仍主要是通过实测资料率定。当研究扩大到区域、大陆乃至全球尺度，务必使工作量巨增，也将缺乏实测资料。目前数字地形模型技术已经成熟，流域地形、植被、土壤、分水线、河网、子流域的表述及积水面积的计算完全能用
15、数字化技术实现，可在地理信息与模型参数之间建立关系。（1）植被参数。对于每一种植被类型需要标定的参数有：结构阻抗、最小气孔阻抗、叶面指数、反照率、糙率、零平面位移及根区在每一层土壤所占的比例，这些参数的确定主要根据土地资料同化系统LDAS(Land Data Assimilation System)。LDAS中植被参数的确定分别参考了IGBP、BATS、 NCAR LSM、SiB、SiB2 和 Mosaic中的参数。（2）土壤参数。土壤质地分类是根据美国NOAA 水文办公室提供的全球5-min的土壤数据，并用0-30cm的分类代表一个网格内的土壤顶层和第二土层，用30-150cm的分类代表一个
16、网格内的土壤第三土层（深层）。 在土壤参数中一类是和土壤特性有关的参数，在模式中标定后就不再改动，如土壤饱和体积含水量（孔隙度）、饱和土壤水势、土壤饱和水力传导度及用于描述非饱和流的指数参数，这些参数的确定参考了相应的文献。另一类土壤参数，如VIC模型的土壤层深度和蓄水容量曲线参数，可从全球FAO土壤数据库中通过计算获取（见图4）。图4 根据FAO土壤资料计算的流域土壤持水能力的空间分布曲线示意图4. 结语与讨论我国是一个洪涝、干旱灾害频繁发生的国家，近年来北方水资源短缺的问题更加突出，如何更好利用现有的短期气候预测产品，对其进行释用研究，并将其用之于水文、水资源领域研究，进而在水资源的调控中
17、发挥其应用的作用，正是气象学与水文学的学科交叉点，建议应抓住机遇，积极开展此项生产性研究工作。本文提出的基于RS和GIS的大尺度水文模型全国径流模拟系统，是以改进的VIC-3L模型和短期气候预测模型为核心，以GIS平台和模拟系统为实现手段。VIC-3L模型与气候模式的连接运行是本研究的最终目的。有两种方式：（1）气候模式预测的结果作为VIC-3L模型的输入，然后给出未来的水资源预测；（2）VIC-3L模型作为气候模式的下边界，真正做到和气候模式耦合，同时给出降水、气温和径流的预测。在拟建立的全国径流模拟系统中，VIC-3L模型是作为大尺度水文模型来应用的，与气候模型的连接仍只限于第一种方式，在
18、后续的研究中真正实现水文模型与气候模式的耦合并用到业务中去是我们的努力方向。VIC-3L模型中亦有一些参数需要确定，如植被反照率、叶面指数、气孔阻抗、根带分布以及与土壤特性有关的参数等，这些参数有可能在小尺度准确获得，却很难用于大尺度，点尺度或小尺度的参数如何用于GCM网格是关键问题。VIC-3L模型用于水量平衡模拟时，需要通过实测资料来率定一些经验以及半经验的参数，如何确定计算网格上的参数是陆面参数化方案实现对大尺度区域水量平衡模拟必需解决的问题。参考文献1. 林朝晖等.IAP PSSCA 的改进及其对1998全国汛期旱涝形势的预测，气候与环境研究，1998,3(4),339-348。2.
19、曾庆存，林朝晖，周广庆，2003. 跨季度动力气候预测系统（IAP DCP-II），大气科学,2003,27(3),289-303。3. Liu Zhiyu and Todini Ezio. Towards a comprehensive physically based rainfall runoff model. Hydrology and Earth System Sciences, 2002, 6(5), 859-881.4. Liang Xu, Xie Zhenghui. A New Surface Runoff Parameterization with subgrid-scale
20、 soil heterogeneity for land surface models, Advances in Water Resources, 2001, 24(9-10), 1173-1192.5. Xie Zhenghui, Fengge Su, Liang Xu et al. Applications of a surface runoff model with Horton and Dunne runoff for VIC, Advances in atmosphere science, 2003,20(2),165-172. 第一作者作者简介 刘志雨（1968.10-），江苏泰县
21、人， 2002年2月毕业于意大利波罗尼亚(Bologna)大学，博士，水利部水文局高级工程师，1998年获科技部表彰的“98抗洪科技先进个人”荣誉称号。联系地址：北京水利部水文局 白广路二条2号 邮编 100053。联系电话：63202425、传真：63548035。电子信箱：liuzy。Editors note: Judson Jones is a meteorologist, journalist and photographer. He has freelanced with CNN for four years, covering severe weather from tornado
22、es to typhoons. Follow him on Twitter: jnjonesjr (CNN) - I will always wonder what it was like to huddle around a shortwave radio and through the crackling static from space hear the faint beeps of the worlds first satellite - Sputnik. I also missed watching Neil Armstrong step foot on the moon and
23、the first space shuttle take off for the stars. Those events were way before my time.As a kid, I was fascinated with what goes on in the sky, and when NASA pulled the plug on the shuttle program I was heartbroken. Yet the privatized space race has renewed my childhood dreams to reach for the stars.A
24、s a meteorologist, Ive still seen many important weather and space events, but right now, if you were sitting next to me, youd hear my foot tapping rapidly under my desk. Im anxious for the next one: a space capsule hanging from a crane in the New Mexico desert.Its like the set for a George Lucas mo
25、vie floating to the edge of space.You and I will have the chance to watch a man take a leap into an unimaginable free fall from the edge of space - live.The (lack of) air up there Watch man jump from 96,000 feet Tuesday, I sat at work glued to the live stream of the Red Bull Stratos Mission. I watch
26、ed the balloons positioned at different altitudes in the sky to test the winds, knowing that if they would just line up in a vertical straight line we would be go for launch.I feel this mission was created for me because I am also a journalist and a photographer, but above all I live for taking a le
27、ap of faith - the feeling of pushing the envelope into uncharted territory.The guy who is going to do this, Felix Baumgartner, must have that same feeling, at a level I will never reach. However, it did not stop me from feeling his pain when a gust of swirling wind kicked up and twisted the partiall
28、y filled balloon that would take him to the upper end of our atmosphere. As soon as the 40-acre balloon, with skin no thicker than a dry cleaning bag, scraped the ground I knew it was over.How claustrophobia almost grounded supersonic skydiverWith each twist, you could see the wrinkles of disappoint
29、ment on the face of the current record holder and capcom (capsule communications), Col. Joe Kittinger. He hung his head low in mission control as he told Baumgartner the disappointing news: Mission aborted.The supersonic descent could happen as early as Sunday.The weather plays an important role in
30、this mission. Starting at the ground, conditions have to be very calm - winds less than 2 mph, with no precipitation or humidity and limited cloud cover. The balloon, with capsule attached, will move through the lower level of the atmosphere (the troposphere) where our day-to-day weather lives. It w
31、ill climb higher than the tip of Mount Everest (5.5 miles/8.85 kilometers), drifting even higher than the cruising altitude of commercial airliners (5.6 miles/9.17 kilometers) and into the stratosphere. As he crosses the boundary layer (called the tropopause), he can expect a lot of turbulence.The b
32、alloon will slowly drift to the edge of space at 120,000 feet (22.7 miles/36.53 kilometers). Here, Fearless Felix will unclip. He will roll back the door.Then, I would assume, he will slowly step out onto something resembling an Olympic diving platform.Below, the Earth becomes the concrete bottom of
33、 a swimming pool that he wants to land on, but not too hard. Still, hell be traveling fast, so despite the distance, it will not be like diving into the deep end of a pool. It will be like he is diving into the shallow end.Skydiver preps for the big jumpWhen he jumps, he is expected to reach the spe
34、ed of sound - 690 mph (1,110 kph) - in less than 40 seconds. Like hitting the top of the water, he will begin to slow as he approaches the more dense air closer to Earth. But this will not be enough to stop him completely.If he goes too fast or spins out of control, he has a stabilization parachute
35、that can be deployed to slow him down. His team hopes its not needed. Instead, he plans to deploy his 270-square-foot (25-square-meter) main chute at an altitude of around 5,000 feet (1,524 meters).In order to deploy this chute successfully, he will have to slow to 172 mph (277 kph). He will have a
36、reserve parachute that will open automatically if he loses consciousness at mach speeds.Even if everything goes as planned, it wont. Baumgartner still will free fall at a speed that would cause you and me to pass out, and no parachute is guaranteed to work higher than 25,000 feet (7,620 meters).It m
37、ight not be the moon, but Kittinger free fell from 102,800 feet in 1960 - at the dawn of an infamous space race that captured the hearts of many. Baumgartner will attempt to break that record, a feat that boggles the mind. This is one of those monumental moments I will always remember, because there is no way Id miss this.
