多普勒雷達(dá)降水反演及其與改進(jìn)的區(qū)域氣候模式RIEMS的同化研究

邵月紅

南京信息工程大學(xué)應(yīng)用水文氣象研究院,江蘇南京210044

在前人構(gòu)建的陸面水文過(guò)程模型 TOPX和區(qū)域氣候模式RIEMS的耦合模式的框架基礎(chǔ)上,針對(duì)耦合模式中RIEMS對(duì)降水和蒸散發(fā)的模擬精度較低,RIEMS和TOPX模式之間尺度不匹配等進(jìn)行研究,結(jié)果如下:

(1)多普勒雷達(dá)資料的定量估測(cè)降水方面。首先,獲取研究區(qū)最佳的雷達(dá)反射率-雨強(qiáng)(Z-I)關(guān)系。選擇改進(jìn)的最佳窗概率配對(duì)法(WPMM)、遺傳算法(GA)和最優(yōu)化法(OM)分別建立研究區(qū)的Z-I關(guān)系,并對(duì)其精度進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明WPMM最優(yōu)。因此選取WPMM作為該研究區(qū)域的最佳Z-I關(guān)系。第二,通過(guò)雷達(dá)雨量計(jì)聯(lián)合校正法得到較高精度的面降雨量。在最佳Z-I關(guān)系的基礎(chǔ)上,采用雷達(dá)雨量計(jì)聯(lián)合校正法來(lái)進(jìn)一步提高雷達(dá)定量估測(cè)降水的精度,獲取高精度的面雨量。采用平均校準(zhǔn)法、最優(yōu)插值法、卡爾曼濾波法、變分法、卡爾曼變分法和卡爾曼最優(yōu)插值法六種雷達(dá)雨量計(jì)聯(lián)合校準(zhǔn)法來(lái)進(jìn)行雷達(dá)定量估測(cè)降水研究。結(jié)果表明:在站點(diǎn)的估測(cè)和空間分布上,卡爾曼最優(yōu)插值法得到的降水量與觀測(cè)值(觀測(cè)場(chǎng))最接近,受閾值的影響輕微,相對(duì)穩(wěn)定,平均相對(duì)誤差最低,估測(cè)精度最高。

(2)基于集合卡爾曼濾波(EnKF)同化算法和RIEMS的降水?dāng)?shù)據(jù)同化方案。利用EnKF以RIEMS為模型算子,雷達(dá)為觀測(cè)算子發(fā)展估算區(qū)域降水量的同化方案,同化雷達(dá)反演降水信息,并測(cè)試了隨機(jī)擾動(dòng)矩陣不同方差和集合樣本大小對(duì)同化降水量的影響,通過(guò)臨沂流域6個(gè)實(shí)測(cè)站點(diǎn)的降水進(jìn)行驗(yàn)證。其主要結(jié)論如下:在站點(diǎn)尺度和空間分布上,通過(guò)EnKF同化后,有效融合了高時(shí)空分辨率的雷達(dá)觀測(cè)信息,使得降雨量的精度比同化前有了明顯的提高,使同化的降雨量在空間分布和強(qiáng)度上與觀測(cè)場(chǎng)更加接近。同時(shí)對(duì)隨機(jī)擾動(dòng)矩陣方差和樣本大小的同化測(cè)試試驗(yàn)表明當(dāng)方差為2.0、樣本成員數(shù)目在50～80之間時(shí),同化的降雨量在空間分布格局和中心強(qiáng)度上達(dá)到最優(yōu)狀態(tài),與觀測(cè)的降雨量最吻合。綜上所述,本文發(fā)展的降水?dāng)?shù)據(jù)同化方案能夠有效的改善降雨的模擬精度。

(3)RIEMS和 TOPX的耦合。改進(jìn)的 TOPX在半干旱半濕潤(rùn)的臨沂流域離線測(cè)試效果良好。確定性系數(shù)(Nash)、相關(guān)系數(shù)、流量平均相對(duì)誤差三個(gè)指數(shù)表明:在率定期和驗(yàn)證期TOPX模擬的徑流量都能達(dá)到令人滿意的結(jié)果,其中日、月模擬結(jié)果Nash分別在0.724～0.790和0.853～0.905之間,進(jìn)一步分析土壤含水量等中間變量的模擬結(jié)果。結(jié)果表明:數(shù)值模擬合理,空間分布形態(tài)與客觀規(guī)律相近,說(shuō)明TOPX水文模型結(jié)構(gòu)合理,能夠很好地描述流域中重要的產(chǎn)匯流機(jī)制及中間水文過(guò)程,在研究區(qū)的模擬效果令人滿意。第二,耦合模式中通過(guò)不同方法計(jì)算獲取較高精度的蒸散發(fā)量。蒸散發(fā)的獲取主要通過(guò)RIEMS輸出的氣溫、濕度、風(fēng)速和太陽(yáng)輻射等氣象因子采用彭曼(P-M)、Pristley-Tayler(P-T)、Hargreaves-Samani(Harg)和雙線性曲面回歸經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?BEF)來(lái)計(jì)算得到。四種方法結(jié)果表明:BEF的模擬值與觀測(cè)值最接近,精度最高;其他三種方法的精度比較接近。第三,耦合模式在線成功模擬,降水改進(jìn)后水文模擬效果明顯改善。耦合模式對(duì)水文過(guò)程日、月徑流量的模擬與觀測(cè)值在總體趨勢(shì)上比較一致,但模擬的峰值和峰現(xiàn)時(shí)間存在著不同程度的誤差。而在降水同化后,耦合模式模擬結(jié)果明顯改善,日模擬結(jié)果 Nash系數(shù)從-1.57提高到0.53,相關(guān)系數(shù)從0.49提高到0.79。改進(jìn)的耦合模式對(duì)重要水文過(guò)程空間分布模擬結(jié)果表明:數(shù)值模擬合理,空間分布形態(tài)與客觀規(guī)律一致。精度較高的降水量和蒸散發(fā)量使得水文過(guò)程的土壤平均含水量、流域徑流深等變量重新配置,進(jìn)一步得到精度較高的徑流量的模擬結(jié)果。