WRF/Grid-XAJ 雙向耦合系統(tǒng)構(gòu)建及其暴雨洪水模擬應(yīng)用

摘要： 為解決陸氣雙向耦合中氣象與水文模型不易匹配的問題，基于質(zhì)量守恒原理，以土壤含水量為紐帶，構(gòu)建高效的WRF/Grid-XAJ 雙向耦合（雙耦）系統(tǒng)。通過屯溪流域2 場洪水事件分析發(fā)現(xiàn)：模型權(quán)重參數(shù)可定量評估水文-氣象模型耦合的相容性；降水同化后，雙耦系統(tǒng)的降水峰值模擬精度稍好于WRF 模型（誤差在±5% 內(nèi)）；雙耦較單向耦合（單耦）系統(tǒng)能更準(zhǔn)確地反映土壤含水量；降水同化前，雙耦和單耦系統(tǒng)低估了洪水過程；同化后兩者的模擬結(jié)果提升且與Grid-XAJ 模型接近（三者納什效率系數(shù)ENS＞0.85），其中雙耦系統(tǒng)洪峰模擬效果最好（誤差在±11% 內(nèi)），說明WRF/Grid-XAJ 雙耦系統(tǒng)在暴雨洪水模擬預(yù)報(bào)方面有較好的應(yīng)用潛力，為水文-氣象模型雙向反饋建模提供了新思路。

關(guān)鍵詞： 陸氣雙向耦合；分布式水文氣象模型；Grid-XAJ 模型；WRF 模型；洪水模擬

中圖分類號： TV122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1001-6791（ 2024） 05-0752-11

極端降水頻發(fā)背景下，如何有效模擬預(yù)報(bào)暴雨洪水過程是重要的科學(xué)問題。暴雨預(yù)報(bào)采用數(shù)值天氣模式，如WRF（ Weather Research and Forecasting） 模型[1]； 洪水預(yù)報(bào)采用水文模型， 如柵格新安江（ Grid-XAJ） 模型[2-3]。20 世紀(jì)90 年代開始出現(xiàn)將2 類模型相結(jié)合的陸氣耦合建模研究[4]，對延長洪水預(yù)報(bào)預(yù)見期具有積極意義[5]。據(jù)兩者是否存在互饋，耦合建模方式可分為單向耦合（單耦）和雙向耦合（雙耦）[6-7]，前者將天氣模式的輸出作為水文模型的輸入，后者是兩者存在雙向互饋?zhàn)饔?。盡管雙耦建模難度高，但能更真實(shí)合理地模擬陸地水文循環(huán)過程[7-8]。

陸氣雙向耦合建模的嘗試從20 世紀(jì)90 年代末開始，在2015 年WRF/WRF-Hydro 雙耦系統(tǒng)提出后逐漸成為水文氣象學(xué)科的研究熱點(diǎn)。M?lders 等[9] 和Seuffert 等[10] 分別于1997 年和2002 年建立GESIMA/NASMO 和Lokal/TOPLATS 雙耦系統(tǒng)， 考慮陸面對降水的反饋?zhàn)饔谩axwell 等[11] 和Wagner 等[12] 分別于2011 年和2016 年建立WRF/Parflow 和WRF/HMS 雙耦系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)在水資源模擬中有較好的效果。2015 以來，美國國家氣象研究中心提出了WRF/WRF-Hydro 雙耦系統(tǒng)，在世界多個(gè)地區(qū)的水文氣象模擬中有較好的應(yīng)用潛力[7， 13]。雙耦建模的思路可總結(jié)為中間介質(zhì)法、水文模型陸面化法和陸面模式水文化法：①方法一指在氣象-水文模型間利用合理介質(zhì)支撐變量交互，例如Maxwell 等[11] 以Noah 陸面模式為紐帶構(gòu)建WRF/Parflow；②方法二指在水文模型基礎(chǔ)上增加能量等模塊， 將其修改為陸面模式并作為氣象模型的下邊界進(jìn)行互饋， 例如，Seuffert 等[10] 利用基于水文模型TOPMODEL 修改的陸面模式TOPLATS 構(gòu)建Lokal/TOPLATS；③方法三是指在傳統(tǒng)的一維垂向陸面模式中增加可互饋的、精細(xì)的二維橫向匯流模塊實(shí)現(xiàn)雙向互饋，例如，基于Noah 陸面模式開發(fā)的WRF-Hydro 模型[7， 14-15]。多項(xiàng)國際大型研究計(jì)劃均強(qiáng)調(diào)氣象-水文耦合研究的重要性[6， 16-17]。然而由于2 類模型獨(dú)立發(fā)展，雙耦建模面臨巨大挑戰(zhàn)。中間介質(zhì)法偏向于以陸面模式為介質(zhì)，其他介質(zhì)鮮有研究[16]；方法二、三的核心是用改進(jìn)的模型替換天氣模式中內(nèi)置的陸面模式[6-7]，這涉及大量結(jié)構(gòu)化修改和適配驗(yàn)證工作。楊傳國等[6] 指出雙耦建模的難點(diǎn)為模型間的不匹配性和有效數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方案的缺乏。因此，如何實(shí)現(xiàn)兩者高效雙耦是重要的科學(xué)問題[8]。

屯溪流域是Grid-XAJ 模型構(gòu)建應(yīng)用的重要示范流域[2-3]。韋經(jīng)豪等[18] 在該流域?qū)? 種廣泛使用的降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行評價(jià)，發(fā)現(xiàn)隨著降水量增加預(yù)報(bào)精度下降，說明單靠氣象產(chǎn)品進(jìn)行水文模擬存在一定局限性。因此，在屯溪流域進(jìn)行雙耦建模具有重要意義。本文基于WRF 和Grid-XAJ 模型，采用中間介質(zhì)法構(gòu)建高效的WRF/Grid-XAJ 雙耦系統(tǒng)，以土壤含水量為橋梁構(gòu)建不同時(shí)空分辨率的尺度轉(zhuǎn)換機(jī)制，無需對兩者進(jìn)行額外大幅修改，實(shí)現(xiàn)水文氣象互饋機(jī)制的流域水文循環(huán)模擬，并與單耦系統(tǒng)和Grid-XAJ 模型對比，評估其在屯溪流域暴雨洪水模擬預(yù)報(bào)中的應(yīng)用潛力。