多普勒雷達降水反演及其與改進的區域氣候模式RIEMS的同化研究

邵月紅

南京信息工程大學應用水文氣象研究院,江蘇南京210044

在前人構建的陸面水文過程模型 TOPX和區域氣候模式RIEMS的耦合模式的框架基礎上,針對耦合模式中RIEMS對降水和蒸散發的模擬精度較低,RIEMS和TOPX模式之間尺度不匹配等進行研究,結果如下:

(1)多普勒雷達資料的定量估測降水方面。首先,獲取研究區最佳的雷達反射率-雨強(Z-I)關系。選擇改進的最佳窗概率配對法(WPMM)、遺傳算法(GA)和最優化法(OM)分別建立研究區的Z-I關系,并對其精度進行評估。結果表明WPMM最優。因此選取WPMM作為該研究區域的最佳Z-I關系。第二,通過雷達雨量計聯合校正法得到較高精度的面降雨量。在最佳Z-I關系的基礎上,采用雷達雨量計聯合校正法來進一步提高雷達定量估測降水的精度,獲取高精度的面雨量。采用平均校準法、最優插值法、卡爾曼濾波法、變分法、卡爾曼變分法和卡爾曼最優插值法六種雷達雨量計聯合校準法來進行雷達定量估測降水研究。結果表明:在站點的估測和空間分布上,卡爾曼最優插值法得到的降水量與觀測值(觀測場)最接近,受閾值的影響輕微,相對穩定,平均相對誤差最低,估測精度最高。

(2)基于集合卡爾曼濾波(EnKF)同化算法和RIEMS的降水數據同化方案。利用EnKF以RIEMS為模型算子,雷達為觀測算子發展估算區域降水量的同化方案,同化雷達反演降水信息,并測試了隨機擾動矩陣不同方差和集合樣本大小對同化降水量的影響,通過臨沂流域6個實測站點的降水進行驗證。其主要結論如下:在站點尺度和空間分布上,通過EnKF同化后,有效融合了高時空分辨率的雷達觀測信息,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度上與觀測場更加接近。同時對隨機擾動矩陣方差和樣本大小的同化測試試驗表明當方差為2.0、樣本成員數目在50～80之間時,同化的降雨量在空間分布格局和中心強度上達到最優狀態,與觀測的降雨量最吻合。綜上所述,本文發展的降水數據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。改進的 TOPX在半干旱半濕潤的臨沂流域離線測試效果良好。確定性系數(Nash)、相關系數、流量平均相對誤差三個指數表明:在率定期和驗證期TOPX模擬的徑流量都能達到令人滿意的結果,其中日、月模擬結果Nash分別在0.724～0.790和0.853～0.905之間,進一步分析土壤含水量等中間變量的模擬結果。結果表明:數值模擬合理,空間分布形態與客觀規律相近,說明TOPX水文模型結構合理,能夠很好地描述流域中重要的產匯流機制及中間水文過程,在研究區的模擬效果令人滿意。第二,耦合模式中通過不同方法計算獲取較高精度的蒸散發量。蒸散發的獲取主要通過RIEMS輸出的氣溫、濕度、風速和太陽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驗模型(BEF)來計算得到。四種方法結果表明:BEF的模擬值與觀測值最接近,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,降水改進后水文模擬效果明顯改善。耦合模式對水文過程日、月徑流量的模擬與觀測值在總體趨勢上比較一致,但模擬的峰值和峰現時間存在著不同程度的誤差。而在降水同化后,耦合模式模擬結果明顯改善,日模擬結果 Nash系數從-1.57提高到0.53,相關系數從0.49提高到0.79。改進的耦合模式對重要水文過程空間分布模擬結果表明:數值模擬合理,空間分布形態與客觀規律一致。精度較高的降水量和蒸散發量使得水文過程的土壤平均含水量、流域徑流深等變量重新配置,進一步得到精度較高的徑流量的模擬結果。