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水循环规律及内在机制的掌握直接影响流域水资源管理的合理性与科学性,分布式水文模型是水文模拟的有效手段。然而,很长一段时间水文研究多是着眼于有资料流域,对于无资料或缺资料地区的研究甚少。如何开展缺资料流域的水文过程模拟,进而发展能够满足变化环境下缺资料流域水文分析理论和方法,已成为最近国际上水资源与水环境研究的难点及热点问题之一。目前缺资料流域水文模拟面临的两大瓶颈即如何优选合适的水文模型,以及如何获取驱动模型的水文参数和变量。本文围绕这两个问题开展研究,探索缺资料地区分布式水文模拟技术,主要研究内容及结论如下:
(1)从数据可获取性及遥感在水文中的可用性着手,对分布式时变增益水文模型(DTVGM)部分模块进行改进,构建了遥感驱动的分布式时变增益水文模型(RS-DTVGM),模型大部分水文变量与参数能直接或间接地以遥感技术获取,削弱了水文模拟对地面观测数据的依赖,比较适合于缺资料流域。基于ENVI/IDL平台开发了RS-DTVGM模型系统,实现了水文模型与输入数据、输出应用的对接。
(2)从不同时间尺度上对TRMM和FY-2遥感降水量产品在高纬度地区的精度进行评价。分析认为,TRMM对高纬度地区降水量的估计效果不好,估计降水量较实测小,且无明显的误差分布规律;FY-2降水估计产品精度总体上较好,年、月、8天尺度的降水量均有较好的精度,日尺度上,由于实测数据与FY-2产品存在12小时的偏差,精度较低;另FY-2降水产品存在明显错误现象(不合理的高值)。
(3)基于MODIS LST产品开展了大气温度遥感推求技术研究,发展了简单统计法和Klemen高级统计法相结合的大气温度遥感推求方法,并耦合NCEP/NCAR地面气温实现了遥感瞬时气温到日均气温的转变,提出了一种相对简单的耦合DEM和时间间隔分别进行空间和时间上遥感数据缺值区的插值方法,能为分布式水文模型提供时空连续的气温输入数据。
(4)以MODIS陆地产品为主要数据源,采用遥感与传统模型相结合的方法,基于能量平衡原理和Priestley-Taylor公式,估算卫星过境时刻的瞬时潜在蒸散发,结合余弦曲线法推算日潜在蒸散发,直接为实际蒸散发模块提供输入。模拟的总体效果较好,但是对于极值的模拟效果不够理想。
(5)以我国西北地区典型缺资料流域——特克斯河流域为例,耦合公用平台提供的多源、多分辨率的遥感和GIS数据产品,推求RS-DTVGM的水文变量与参数,构建水文空间信息数据库,开展流域水文过程数值模拟,检验模型的精度。结果显示,在不依赖地面观测数据的情况下,RS-DTVGM日尺度水文过程模拟的Nash效率系数为0.5~0.6,水量平衡指数为0.9~1.1,相关系数R2为0.5~0.6。
本文在缺资料流域分布式水文模型的遥感驱动方面开展了探索性的研究工作,包括遥感水文模型构建和几个关键变量的遥感推求技术研究,具有一定的创新性。但是,研究中仍存在一些不足之处,主要包括:一是研究中直接引入了大量具有不确定性的遥感数据产品,产品的分辨率也不尽相同,在未经过精度校验和尺度转化的情况下,误差累计和尺度效应会加大模型的不确定性;二是遥感数据的时空连续性较差,对于数据缺失研究中采用较为简单的插值方法,其在估算变化规律并不明显的气温等参数的理论依据并不充分,会降低参数估算精度;三是受资料、技术和时间等条件的限制,改进的模型和提出的参数遥感推求方法暂未得到更高程度的检验,如高海拔地区的应用效果等,同时改进模型相比原有模型的优势分析暂未开展,这些都是将来的研究工作中有待于进一步深入和完善的问题。