SDSM模型在海河流域统计降尺度研究中的适用性分析

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117b56c 40b58c 377 911 1 530
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115b31c 38b51c 17 1218 1 645
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117b10c 39b06c
3 1216 1 678
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116b17c 39b56c 54 1212 1 841
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117b43c 39b00c
3 1215 1 969
第 30 卷第 12 期 2008 年 12 月
文章编号: 1007- 7588( 2008) 12- 1825- 08
资源科学 RESOURCES SCIENCE
Vol. 30, No. 12 December, 2008
SDSM 模型在海河流域统计降尺度研究中的适用性分析
褚健婷1, 2, 夏 军1, 许崇育3
单易行, 在西方国家得到推广, 在我国, SDSM 曾被 用在黄河的中上游地区, 但是在海河地区的应用还 属空白[ 23, 24] 。
Fowler( 2007) [ 25] 认为目前还不能确定在水文评 价中最可靠的统计方法和最精确的结果, 即使在相 同流域, 降 尺度方法不同, 水文的响应 也有显著差 异, 所以具体的流域和具体问题不同, 所适用的统计 方法也不同。那么, 这种性能优越的 SDSM 方法是
个大尺度气候预报因子; F 即是建立的定量统计关 系;
SDSM 方法基于一种多元回归和随机天气发生
器相耦合的原理。大尺度预报因子被用作局地天气 发生器的参数, 以条件化降水是否发生, 并反映湿天
降水量大小的随机变化。该方法通常可表达为:
n
E Xt = A0 +
Aj^u
(j i
)
+
At- 1 Xt- 1
( 11 中国科学院 地理科学与资源研究所 陆地水循环与地表过程重点实验室, 北京 100101; 21 中国科学院 研究生院, 北京 100049; 31 奥斯陆大学 地球科学系, 挪威)
摘 要: 全球气候变暖对陆地水循环会产生重大 影响, 统计降 尺度方 法是解 决大尺 度气候信 息和小 尺度水 文 响应的空间尺度不匹配问题的有效方法之一。选取 NCEPPNCAR 再分析日资 料( 简 称 NCEP) 和 HadCM3 在 A2 和 B2 情景下的大气变量日资料( 简称 H3A2 和 H3B2) , 并选取海河流域上 11 个站点 1961 年~ 2000 年日平均温度、蒸发皿 蒸发量以及降水的实测资料, 采用 SDSM( the Statistical Down2Scaling Model) 方法, 进行海河流 域气候变 化特征量的 降 尺度 研究。研 究表明: ¹ 使用 SMLR ( Stepwise Multi2Line Regression) 方法, 可以在 广阔的空间 范围内优 选出具有一 定 物理机制的适 用于不同预报量的预报因子; º SDSM 方法 对日平 均温度、蒸发 皿蒸发 量以及 降水都 能较准 确模拟, 其观测与模拟 值的确定性系数分别可 达 99% , 92% 和 73% 以上; » SDSM 方法 在模 拟极 端事件 时存 在一定 系统 偏 差, 而且模拟的峰值略滞后。
用[ 3~ 8] 。在中国, 虽然 统计降尺度方法的研究逐渐 得到重视[ 9~ 15] , 但是与欧美等国家相比, 研究的深度 还不够。
降尺度方法主要分为 2 种: 动力降尺度方法和 统计( 经验) 降尺度方法。其中, 统计降尺度方法由 于使用灵活而且计算量小, 经常被用在气候影响评 价中。按照使用技术, 统计降尺度方法可分为回归 方法, 环流分型技术和天气发生器 3 种类型。SDSM ( the Statist ical Down2Scaling Model) [ 16~ 18] 是一种多元 回归和天气发生器相耦合的降尺度方法, 和其他统 计方法的比较[19~ 22] 表明: SDSM 模拟效果好而且简
Bt- 1 和 Zt- 1 是对应于 At- 1 和 Xt- 1 的自相关参数以及
前一天的 Z2score。E 是满足正态分布的随机误差项。
则第 t 天的降雨量yt 为:
又影响到生态、社会、经济等和人类活动相关的各个 方面。海河流域在我国具有重要的政治、经济和社 会地位, 近年来由于海河流域地下水严重超采, 造成 需水量和供水量之间的矛盾愈加显著, 研究如何保 证变化环境下水资源的可持续利用, 具有紧迫的现 实意义。
全球 大气 环 流 模 型 ( Global atmospheric general circulation models, GCMs) 是提 供全球气 候变化信 息 的重要工具。由于其分辨率比较粗, 通常在 2b @2b 以上, 而水文模拟的尺度需求一般在几百公里, 所以 GCMs 模型的输出一般无法提供水文影响评价所需 要的高精度区域特征和动力过程。为了解决这种空 间尺度不匹配问题, 在过去几十年里涌现出各种降 尺度 方 法, 并 在 欧 洲、美 国 等 地 区 得 到 广 泛 应
高度, 相对湿度, 平均海平面气压以及 2m 处大气温
度等。把 NCEP 资料重采样, 使之与 HadCM3 的分辨 率相同, 然后对变量进行标准化处理, 这些调整经纬 度并做了标准化的资料可以直接从网站下载1) 。
1) htt p: PPwww. cics. uvic. caPscenariosPsdsmPselect . cgi.
115b30c 40b24c 537 915 2 124
381
114b53c 40147c 724 816 1 933
401
114b34c 39b50c 910 619 1 621
406
116b38c 41b13c 660 617 1 636
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116b23c 39b07c
9 1211 1 776
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否适用 于中国海河流域 呢? 另外, SDSM 模型在 国 外的应用主要在降雨降尺度, 气温次之, 在同一地区 对降水、气温和蒸发这三大要素同时进行降尺度的
研究尚属空白。为了全面研究某一地区的气候变化 对水资源影响, 以及给研究气候变化的水文模型提 供全面的输入资料, 迫切需要检验和 分析 SDSM 方 法对降水, 气温和蒸发同时进行降尺度的能力以及 存在问题。
本文研究目的是考察 SDSM 方法在中国海河流 域的适用性, 重点分析日平均温度、蒸发皿蒸发和降 水的降尺度效果, 为开展气候变化对海河流域水资 源影响的研究提供基础和支撑。
2 数据来源与研究方法
211 研究区概况 海河流域位于 112bE~ 120bE, 35bN~ 43bN 之间。
流域总面积 3118 @104km2, 其中山丘和高原区约占 60% , 平原区约占 40% 。流域北部是东西走向的燕 山山脉, 西部则是南北走向的太行山山脉。燕山以 南, 太行山以东是广阔的华北平原。
研究区位于海河流域上, 是一个与 HadCM3 分 辨率相同的 3175b( 经度) @215b( 纬度) 格点, 中心位 置为( 116125bE, 40bN, 即图 1 中的 C1 区域。该区域 上有 11 个气象站点, 分布在沿海、平原、迎风坡、背 风坡等特征地形上。见图 1。 212 数据来源
待选择 的 大 气变 量 来 自 美 国环 境 预 报 中 心 (NCEP) 和国家大气研究中心( NCAR) 联合推出的再 分析日资料( 简称 NCEP) 和英国 Hadley 气候预测与 研究中心的全球气候模型 HadCM3 在 A2 情景和 B2 情景 下的大 气变量 日资料 ( 简称 H3A2 和 H3B2) 。 NCEP( 1961 年~ 2000 年) 的分辨率为 1b( 经度) @1b ( 纬度) , H3A2PH3B2( 1961 年~ 2099 年) 的分辨率为 3175b( 经度) @215b( 纬度) , 共包括 23 个变量, 包括 500hPa, 850hPa 和近地表面的风速、涡度、散度、位势
收稿日期: 2008- 07- 21; 修订日期: 2008- 09- 11 基金项目: 国家自然科学基金重点项目: / 变化环境下跨流域分布式水循环模拟及其不确定性量化研究0 (编号: 40730632) ; 科学技术部国际 合作专项: / 华北农业区与澳 M2D 流域水资源安全与环境可持续性研究0 ( 编号: 2006DFA21890) ; 中国 科学院知识创新 工程重要方向项 目: / 跨流域调水对陆地水循环影响与水安全研究0 ( 编号: Kzcx22yw2126) 。 作者简介: 褚健婷, 女, 甘肃天水人, 博士生, 主要从事气候变化对水资源影响研究。E2 mail: cjt qd@ yahoo. com. cn 通讯作者: 夏军, E2mail : xiaj@ igsnrr. ac. cn
定。使用一个均匀分布的随机数 rt ( 0 [ rt [ 1) 来决
定降水是否发生。对于给定的时间和地点, 若 Xt [
rt , 则该天下雨。
在湿天, 降雨量大小通过 Z2score 来反映:
n
E Zt = B0 Ʊ
Bt- 1 Zt- 1 +
E
( 3)
j= 1
式中 Zt 是第 t 天的 Z2score, Bj 是估计的回归系数;
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213 SDSM 方法
统计降尺度方法首先要在大尺度气候因子和局 地变量之间建立一种定量的统计函数关系, 即:
Y= F( X)
( 1)
式中 Y 代表局地预报量; X( x1 , x2 , , , xn ) 代表 n
关键词: 水文水资源; 气候变化; 海河流域; 统计降尺度; SDSM 方法
1 引言
大气中 CO2 和其他痕量气 体浓度的增加 以及 人类活动, 特别是燃料燃烧和陆地使用变化, 会改变 全球 能 量平 衡, 加 热 大气, 从而 导致 全 球气 候 变 暖[ 1,2] , 伴随着气候变暖, 全球水循环被改变, 反过来