变化环境下水文研究和水文模拟的几个关键问题-许崇育(2013.04.27)

LHM (G1 & G2)
Improve the land surface hydrologic characteriztions of GCMs, RCMs Surface energy balance GCM-generated rainfall, Radiative fluxes, humidity, etc Rectangular grids Conceptual towards physically based 10 – 30 minutes > 1 000 000 km2 possible
– 降雨径流关系的变化 – 其它水文要素关系的变化
环境变化与 水文响应， 预测，管理
降雨径流关系的非平稳性
年降雨和径流的累积曲线 1956-2005. Unit: 103 mm
Zhang et al., 2011
何为前沿？
• 过去的研究：
– 甄别和模拟水文气候资料的历史变化趋势代表10年前的研究水平.
Land surface processes Model
N=1
N=2
N=N
N=N+1 Bare soil
λE H RL RS E1 Ec Et P Canopy W1c Layer 1 W2c Layer 2 Qd Q12 Qb
33
Uncertainty problems in modeling
Parameter uncertainty
1. 水文模型的结构和参数随不同时间的变化规律 2. 水文模型的结构和参数随不同区域的变化规律 3. 水文模型的结构和参数随不同时间步长和空间尺度 的变化规律
Ability of WASMOD in simulating climate change impact
Non-stationary climate conditions
Concept Inputs
Spatial discretization Modelling approach Temporal scale Spatial scale Coupling with GCM
Modified from: Sivapalan & Blöschl (1997)
Xinanjiang Model
Water balance
Energy balance
Radiation budget
Types of large scale hydrological models
Model type
Use
CHM
Flood forecast, Design understanding Catchment water balance Rainfall, evaporation, land use, etc Sub-catchments/grids Empirical, conceptual, physically-based <1 hour to 1 year <5000 km2 No
Translation Attenuation
Unit hydrograph
T
Input P
Runoff generation
Excess rainfall
Unit hydrograph
Grid Runoff
Flow routing
Stream discharge 10
全球及大尺度水文模型
Catchment hydrological model: WASMOD (Xu, 1992) Large-scale hydrological model: WASMOD-M (Li et al., 2013; Gong et al., 2009, 2011; Widen-Nilsson et al., 2007, 2009)
Xu, 1999. Agricultural and Forest Meteorology
Stability of parameter values with time
Xu, 1999. Agricultural and Forest Meteorology
Results of proxy-basin differential split-sample test
它代表了过去的20年里模拟环境变化下的水文相应的方法和水平。
举例
Xu, 1999. Water resources Management
举例
Xu, 1999. Water resources Management
现在的认识水平
– 不同的水文模型即使在率定期和检验期的结果相差 无几，一旦用将来的气候变化情景作为水文模型的 输入，其模拟的将来的水文情景相差巨大 – 即使同一个模型用不同时期的历史资料率定的参数 其模拟的将来的水文情景也相差巨大
资料误差 -系统误差造成水量平衡误差影 响参数显著水平
Xu, 1999. Agricultural and Forest Meteorology
Can we Couple hydrological models With climate models?
Theoretically yes, In practices, no
30
Theoretical Base
• 土地利用变化 • 城市化 • 各种工程
甄别自然变化通常需要很长的资料
Global mean temperature during 150 and 1000
4
Changes in CO2 and temperature in the last 400,000 years (from the Vostok ic源自文库 core)
Jiang, Chen, Xu, 2007. Journal of Hydrology
Example:
也就是说，到目前为止发表的所有有关水 文模型模拟的将来气候变化情景下的水文 响应结果都是有问题的
原因？
Example:
Parameter values change with time period! Which parameter set shall we use? Merz, Parajka, Blöschl, 2011, Water Resources Research
LWBM
Water resources planning and management Surface water balance Rainfall, evaporation, land use, etc Subcatchments/grids Conceptual 1 day – 1 month > 100 000 km2 No
地表水模型发展过程
地下水模型发展过程
1800
推理公式模型, 1850 谢尔曼 , 1932 流域单位线
1900
Darcy 定律, 1856 Dupuit公式，1863 Boussinesq方程，1877 Slichter （拉普拉斯方 程），1889 Meizner 公式，1923 Theis方程式， 1935 Jacob公式，1940 Hubbert 方程，1956 Neuman 有限元，1969 Jacob Bear多孔介质流体 动力学， 1972 MODFLOW， 1975 地表地下水耦合模型
From A. V. Fedorov et al. Science 312, 1485 (2006) 5
环境变化的水文响应
• 一阶矩的非平稳性
– 均值的趋势变化
水资源估算
• 高阶矩的非平稳性
– CV 、Cs 、自相关系数 等变化 – 频率变化, – 概率分布变化
频率计算， 水文设计
• 水文关系非平稳性
° 20 S
° 30 S
0 100 200 300 400 >500
-75 -50 -25 <-100
Mean annual (2010-2029)
mm yr-1
0 %
25 50 75 >100
relative change
Li et al., SoCoCA
Case 1
Mean monthly change 2010-2029 vs 1990-2009
• 当前的研究：
– 非平稳序列的水文设计
• 需要加强的研究:
– 解释变化趋势的原因 – 阐述历史变化趋势和将来变化的关系，将继续？将加强？将减弱 ？将改变？
水文模型的应用
有资料流域，平稳序列 • 插补，延长，预报
方法
参数率定和分段检验
分布式水文模型的结构
Q
Excess rainfall Transfer function runoff
Runoff ET
160 140 TRMM WFD
Precipitation(mm/month)
120 100 80 60 40 20 0 1 2 3 4 5 6 7
Month
8
9
10
11
12
Li et al., SoCoCA
水文模型的应用
• 有资料流域，平稳序列和关系
– 资料插补，延长，预报
方法
Example:
Jiang, Chen, Xu, 2007. Journal of Hydrology
Future water resources depend on model or climate?
Example:
Future water resources depend on model or climate?
Model uncertainty
34 sources
Uncertainty problems in modeling
Uncertainty exists in every step
Many methods based on Bayesian theory have been developed and used. Decomposition of the total uncertainty into individual sources is challenging! 35 et al.) (GEWEX 05, Duan
武汉大学 2013-04-27
变化环境下水文研究和水文 模拟的几个关键问题
许崇育 武汉大学水电学院 奥斯陆大学地学院
水文学和水文模型的发展历史现状
水文科学发展历史
谢才公式, 1749 道尔顿 公式, 1802 达西公式, 1856 圣维南方程组, 1871 曼宁公式,1891 格林-安普特,1911 理查兹 Richards, 1931 霍顿, 1933
1950 1960 1970 1980 1990
菲利浦, 1954
Nash， Dooge 线性串联 水库 集总式概念性水文模型 时间序列分析随机模型
分布式物理模型，SHE 大尺度分布式水文模型， 陆面过程模型
环境变化
• 气候变化
– 自然变化 – 异常变化-人类活动影响
• 流域下垫面变化
– 自然变化 – 异常变化-人类活动影响
参数率定，分段检验
• 气候变化，土地利用变化的水文响 应
– 非平稳的序列，非稳定的关系
• 区域和全球尺度的水文模拟
– 无资料流（区域） – 气候和下垫面在空间上的异质性
？
• 水文模型和气候模型的耦合
– 时间和空间尺度的不匹配 – 参数的确定（率定）
过去的研究工作
– 选择一个（有时多于一个）水文模型，用历史资料 作参数率定和模型检验 – 用不同的方法产生将来的气候变化情景，用于水文 模型的输入， – 用率定好的水文模型模拟将来的水文情景
Example:
Parameter values change with time period! How can we couple it with climate model that run in a time step of 15min?
Littlewood et al. 2008
何为将来的研究方向？
Case 1
Mean annual Runoff and change (2010-2029 vs 1990-2009)
RegCM4 R2
20 E
°
10 E
° 10 S ° 20 S ° 30 S
°
30 E
°
Runoff RegCM4 R2
40 ° E
10 E
° 10 S
°
20 E
°
30 E
°
40 ° E
2.异参同效性问题(Equifinality)
不同的参数模拟出同样的结果
2.异参同效性问题(Equifinality)
原因
异参同效性
不同的参数模拟出同样的结果
模型结构 -结构过于复杂, -过参数化 overparameterization
现有资料不足 -仅靠流量资料来率定参数 -流量资料不足于约束所有参数