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大尺度水循环模拟系统不确定性研究进展-地理学报
第66 卷第3 期 地 理 学 报 Vol.66, No.3
2011 年3 月 ACTA GEOGRAPHICA SINICA Mar., 2011
大尺度水循环模拟系统不确定性研究进展
1 2 1 2
宋晓猛 , 占车生, 孔凡哲 , 夏 军
(1. 中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州221008 ;
2. 中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室,北京 100101)
摘要:水循环过程受众多自然因素和人为因素影响,决定了水循环系统的变化性和复杂性。水
循环系统模型作为研究流域水文循环过程及演变规律的重要工具,必然也存在较大的不确定
性,特别是对于大尺度陆—气耦合下的水循环模拟系统,其不确定性来源包括输入和参数不确
定性、结构不确定性、方法不确定性以及初始和边界条件不确定性。本文在分析不确定性量化
方法和传统水文模型不确定性研究基础上,重点评述当前大尺度水循环系统模拟的不确定性研
究进展和存在的瓶颈问题,并介绍一种针对大型复杂动力系统的不确定性量化解决方案和工具
系统—PSUADE ,基于此讨论PSUADE 在大尺度水循环模拟系统不确定性量化过程中的优势。
关键词:不确定性分析;水循环模拟;陆—气耦合;大尺度;PSUADE
21 世纪以来,国际地圈—生物圈计划(International Geosphere-Biosphere programme ,
IGBP) 、世界气候研究计划(World Climate Research Programme ,WCRP) 、全球能量和水循环
实验(Global Energy and Water Cycle Experiment ,GEWEX) 等都将陆—气耦合大尺度水循环
模型作为其主要内容之一,进行了一系列大尺度陆面水文模型的对比测试及其与气候模式
[1-3]
之间的耦合应用研究 。如何在大气模式中建立既能有效描述水循环时空演变过程,又能
对一定区域范围内的水文水资源进行定量评估的大尺度水循环模拟系统成为全球变化研究
[4]
中的热点问题 。水文模型作为研究流域水文循环过程及其演化规律的重要工具,对高度复
杂的水文过程进行概念化和抽象化,采用相对简单的数学公式或物理方程描述各种水文过
程,往往存在“失真”现象,这必然导致水文模型存在一定的不确定性。因此,水文系统不确
[5]
定性的研究已成为全球变化条件下的水文科学研究的前沿课题 ,其中大尺度水循环系统模
拟的不确定性研究更是当前水科学研究的重点和热点。
对于一个水循环系统模型,不仅仅包括输入信息和输出信息,还有模型结构或模型方程
公式、初始条件、模型参数以及其他的模型组成部分,由此可知,水文系统模拟的不确定性来
[6]
源大体上可以分为4 类 :模型输入资料不确定性、模型结构不确定性、模型参数不确定性以
及用于率定资料的不确定性。这些不确定性问题直接影响了水文循环系统模拟的不确定
性,特别是陆—气耦合的大尺度水循环模拟系统,其模拟结果还受气候模式预测的不确定性
和陆面过程的不确定性以及两者耦合过程的不确定性影响。
随着遥感、地理信息系统及计算机技术的发展,高精度、高分辨率的观测资料及高性能
的计算机带动了新一轮的具有物理机制的耦合气候模式的大尺度陆地水文模型的发展,这
对其复杂动力系统的不确定性研究也带来了新的挑战。从物理、数学上去探讨、研究大型复
收稿日期:2010-10-18; 修订日期:2010-12-07
基金项目:国家重点基础研究发展计划(973 计划) 项目(2010CB428403); 国家水体污染控制与治理重大专项-淮河流域
水体污染治理技术研究与集成示范项目 (2009ZX07210-006) [Foun
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