降水是全球海洋与陆地水循环的主要环节之一,也是开展洪水模拟研究的主要数据输入。受气候因素和下垫面因素影响,降雨的形成和分配在时空分布方面并不均匀,并进一步影响了陆地径流、蒸散发、土壤水分、地下水等流域水循环过程。因此,洪水模型的性能在很大程度上取决于降水输入的质量。研究降水-径流误差定量化关系被认为是理解降水误差在水文模拟过程传播特征的关键问题之一。可靠的降水-径流误差的定量化关系可以快速估计由降水误差引起的洪水模拟误差,为洪水监测预报提供快速、有效的评估手段,同时提高陆地入海水系在洪水极端事件中对近海淡水输入的估算准确性。
针对上述问题,我实验室海洋-陆地-大气相互作用与全球效应创新团队研究了美国境内近1548个流域内不同来源(例如,雨量站,地基雷达和卫星)的降水产品与其径流误差之间的定量化关系。评估了降水-径流误差传播是如何随不同因素的变化而变化(放大或衰减)的。这些因素包括降水产品类型、时间尺度、气候条件、流域规模和地势地形。
研究结果表明,在年和月尺度上降水-径流误差关系均呈现正线性关系,且该线性关系在较大的时间尺度上更为强烈(图1)。在年尺度上降水误差在径流模拟过程中比月尺度至少放大一倍(图2)。而降水误差对径流峰值影响的误差关系呈现出高度非线性关系。在温带和大陆性气候特征的流域内,降水误差因为受到强烈抑制而呈现出非线性关系(图3)。就季节性而言,大陆和温带气候条件流域的秋季和冬季洪峰模拟的平均误差传播率没有明显差异。然而,对于干旱、半干旱的流域,由于春季降水的空间变异性高,降水误差会转化为更大的径流误差,而冬季降水误差往往会转化为等同径流误差。另外,虽然流域大小和地形也影响着降水-径流误差关系和降水误差的传播率,但是它们主要受降水产品、季节和气候条件因素的影响。
图1. 散点图展示了年和月时间尺度上的降水-径流误差的正线性关系。
图2. 小提琴图展示了年和月时间尺度上的降水-径流误差传播率。
图3. 针对不同气候条件的流域内降水-径流误差关系(线性拟合)的季节性。
该研究成果于2021年7月发表在美国气象学会旗下期刊Journal of Hydrometeorology(中科院SCI二区,影响因子4.349)上,题目为“Assessment of Precipitation Error Propagation in Discharge Simulations over the Contiguous United States”。创新团队核心成员吴欢教授为文章的通讯作者,中山大学特聘副研究员男顶博士为文章的第一作者。
该研究得到国家自然科学基金、南方海洋实验室创新团队建设科研经费等的支持。
原文链接:https://journals.ametsoc.org/view/journals/hydr/aop/JHM-D-20-0213.1/JHM-D-20-0213.1.xml