VIC模型PPT课件

1、第1页/共71页VIC模型中支配每个网格内植被和土壤结构的热通量、含水量和感热量过程包括：土壤层蒸发E、蒸散发毋、地表截留蒸发Ec、侧向热通量厶感热通量s、长波辐射皿、短波辐射船、地表热通量rG、下渗i、渗透Q、径流R和基流B第2页/共71页VIC模型概述 可变下渗能力(Variable Infiltration Capacity)水文模型(简称VIC模型)是Washington大学、California大学Berkeley分校以及Princeton大学共同研制的大尺度水文模型。它是一个基于50 km50 km网格而建立的气候变化对径流影响评估的分布式水文模型。模型参数的网格化特性便于与气候模

2、型和水资源模型嵌套,以评价气候变化对水资源的影响。该模型在一个计算网格内分别考虑裸土及不同的植被覆盖类型，并同时考虑陆-气间能量平衡和水量平衡的模拟,也可只进行水量平衡的计算,弥补了传统水文模型对热量过程描述的不足。第3页/共71页第4页/共71页陆面过程是指能够影响气候变化的发生在陆地表面和土壤中控制地气之间动量、热量及水分交换的那些过程，主要包括以下几个方面：地面上的热力过程，包括发生在大气、植被和土壤表面的辐射过程，土壤和植被与大气间的感热和潜热交换；地面上的动量交换，如地面对风的摩擦和植被的阻挡等；地面上的水文过程，如大气降水、蒸发、植物的蒸腾、凝结、地表径流、冰雪的融化和冻结等；地表

3、与大气间的物质交换，如气体、气溶胶和烟尘的向上输送，及大气悬垂物的沉落；地面以下土壤的热传导和气隙中的热输送：地下的水文过程，如地面水的渗漏、深层水的上吸、植物根系的吸收，和地下水流等。这些过程受大气环流和气候的影响，反过来又影响大气的运动。陆面过程模式中物理过程的描述主要考虑了能量收支平衡和水分收支平衡。所有陆面模式描述的都是垂向一维陆一气间水分和能量的交换过程，水平方向上假定是均匀的。对于陆面水分收支过程，降水一部分被植被叶面截流，一部分直接降落到地面。叶子截流的降水一部分用于蒸发，另一部分滴落到地面，与直接降落到地面的降水一起渗入土壤中或形成地表径流。土壤中的水和叶面上截流的水通过蒸发返

4、回大气，植被的根系从土壤中抽吸水分，再由叶面向大气蒸腾水汽。这样形成了一个大气陆表水分循环圈(见图1)。水分循环不仅决定了水的分布和平衡，还通过蒸发和降水过程，对能量的再分配起着决定性作用。第5页/共71页图1 大气与陆表水分循环圈第6页/共71页陆面水文过程通过下垫面向大气输送水汽，直接影响大气降水、大气温度和大气运动等天气、气候状况。同时天气、气候状况的变化也直接影响陆面水文过程，如天气增暖影响径流等水资源量的变化等第7页/共71页是一个大尺度陆面水文是一个大尺度陆面水文模型，它同新安江模型和通用产流模型一样，利用一个空间分布函数表示模型，它同新安江模型和通用产流模型一样，利用一个空间分布

5、函数表示次网格内的土壤蓄水能力的变化。次网格内的土壤蓄水能力的变化。VICVIC模型的参数分为四类：土壤参数、植模型的参数分为四类：土壤参数、植被参数、水文参数和背景参数被参数、水文参数和背景参数。背背景参数指流域地理特性（纬度、经度和景参数指流域地理特性（纬度、经度和高程）和气候参数（近地表的多年平均气温和多年平均降水量高程）和气候参数（近地表的多年平均气温和多年平均降水量）；土）；土壤参壤参数、植被参数和背景参数具有比较明确的物理基础，可以直接给定，数、植被参数和背景参数具有比较明确的物理基础，可以直接给定，对于对于每每一个网格的土壤和植被参数，分别基于全球一个网格的土壤和植被参数，分别基

6、于全球10km10km的土壤数据库和全球的土壤数据库和全球1km1km的陆地覆盖类型数据库来确定的陆地覆盖类型数据库来确定；模；模型中有型中有7个待率定的水文参数，分别个待率定的水文参数，分别为为B(B(入渗能力形状参数入渗能力形状参数) )、Ds( Ds( 当基流非线性增长发生时，所占当基流非线性增长发生时，所占DmDm的比例的比例) )、DmDm（这是底层土壤一天内产生基流的最大值）、（这是底层土壤一天内产生基流的最大值）、WsWs（当基流非线性增长发（当基流非线性增长发生时底层土壤含水量与最大土壤含水量的比值）、生时底层土壤含水量与最大土壤含水量的比值）、D1D1（表层土壤厚度）、（表层

7、土壤厚度）、D2D2（第二层土壤厚度）、（第二层土壤厚度）、D3D3（第三层土壤厚度）。模型率定采用流域出口（第三层土壤厚度）。模型率定采用流域出口断面的实测流量过程线，因为它是流域水文过程的总体响应断面的实测流量过程线，因为它是流域水文过程的总体响应。VICVIC模型在中国的东部、东南部、中部、南部和中南部的湿润和半湿润地区模型在中国的东部、东南部、中部、南部和中南部的湿润和半湿润地区的模拟效果较好，在西部和西北干旱区模拟结果不太理想。一方面因为干的模拟效果较好，在西部和西北干旱区模拟结果不太理想。一方面因为干旱条件下多以超渗产流为主，而旱条件下多以超渗产流为主，而VICVIC模型是基于蓄满

8、产流的；另一方面由于模型是基于蓄满产流的；另一方面由于这些地区条件恶劣、人口稀少和经济欠发达，比湿润和半湿润地区的气象这些地区条件恶劣、人口稀少和经济欠发达，比湿润和半湿润地区的气象站网密度较稀疏，增加了模型输入的不确定性。站网密度较稀疏，增加了模型输入的不确定性。第8页/共71页vic模型在一个计算网格内裸土及不同的植被覆盖层、两层土壤、一层雪盖，主要考虑大气-植被-土壤之间的物理交换过程，反映土壤、植被、大气之间的水热状态变化和水热传输，称为VIC-2L，后来为了加强对表层土壤水动态变化以及土层间土壤水的扩散过程的描述，将VIC-2L上层分出一个约0.1m的顶薄层，而成为三层，称为VIC-

9、3L.模型已分别用于美国的Mississippi、Columbia、Ar-kansas-Red等流域以及德国的Delaware等流域的径流模拟。谢正辉等人利用该模型对中国的淮河、渭河、黄河、海河流域进行了模拟,都取得了较好的效果。第9页/共71页研究表明，在自然界中地表径流主要由两种机制产生：超渗产流(Horton)和蓄满产流(Dunne)。土壤特性豹空间可变性、前期土壤含水量、地形和降水都将导致不同的暴雨洪水地表产流机制。在一个网格的不同部分，这两种产流机制一般会同时出现。忽略其中之一或者欠考虑土壤空间可变性都将导致过高或过低地估计地表径流，引起土壤含水量状态超过模型网格的大的直接误差。针对

10、我国不同区域气候，Liang和e发展了新的地表径流机制，在VIC模型中引入一个新的动态地代表模型网格内蓄满产流和超渗产流机制的地表径流参数。新参数考虑了在蓄满产流和超渗产流中土壤非均质性的影响，是VIC模型优于其他水文模型，适用于全国范围径流计算的关键所在。VIC模型还包括融雪模型和冻土模型。融雪模型使用能量平衡的方法来表示地表的积鸳和融化。假定低矮的植被完全被积雪覆盖，因此不影响地表积雪场的能量平衡。模型考虑因为升华、滴落，和释放而引起的地表雪截留。在包含雪带的高纬度地区，当春季融雪时，因为高低纬度之间在融雪期间差额，使用者能获得一个坦化的水文过程。VIC模型的冻土模型可以在寒冷的地区运行，

11、冻土对于水文过程的影响非常重要。土壤中的冰减少了降水和融雪下渗入地表的总量，很高的含冰量可以让土壤近乎于不透水。冻土在冬季存储更多的土壤含水量，因此在春季，这些冻土地区比没有冻土的地区，土壤含水量将显著增加。第10页/共71页VIC模型主要特点1 同时考虑陆-气间水分收支和能量收支过程;同时考虑两种产流机制(蓄满产流和超渗产流);2 考虑次网格内土壤不均匀性对产流的影响;3 考虑次网格内降水的空间不均匀性。第11页/共71页一、模型基本原理第12页/共71页VIC-3L模型设置一层地表覆盖层、三层土壤，其水平和垂直特性概化如图所示1 地表覆盖层与土壤分层VIC模型示意圈第13页/共71页vIC

12、模型主要考虑了大气植被土壤之间的物理交换过程，反映土壤、植被、大气之间的水热状态变化和水热传输。vIC模型中土壤水分含量用hrno模型计算，该模型考虑了入渗、蒸发、土壤湿度、径流产生在计算区域内(或者是在GCMs的一个网格单元中)的变化。Anlo模型的简化形式就是以前曾在GCMs模型中用过的，用传统的卢函数来表示蒸发lao-a21。VIC模型由简单的双层特征的土壤组成，基于简化的s、0Ts植被覆盖分类，用空间动力学的方法来表示地表潜热和显热通量，VIC模型的入渗算法用可变入渗能力土壤的空间分布特性来表示。模型允许不同种类的植被同时存在。模型的重要特征是认为土壤由两层组成，陆地表面由N+1种地表

13、覆盖类型描述，这里n=1，2， N表示N种植被覆盖类型，n=N+1代表裸土(见图21)。模型的垂直和水平特性可以概化为如图22所示。陆面覆盏类型由植物叶面积指数LAI(Leaf Area Index)、叶面气孔阻抗以及根系在不同层之间的分配比例来确定。每种植被的蒸散发量由该植被覆盖层的蒸散发潜力、空气动力学阻抗、地表蒸发阻抗，和叶面气孔阻抗来计算。和每种地面覆盖种类联系在一起的是单层的地表植被层、第一层土壤(也就是上层土壤)和第二层土壤(也就是下层土壤)。第一层壤用来反映土壤对降雨过程的动态影响，下层土壤表示土壤对于暴雨过程影响的缓慢变化。只有在上层土壤已经完全饱和的情况下，下层土壤才对降雨过

14、程有响应，这样就可以把潜流和暴雨快速产流分离开来。根系可能只在上层土壤分布，也可能既在上层土壤又在下层壤分布，取决于植被种类和土壤类型，对于裸地，没有植被覆盖层。现在的模型对于所有的植被覆盖种类，土壤特性都是相同的，但是，每一覆盖种类在不同的时段可以有不同的土壤水分分配。同时，每层都要计算入渗、上下层土壤之间的水分传输、地表径流和潜流。累计所有地表覆盖种类的计算结果，就可以得到总的向大气传输的潜热通量、总的显热通量、地热变化、有效的地表温度、总的地面径流，和潜流过程。第14页/共71页第15页/共71页VIC模型中支配每个网格内植被和土壤结构的热通量、含水量和感热量过程包括：土壤层蒸发E、蒸散

15、发毋、地表截留蒸发Ec、侧向热通量厶感热通量s、长波辐射皿、短波辐射船、地表热通量rG、下渗i、渗透Q、径流R和基流B。第16页/共71页模型分为三层，其中第一层顶薄层对小降雨事件较为敏感，主要用于反映土壤水分的动态变化，上层（第一层和第二层）土壤用来反映土壤对降雨过程的动态影响，下层土壤（第三层）反映暴雨过程影响的缓慢变化过程，用来刻画土壤含水量的季节特性。第17页/共71页2 蒸散发计算VIC模型中考虑三类蒸发：冠层湿部蒸发、植被蒸发及裸地蒸发第18页/共71页（1）冠层湿部蒸发第19页/共71页第20页/共71页第21页/共71页第22页/共71页第23页/共71页第24页/共71页第2

16、5页/共71页土壤湿度在VIC两层模型中缺乏对表层土壤水动态变化的描述，且未考虑土层间土壤水的扩散过程。针对这两点不足，将VIC模型中的上层土壤分出一个顶薄层而成为3层：即顶薄层(通常情况为离地表01m)、上层土壤层(也包括地表的顶薄层)和下层土壤层126。顶薄层主要用来反映如果有很小的降雨，那么立即会有裸地土壤蒸发，上层土壤层主要是来表示土壤对降雨过程的动态反应，而下层土壤层是用来表示季节性土壤湿度变化的。改进后的VIC模型用里查兹(Richards)方程来描述垂向一维土壤水运动，土壤各层间的水汽通量服从Darcy定律。各层土壤湿度变化的控制方程为：第26页/共71页第27页/共71页地表径

17、流数值试验研究显示，地表径流主要有蓄满产流和超渗产流两种产流机制。土壤特性的空间变化、土壤前期湿度、地形和降雨决定径流的产生。对于一个大的区域，如所研究的区域里(或者是在GCMs的网格单元里)，这两种径流机制通常在一个网格的不同地方同时发生，忽略两种主要产流机制的任何一种或者不考虑土壤的空间不均匀性都会造成地表径流的过高或者过低估计，而这又会直接造成土壤含水量计算的大的直接误差。因此，正确地模拟地表径流对于合理表示陆面对气候的反馈是十分重要的。第28页/共71页研究区域中譬满产流和超渗产流示意图第29页/共71页VIC模型可以在网格单元内同时动态考虑蓄满和超渗产流基理，也可以同时考虑次网格土壤

18、空间不均匀性的影响。图24是概化后研究区域或模型网格单元内部发生超渗产流和蓄满产流的典型水文概念。蓄满产流(图中用灰色阴影面积表示)一般发生在靠近河道的地方，而超渗产流(图中用虚线表示的面积)一般发生在一些远离河道且降雨超过入渗能力的地方。第30页/共71页在VIC模型中，蓄满产流和超渗产流分别用土壤蓄水容量面积分配曲线和下渗能力面积分配曲线来表示土壤不均匀性对产流的影响。蓄水容量曲线采用的是新安江模型中的产流思想，在VIC模型中称之为可变的下渗能力曲线，实际上仍然是蓄水容量的概念1421。两条分布曲线分别采用B次方抛物线表示，分别见公式(222)第31页/共71页第32页/共71页（2）植被

19、蒸发第33页/共71页第34页/共71页第35页/共71页第36页/共71页基流基流的计算公式根据Ano概念模型得来，这个公式只用在下层土壤中，由公式(231)表示：第37页/共71页5地下水位及其动态表示饱和带或称地下水带，位于包气带的下面(或地下水水位以下)，水自地表渗入，在重力作用下向下运动和聚集，最后在某些不透水层之上形成饱和带。饱和带中岩层的孔隙被水填充，其上边缘是水位表面，在水位表面上的压力等于一个大气压力。第38页/共71页VIC模型数据准备及数值模拟本研究以VIC模型为基础，基于50X50kin2网格分辨率，建立气候变化对中国径流影响评估模型。同时根据全国不同典型流域和历史观测

20、资料情况，选取具有代表性流域的部分子区域，与汇流模型耦合，分别进行参数率定和流量过程的模拟，以检验VIC模型的合理性及适应性。对于无资料地区，根据气候特征，将中国划分为六个气候带，分别选取不同气候带的具有径流观测资料的若干予流域进行参数的标定及径流模拟，并将结果移植到对应气候带的无资料区域，减少了以往对无资料区域因选取缺省参数而带来的不确定性。第39页/共71页VIC模型数据来源及资料准备vIC模型是基于空间分布网格化的分布式水文模型。通过将研究区域网格化，分别考虑每个计算网格内裸土和多种植被覆盖类型，以及土壤特性和降雨的次网格空间变异性对径流的影响。本研究将全国划分为5050km2网格共43

21、55个(见图311，VIC模型在每个网格内连续运行，需要准各的输入文件包括：植被参数库文件、植被参数文件、土壤参数文件、气象强迫数据文件，以及区域控制文件。图31全国50501ma2网格图第40页/共71页第41页/共71页第42页/共71页第43页/共71页第44页/共71页（3）裸地蒸发第45页/共71页3 径流机制第46页/共71页二、模型参数模型参数十陆面水文模型的一个重要组成部分，对路面过程的模拟有重要影响。确定一套合适的模型参数对于陆面过程模拟式十分有意义的。陆面模型中参数有两类：一类是具有物理意义的，这类参数的确定方法主要是通过将植被和土壤等分类，利用查表确定对应的参数；另一类是

22、概念性的，这类参数只能通过利用径流等诊断量率定得到，或者通过移植临近流域参数以及专家主观判断等方式得到。VIC模型中主要涉及两类参数，一类是和植被有关的参数，存放在植被参数中；一类是和土壤有关的参数，存放在土壤参数文件中。第47页/共71页1 植被参数VIC模型将陆地表面用N+1种陆面覆盖类型来描述，这里n=l，2， N表示N种植被覆盖类型，n=N+l代表裸土，其中陆面覆盖类型是由植物叶面积指数LAI、叶面气孔阻抗，以及根系在不同层之间的分配比例来确定。本研究采用Maryland大学发展的全球lkm陆面覆盖类型资料(见表31)，选取其中的第1到11类植被进行研究。对于水、城市与建筑两种陆面覆盖类型，由于降雨后即可直接产流，可认为是不透水面积。对于中国区域来说，水、城市与建筑两类仅占很小的一部分面积，为减少VIC模型的复杂度，节省计算时间，目前我们还没有对这两类进行考虑。第48页/共71页第49页/共71页第50页/共71页2 土壤参数第51页/共71页VIC模型中土壤的次网格空间变异性是由一个土壤参数文件来描述的。本研究中土壤分类是根据NOAA(the National Oceanic andA