陆气相互作用中地表地下水分侧向运移过程机理研究

由于忽略地表地下水分的侧向运动过程，经典的陆面模式通常低估河谷区域的土壤含水量，而高估山岭和山脊区域的土壤湿度，由此产生的陆表土壤水分计算偏差会影响区域气候模拟和数值天气预报的精度。针对这一问题，本项目将借鉴基于物理机制的分布式流域水文模型关于产汇流过程的数值模拟方法，改进中尺度大气模式WRF的陆面过程模块Noah-LSM,使之能够合理表征坡面流、壤中流、地下径流沿坡地的侧向汇集过程、河道汇流过程以及包气带土壤水、浅层地下水体和河道湖泊水之间的相互作用过程；通过数值模拟，揭示地表和地下水分的侧向运移及各种水体的混合交替作用对陆表土壤湿度、陆面与大气间水分和能量收支平衡的影响机理。该研究有助于弥补原有陆面模式中侧向流过程的定量描述，提高大气-水文耦合模式的预报精度，为实时暴雨洪水预报预警、全球变化的水循环响应提供科学基础。

在地形复杂的山区性流域，地形坡度引起的侧向水流可以对陆面土壤水分重新分配，进而影响陆面能量收支平衡，而这些复杂的物理过程无法在经典的一维陆面模式中显式描述，为此本课题发展了集成全面水文机制的大尺度陆面水文耦合模式，系统探讨大尺度陆气耦合模式中的地表地下水分侧向运移如何影响陆面水分和能量收支过程，目前已取得如下成果：. (1) 改造陆面模式Noah LSM中网格间水分缺少相互作用的垂向土柱结构，将传统陆面模式所无法描述的复杂水文过程（如二维地下水流过程、二维河道/湖泊水流运动、包气带土壤水与潜水层地下水相互作用以及潜水层地下水与河道/湖泊水相互作用）集成在同一个模式框架内，构建了大尺度陆面水文双向耦合模式Noah/LSM/HMS；. (2) 应用Noah/LSM/HMS在鄱阳湖流域进行数值模拟，建立了与地形特征（地下水埋深）相关的侧向水流对土壤蒸发、植被蒸腾、低层大气感热和潜热通量、陆面与大气间水分和能量收支平衡影响的定量关系，揭示了地下水的侧向流动是驱动鄱阳湖流域大尺度陆面网格间土壤水分重新分配的主要原因；地下水分的侧向流动控制了流域各处地下水埋深，间接决定了垂直方向上潜水层地下水与近地表土壤层间的水分相互作用强度，进而影响近地表土壤含水量的时空分布特征；在大尺度陆面模式中考虑地下水的侧向流过程，会显著影响地下水浅埋区陆面土壤水分和能量收支过程的模拟计算，但对地下水深埋区的作用不明显；. (3) 双向耦合了陆面水文模式Noah/LSM/HMS和中尺度大气模式WRF，建立了反映区域大气水-地表水-地下水相互作用、包括地表地下水分侧向运移过程的大气-水文双向耦合模式WRF-HMS；通过数值模拟发现，侧向水流运动和地表地下水相互作用将影响大气模式对土壤湿度和蒸散发的模拟，进而影响边界层的稳定性、云结构以及区域降水的模拟和预测；. (4) 以Noah LSM等陆面水文模式为核心，集成了通用环流模式、区域气候模式、植被动态模式，融合多源卫星信息，建立了变化环境下的流域水循环响应过程数值模拟和预测平台，并在全国多个流域得到应用；. (5) 迄今为至，本课题已出版专著1部，发表学术论文10篇（SCI检索3篇、Ei检索4篇、ISTP检索1篇），培养博士研究生2名、硕士研究生4名、参加国际学术会议7人次、参加国内学术会议2人次。