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CFSR气象数据在流域水文模拟中的适用性评价——以灞河流域为例

本站小编 Free考研考试/2021-12-29

胡胜¹^,, 曹明明¹, 邱海军¹, 宋进喜¹, 吴江¹, 高宇², 李京忠¹, 孙克红²

1. 西北大学城市与环境学院,西安 710127

2. 陕西省土地工程建设集团,西安 710175

Applicability evaluation of CFSR climate data for hydrologic simulation: A case study in the Bahe River Basin

HUSheng¹^,, CAOMingming¹, QIUHaijun¹, SONGJinxi¹, WUJiang¹, GAOYu², LIJingzhong¹, SUNKehong²

1. College of Urban and Environmental Science, Northwest University, Xi'an 710127, China

2. Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group, Xi'an 710175, China

收稿日期:2016-03-17
修回日期:2016-04-22
网络出版日期:2016-11-25
版权声明:2016《地理学报》编辑部本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
基金资助:

国家自然科学基金项目(41401602)

陕西省自然科学基础研究计划资助项目(2014JQ2-4021)

陕西省重点科技创新团队计划项目(2014KCT-27)

西北大学研究生自主创新项目(YZZ15011)

作者简介:
-->作者简介：胡胜(1988-), 湖北枣阳人, 博士生, 主要从事水文水资源与地质灾害研究。E-mail: husheng198800@126.com

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摘要
近年来,全球再分析气象数据已经越来越多地被运用到世界各地的水文建模中,但是其模拟的效果有很大差异。为探讨CFSR再分析数据在流域水文模拟中的适用性问题,本文以灞河流域为研究区,使用两种气象数据（传统气象数据和CFSR气象数据）构建SWAT水文模型,并从年和月尺度分别进行灞河流域2001-2012年的径流模拟,利用回归分析、纳什效率系数NSE和百分比偏差PBIAS等评价方法对两种数据的模拟效果进行对比。最后,提出了CFSR气象数据订正的方法。结果表明：① CFSR气象数据在灞河流域水文模拟中有一定的适用性,模拟结果的拟合优度R²>0.50,NSE>0.33,|PBIAS|<14.8,纳什效率系数NSE偏低。尽管CFSR气象数据质量存在一定问题,但是经过降雨数据订正后能够取得比较满意的模拟效果。② CFSR气象数据模拟流量比实测流量偏高,这主要是由于CFSR逐日降水数据估算的降雨天数较多、雨强较大,一般会导致该数据在水量平衡方面能够模拟出较高的基流和洪峰流量（个别年份除外）。③ 灞河流域CFSR降水数据（x）与实测降水数据（y）之间的关系大致可用幂指数方程表达：y = 1.4789x^0.8875（R²= 0.98,P<0.001）,每个CFSR站点的拟合方程略微不同,此方程为CFSR降水数据的订正提供了理论基础。

关键词：CFSR;气象数据;水文模拟;适用性评价;SWAT模型;灞河流域
Abstract
To discuss the applicability of CFSR reanalysis data in the hydrologic simulation of watersheds, taking the Bahe River Basin as a case, this paper uses two types of weather data to establish SWAT hydrologic model, and carries out the runoff simulation from 2001 to 2012 of the Bahe River Basin on yearly and monthly scales, and makes use of such evaluation methods as repression analysis, Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) and Percent Bias (PBIAS) to compare the simulation effect of both data. At last it puts forward CFSR weather data correction method. The research results show: (1) To some extent, CFSR climate data has applicability for hydrologic simulation in the Bahe River Basin, the R² value of the simulated results is above 0.50, the Nash-Sutcliffe Efficiency is above 0.33, and |Percent Bias (PBIAS)| is below 14.8. Although the quality of the CFSR weather data has some problems, it basically achieves a satisfactory result in the hydrologic simulation of the Bahe River Basin after rainfall data correction. (2) The simulated flow of the CFSR weather data is higher than the observed flow, the reason may be that there are more rainy days and the rainfall intensity is much stronger according to the estimation of day-to-day rainfall data by CFSR, which usually leads to the fact that the data will simulate a higher base flow and flood peak discharge in terms of the Water Balance, except for individual years. (3) The relation between the CFSR rainfall data and the observed rainfall data of the Bahe River Basin can be displayed by a power exponent equation: y=1.4789x^{0. 8875}(R²= 0.98, P <0.001); the fitted equation of each CFSR station varies slightly from others. The equation just lays a theoretical basis for correction of the CFSR rainfall data.

Keywords：CFSR;weather data;hydrologic simulation;applicability evaluation;SWAT model;Bahe River Basin

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胡胜, 曹明明, 邱海军, 宋进喜, 吴江, 高宇, 李京忠, 孙克红. CFSR气象数据在流域水文模拟中的适用性评价——以灞河流域为例[J]. , 2016, 71(9): 1571-1587 https://doi.org/10.11821/dlxb201609009
HU Sheng, CAO Mingming, QIU Haijun, SONG Jinxi, WU Jiang, GAO Yu, LI Jingzhong, SUN Kehong. Applicability evaluation of CFSR climate data for hydrologic simulation: A case study in the Bahe River Basin[J]. 地理学报, 2016, 71(9): 1571-1587 https://doi.org/10.11821/dlxb201609009

1 引言

水文气象数据作为驱动水文模型的强迫因子,其重要性不言而喻。但是,在实际研究工作中,往往会遇到水文气象数据缺失、研究区实测资料获取难度大、研究区偏远以及实测站点稀少等问题,这些大大制约了研究进展,也降低了模型运行效率。国外利用卫星数据作为水文模型的输入数据进行水文模拟的研究可以追溯到20世纪90年代^[1]。利用地面观测、卫星遥感、雷达、计算机模型等技术手段进行气象数据的反演,已经成为一种新的趋势。目前,以欧美为主的全球再分析资料在相关领域研究中应用较为广泛^[2],如美国国家环境预报中心（NCEP）和大气研究中心（NCAR）的NCEP/NCAR、美国国家环境预报中心和美国能源部（DOE）的NCEP/DOE、美国国家航空航天局（NASA）的NASA/DAO、欧洲中期数值预报中心（ECMWF）的RA-15/40、日本气象厅（JMA）和电力中央研究所（CRIEPI）的JRA-25等全球大气再分析资料计划。近年来,全球再分析气象数据在水文学领域的应用也逐渐兴起,国外许多研究者将其引入到水文建模中。例如,Ward等^[3]认为NCEP/NCAR、ECMWF 40 Year两种数据集在再分析降水方面有较大的变异性,当进行中小尺度流域建模时,高分辨率的数据更利于捕捉高频次事件;Zhao等^[4]将TRMM卫星降雨数据输入分布式水文模型,发现月尺度上TRMM卫星降雨数据比实测气象站降雨数据径流模拟的效果还好;Fuka等^[5]提出中小尺度的水文模拟在选择全球再分析数据集时要满足3个标准：① 一个开放且可用的全球再分析数据集需要包括气温和降水;② 该数据集的空间分辨率约为30 km;③ 数据集应该具有充足的历史记录以满足模型校准和验证,且该数据集能够一直更新到现在。通过对比9种全球再分析数据产品发现,美国国家环境预报中心的气候预报系统再分析（Climate Forecast System Reanalysis, CFSR）数据产品最适合中小尺度的水文模拟。
CFSR再分析数据是美国国家环境预报中心利用全球预报系统（Global Forecast System）反演的全球再分析数据产品,该数据集能够为水文预报提供实时的降水和气温预估数据。CFSR再分析数据的分辨率高、可利用性强、时间序列长、更新速度快等优点,使其成为研究者们青睐的数据来源。Dile等^[6]在气象数据缺乏的非洲青尼罗河流域进行水文预报时,将CFSR再分析资料与传统气象数据输入SWAT模型中并进行模拟精度的评价,发现CFSR气象数据月尺度模拟精度较好;Sharp等^[7]利用CFSR再分析资料的逐小时风速数据与现场观测数据进行对比后,发现CFSR再分析资料能够很好地反映出英国地形的多样性,且两种数据的相关性与其他研究者的结果具有相似性,并认为CFSR再分析资料不仅能够替代现场实测数据,而且该数据集还能与某些数据缺乏地区的降尺度数据相匹敌;Fuka等^[5]通过研究发现由CFSR降水和气温数据驱动的模型在流量模拟方面与传统气象观测数据模拟相比效果一样好,有些流域的模拟效果前者甚至优于后者。然而国内利用CFSR再分析资料进行的研究主要集中在气象学^[8-10]领域,在水文学中的应用研究还鲜见报道。仅胡增运等^[10]、唐伟等^[11]、于宴民等^[12]的研究表明CFSR再分析降水数据受到研究区地形地貌、站点数量和均匀程度、模型结构物理化参数过程等因素的影响,使得它与观测降水存在较大的差异,CFSR降水会造成洪峰模拟流量偏大,该数据在不同地区会表现出不同的适用性。上述研究表明CFSR再分析数据的数据质量有待改进,但它为缺乏观测资料地区的水文模拟提供了新的机遇。遗憾的是,虽然国内外研究者^{[4-6, 12-14]}也进行了适用性评价,但是没有提出对CFSR气象数据进行订正的方法或者订正方法过于随便简单。为了使CFSR气象数据具有更好的区域适用性,本文将对CFSR气象数据的订正方法进行初步探究。
秦岭作为中国南北方分界线,是全球气候变化的敏感区,也是陕西省山洪、泥石流、滑坡等自然灾害的易发区。由于地形地势的原因,秦岭高海拔地区水文气象站点稀少,这对山区中小尺度流域的水文模拟也是一种挑战。基于此,本文以地处秦岭北坡的灞河流域为研究区,以ArcGIS 10.2和分布式水文模型SWAT 2012为研究平台,综合运用回归分析、纳什效率系数NSE和百分比偏差PBIAS等评价方法,多方面探讨CFSR气象数据在该区域水文模拟中的适用性问题,并提出了CFSR气象数据的订正方法,以期为秦岭山地的水文模拟与山地灾害预警提供科学借鉴。

2 研究区域

灞河发源于秦岭北麓蓝田县灞源乡九道沟,位于八百里秦川中段、西安市东南,是渭河南岸的一级支流,是西安市重要的水源地之一。灞河全长104.1 km,流域面积2581 km²,地理范围介于109°00'E~109°47′E、33°50'N~34°27'N之间,流域落差1142 m,上游河道平均比降9‰,下游河道平均比降为1.58‰。流域南高北低,地势自东南向西北倾斜,上游流经秦岭石质山地,中下游流经横岭丘陵、黄土台塬和关中平原（图1）。灞河流域为暖温带大陆性季风气候,降水量由南向北逐渐递减,秦岭山区年降水量在830 mm以上,横岭丘陵、黄土台塬年降水量在710~830 mm之间,流域年蒸发量为776 mm。

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图1研究区位置与2014年土地利用类型
-->Fig. 1Map showing the location of the Bahe River Basin and the land use types in 2014
-->

3 数据来源与对比

3.1 数据来源

SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型运行需要相关的空间数据和属性数据来驱动,本文数据及其来源：① 数字高程模型（DEM）：本文采用SRTM的30 m×30 m分辨率地形产品数据,该数据由本项目团队提供,并进行了滤波处理和误差修正;② 土地利用图：本文使用灞河流域县区2014年第二次全国土地调查数据库并进行土地利用重分类,得到耕地、林地、草地、水体、建设用地和未利用地6种土地利用类型（图1）;③ 土壤数据：采用联合国粮农组织官网HWSD数据库（http://www.fao.org/home/en/）提供的1:100万土壤数据集;④ 水文数据：水文数据由西安理工大学图书馆特色馆藏《黄河流域水文资料（2001-2012）》（纸质版）整理得到,其中灞河流域涉及2个水文站和12个雨量站（表1）;⑤ 气象数据：SWAT模型需要输入逐日降水、气温、风速、相对湿度、太阳辐射等数据,本文使用两种来源的气象数据：一是传统气象数据来源于中国气象数据网（http://data.cma.gov.cn/）,选取临近灞河流域的西安站来构建SWAT模型的天气发生器;二是再分析数据来源于SWAT模型官网（http://globalweather.tamu.edu/）提供的美国国家环境预报中心的气候预报系统再分析（CFSR）数据产品。

3.2 两种水文气象数据

在SWAT模型中,气象数据是水文过程模拟的重要驱动因子,但研究者们常常很难获取到高质量的实测水文气象数据。本文的主要目的是探讨全球气候再分析产品在水文模型中能否替代实测水文气象数据（尤其是缺乏观测数据的地区）进行水文建模。由于本文旨在直观地比较传统气象数据和CFSR气象数据在SWAT模型中的表现,因此并没有进行模型的校准工作,这也是为了消除参数率定对模型模拟的影响。当然,这两种气象数据在空间尺度和时间尺度等特性上也有显著区别。
以灞河流域为例,流域内分布着12个传统的实测雨量站,站点密度较大,均匀分布在流域内部（图2）,模型采用具有时间动态的泰森多边形插值算法为子流域分配气象站点,每个雨量站控制的子流域相对较少（表1）。本文研究的时间段为2001-2012年,因为有些站点为汛期站,或因观测设备故障、升级改造滞后造成实测雨量站存在数据缺失（表1）。传统的雨量站提供了逐日观测的降水数据,12个雨量站年均降水量为763.2 mm,年均降水量最多的为辋川站（904.2 mm）,最少的为西渠站（582.8 mm）。

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图2灞河流域子流域划分与水文气象站点分布
-->Fig. 2Map showing the distribution of sub-watershed and hydrometeorological stations
-->

Tab. 1
表1
表12001-2012年灞河流域水文气象站点属性表
Tab. 1Rainfall information (2001-2012) for the conventional weather and CFSR weather in the Bahe River Basin

站点名称	编号	年均降水量(mm)	海拔高程(m)	控制子流域
灞源站^a	P01	773.9	1144	Sub13~14/17
穆家堰站^c	P02	896.3	794	Sub3~4/7~8/19/21
牧护关站^b	P03	649.9	1200	Sub25~28
蓝桥站^b	P04	676.7	1768	Sub22~23
罗李村站^c,e	P05	830.4	544	Sub12/15~16/18/20
葛牌镇站^a	P06	853.6	1145	Sub32~33
玉川站^a	P07	891.2	1117	Sub29~31
龙王庙站^c	P08	806.2	1352	Sub34~35
辋川站^a	P09	904.2	985	Sub24
蟠桃湾站^a	P10	655.5	495	Sub2/5~6/9~11
马渡王站^c,e	P11	637.2	431	Sub1
西渠站^c	P12	582.8	402	Sub1
CFSR1^d	p3391094	1223.5	1590	Sub27/29~31/33~35
CFSR2^d	p3391097	1271.0	1142	Sub28/32
CFSR3^d	p3421091	437.0	470	Sub1/5
CFSR4^d	p3421094	645.2	680	Sub2/6~12/15~16/18~20/22~24
CFSR5^d	p3421097	983.7	1385	Sub3~4/13~14/17/25~26

注：^a表示仅2001年为汛期（4-10月）观测雨量站;^b表示2001-2010年为汛期（4-10月）观测雨量站;^c表示全年观测雨量站;^d表示CFSR气象站点;^e表示水文站。

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CFSR气象数据是一种全球气候再分析的格网点数据产品,其水平分辨率为0.5°×0.5°格点,约38 km,垂直64层,与传统的实测站点相比,站点密度稀疏,适用于大中尺度流域。初次下载了灞河流域及周边6个（3×2个）CFSR站点的气象数据,SWAT模型在为子流域分配降雨站点时,自动剔除了距离流域较远的1个站点,模型实际只采用了5个CFSR站点（CFSR1~5）,其中CFSR2和CFSR3分布在流域外围。除了CFSR2和CFSR3控制的子流域较少外,其他3个站点控制的子流域范围广、数量多（表1,图2）。CFSR气象数据提供了一套完整的、专门用于SWAT模型输入的气象数据（包括逐日降水、气温、风速、相对湿度、太阳辐射）,它是以6小时间隔采样从全球气象观测网络和卫星反演数据中提取的高分辨率全球再分析数据产品,时间序列为1979年至最近年份（2014年）。CFSR气象数据具有时间序列完整、更新速度快、分辨率高、空间分布不受地形限制等特性。但是,CFSR气象数据存在过高或过低估计某些站点降水量的问题,其数据质量存在不确定性。5个CFSR站点的年均降水量为912.1 mm,年均降水量最多的为CFSR2（1271.0 mm）,最少的为CFSR3（437.0 mm）。

4 水文模型与研究方法

4.1 分布式水文模型SWAT

SWAT模型是美国农业部（USDA）农业研究局（ARS）Jeff Arnold博士开发的流域尺度模型,它具有很强的物理基础,能在资料缺乏的地区建模^[15],该模型开发的初衷是预测大流域在复杂的土地利用方式、土壤类型和管理措施条件下,土地管理对径流、泥沙和农业化学物质的长期影响^[16]。目前该模型在北美、非洲、中东、欧洲等地^{[6, 17-19]}得到广泛应用,近些年国内研究者在黄河流域、黑河流域、三江平原、北洛河流域、晋江流域、湘江流域、赣江流域、汉江流域等^{[16, 20-23]}不同气候和地形区开展过多种流域尺度的研究工作,研究内容多涉及径流泥沙模拟、土壤侵蚀、农业非点源污染、气候变化与土地利用变化对径流的响应、SWAT模型改进、不同时空尺度下的水文模拟、不同水文模型的耦合、模型参数敏感性及参数率定方法优化、SWAT模型的区域适应性探讨等问题^[16]。

4.2 模型设置

统一的投影和坐标系统是SWAT模型成功运行的基础,本文所有空间数据均采用Xi'an 1980坐标系统和3°分带的Gauss_Kruger投影系统,中央经线为108°E。在DEM河网提取时,导入从二调土地利用数据库中提取的线状河流,以保证生成河网的准确性。为提取合适数量的子流域和水文响应单元（HRUs）,在反复调试的基础上,将河流最小汇水面积设置为2000 ha（20 km²）,土地利用、土壤类型和坡度阈值分别设置为20%、20%、10%,最终生成了35个子流域（图2）和315个水文响应单元（HRUs）。SWAT模型为了获取更好的初始状态往往需要设置3~5年的预热期,本文模型预热期设置为5年,因此开始模拟时间为1996年1月1日,结束时间为2012年12月31日。此外,本文选取两种气象数据和两种时间间隔（逐月、逐年）进行水文模拟。

4.3 模型评价方法

（1）回归分析回归分析是最为基本的定量分析方法。本文使用一元线性回归分析、幂指数模型的非线性回归分析两种方法,它们都是利用数理统计的回归分析来确定两种及以上变量之间相互依赖的定量关系。考虑到这两种方法比较常用,这里不再给出其计算公式。相关变量的回归分析及其参数检验是在Excel 2013中完成的。
（2）纳什效率系数在水文学上,通常用纳什效率系数（Nash-Sutcliffe Efficiency, NSE）进行水文模型的效率评价。NSE是判定残差与观测数据方差的相对量的标准化统计值,计算公式^[24]如下：

\begin{matrix} NSE = 1 - [\frac{\overset{n}{\sum_{i = 1}} (Q_{obs}^{i} - Q_{sim}^{i})^{2}}{\overset{n}{\sum_{i = 1}} (Q_{obs}^{i} - Q_{obs}^{mean})^{2}}] \end{matrix}

（1）
式中：NSE为纳什效率系数;

\begin{matrix} Q_{obs}^{i} \end{matrix}

为第i时间间隔的观测流量;

\begin{matrix} Q_{sim}^{i} \end{matrix}

为第i时间间隔的模拟流量;

\begin{matrix} Q_{obs}^{mean} \end{matrix}

为观测流量的平均值;n为样本总数。NSE值的范围在–∞~1之间,当NSE = 1时,说明观测流量与模拟流量完全吻合;当0<NSE<1时,说明模拟效果在可接受的水平内;当NSE ≤ 0时,说明模拟流量没有实测流量好。
（3）百分比偏差百分比偏差（Percent Bias, PBIAS）也是水文模型模拟效率的重要评价指标,它是比较观测值与模拟值的平均趋势^[25],是一种能够量化水量平衡误差和衡量模型性能的便捷方法^[26]。

\begin{matrix} PBIAS = \frac{\overset{n}{\sum_{i = 1}} (Q_{obs}^{i} - Q_{sim}^{i}) \times 100}{\overset{n}{\sum_{i = 1}} (Q_{obs}^{i})} \end{matrix}

（2）
式中：变量与公式（1）中的变量意义相同。PBIAS的最佳值应该为0;PBIAS为正,表明模型模拟结果偏低;PBIAS为负,表明模拟结果偏高。

5 结果分析

5.1 传统气象数据模拟

需要强调的是本文所有的模拟结果是模型未经任何参数校准的情况下完成的。图3和图4分别显示了月尺度和年尺度上模拟流量和实测流量的流量过程线。不难发现,传统气象数据在月尺度上的模拟结果与实测结果的过程线十分吻合。但是,传统气象数据驱动的SWAT模型在基流和洪峰模拟上表现不足,普遍存在模拟结果偏低的情况。同样,年尺度的模拟结果也存在类似情况,平水年流量模拟较好,丰水年模拟偏低。为了更加准确地量化模拟结果与实测结果的关系,本文对其进行一元线性回归分析。从图5和图6的结果分析可以发现,模拟流量与实测流量呈现出非常显著（0.001<P<0.01）或是极端显著（P<0.001）的线性关系,其中罗李村、马渡王在月尺度上拟合优度R²分别为0.85、0.83,而在年尺度上的拟合优度R²稍逊一筹,分别为0.66、0.72。另外,从表2中可以看出,虽然两个水文站点的NSE均大于0,这说明月尺度和年尺度的模拟结果都在可接受范围内,但NSE在不同时间尺度上表现出较大的高低差异（NSE_month>0.7,NSE_year<0.2）。从百分比偏差PBIAS来看,罗李村和马渡王的PBIAS均大于0,说明模型模拟的流量总体偏低,但月尺度和年尺度PBIAS比较发现,这两种尺度模拟结果的偏差基本一致。综上所述,基于传统气象数据输入的SWAT模型在水文模拟方面表现较好,月尺度的模拟结果比年尺度模拟更可靠,但会造成模型的模拟值偏低。年尺度的模拟存在个别年份偏差大、纳什效率系数NSE和拟合优度R²低的问题,这主要是由于模型模拟的不确定性、水文气象数据质量和模型未进行参数率定等误差原因导致的。然而这并不是错误,选取了13个参数进行初步校准后发现,其年尺度模拟结果的NSE可以提高到0.78,拟合优度R²可以提高到0.8,|PBIAS|能够降低到5.6和7.8。

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图3灞河流域月尺度模拟流量和实测流量过程线
-->Fig. 3Hydrograph between monthly observed and simulated streamflows with conventional weather and CFSR weather
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图4灞河流域年尺度模拟流量和实测流量过程线
-->Fig. 4Hydrograph between yearly observed and simulated streamflows with conventional weather and CFSR weather
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Tab. 2
表2
表2传统气象数据和CFSR气象数据在灞河流域年月尺度的模型效率评价
Tab. 2Model performance evaluations on monthly and yearly scales in the Bahe River Basin using conventional and CFSR weather simulations

尺度	水文站	传统气象数据		CFSR气象数据
尺度	水文站	NSE	PBIAS	NSE	PBIAS
月尺度	罗李村	0.708	31.841	0.428	-4.260
月尺度	马渡王	0.718	28.640	0.372	-14.401
年尺度	罗李村	0.151	31.840	0.339	-4.523
年尺度	马渡王	0.182	28.587	0.370	-14.783

5.2 CFSR气象数据模拟

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图3~图8和表2展示了CFSR气象数据与传统气象数据在SWAT模型水文模拟方面有共同之处,但差异性也较为明显。比如,① CFSR气象数据的模拟结果和实测流量也呈现出非常显著（0.001<P<0.01）或极端显著（P<0.001）的线性关系,但两种尺度的拟合优度R²没有太大差别,月尺度拟合优度R²>0.50,年尺度拟合优度R²>0.52;② 月尺度的NSE（罗李村为0.428,马渡王为0.372）同样高于年尺度的NSE（罗李村为0.339,马渡王为0.37）,NSE大于0说明模拟效果在可接收范围内,但两种尺度的NSE均低于0.5,且CFSR气象数据在年尺度上的NSE要高于传统气象数据的NSE;③ CFSR气象数据年尺度和月尺度的PBIAS同样基本一致（PBIAS_year在-4.523~-4.260之间,PBIAS_month在-14.783~-14.401之间）,但两种尺度的PBIAS均小于0,且偏差程度远远低于传统气象数据的模拟结果。PBIAS均小于0,说明模拟的结果比实测流量偏高。综上所述,基于CFSR气象数据输入的SWAT模型在水文模拟方面表现良好,但模拟值偏高,月尺度的模拟结果比年尺度模拟更可靠。如果后续加入模型参数率定工作,那么CFSR再分析数据在灞河流域将有很好的适用性。

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图5月尺度上模拟流量与实测流量的回归分析
-->Fig. 5Regression analysis between monthly observed and simulated streamflows
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图6年尺度上模拟流量与实测流量的回归分析
-->Fig. 6Regression analysis between yearly observed and simulated streamflows
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图7月尺度上模拟流量与实测流量的回归分析
-->Fig. 7Regression analysis between monthly observed and simulated streamflows
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图8年尺度上模拟流量与实测流量的回归分析
-->Fig. 8Regression analysis between yearly observed and simulated streamflows
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5.3 两种气象数据的模拟效果比较

（1）模型评价标准方面根据本文对模型效率评价的标准,上述研究表明传统气象数据在SWAT模型模拟的整体表现要优于CFSR气象数据。但是,CFSR气象数据在年尺度模拟效果要比传统气象数据好,且该数据模拟结果的百分比偏差PBIAS要比传统气象数据模拟结果低很多。
（2）水量平衡模拟方面两种气象数据在灞河流域水量平衡估算方面具有高度的一致性（图9）,CFSR气象数据在各个环节的估算值较高。CFSR气象数据估算的年降水量（884.3 mm）比传统气象数据估算值（774.9 mm）高出109.4 mm,实际蒸散发（ET）和地表径流贡献率（SUR_Q）差异不大,CFSR气象数据模拟的河川径流有较高的地下径流（GW_Q）贡献率和侧渗流（LAT_Q）贡献率,CFSR气象数据模拟的产水量（WYLD）比传统气象数据模拟高出106.3 mm。这也是导致CFSR气象数据模拟基流和洪峰流量偏高的直接原因。

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图9两种气象数据在水量平衡模拟上的对比^（Rainfall表示年均降水量;PET表示潜在蒸散发;ET表示实际蒸散发;WYLD代表产水量,WYLD = SUR_Q + LAT_Q+GW_Q-TLOSS;SUR_Q代表地表径流对河川径流的贡献率;GW_Q代表地下径流对河川径流的贡献率;LAT_Q代表侧渗流对河川径流的贡献率;SW代表土壤含水量;PERC代表作物根际过滤的水量;TLOSS代表输移损失量）
-->Fig. 9Water balance components for the conventional weather and CFSR weather simulations in the Bahe River Basin^(Rainfall, average annual precipitation; PET, potential evapotranspiration; ET, actual evapotranspiration; WYLD, water yield, WYLD = SUR_Q + LAT_Q+GW_Q-TLOSS; SUR_Q, surface runoff contribution to streamflow; GW_Q, groundwater contribution to streamflow; LAT_Q, lateral flow contribution to streamflow; SW, soil water content;PERC, water percolating past the root zone; Q-TLOSS, transmission loss)
-->

（3）实际蒸散发模拟方面将模型2001-2012年模拟的实际蒸散发结果取平均值绘制成蒸散发月均变化曲线（图10）。可以看出,二者模拟的年均实际蒸散发量相差不大,仅相差35.2 mm,实际蒸散发年内分布具有相似的规律性,呈现一个“Λ”字形,1-6月份传统气象数据模拟值略高于CFSR气象数据模拟值,7-12月份则呈现相反的情况。

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图10两种气象数据在月均实际蒸散发和降水量模拟上的对比
-->Fig. 10Average monthly actual evapotranspiration simulated with conventional weather and CFSR weather in the Bahe River Basin
-->

（4）月均流量模拟方面图11给出了2001-2012年灞河流域两个水文站逐月平均流量的流量过程线。根据实测流量过程线可以看出,灞河流域年内存在两个较高的流量峰值,分别发生在5月和9月。CFSR气象数据和传统气象数据均能模拟出汛期变化,两种气象数据在5月的流量峰值模拟上均偏低,CFSR气象数据在9月的流量峰值模拟效果上表现令人满意,但7、8月份的径流模拟值远远高于实测值和传统气象数据模拟值,这主要是由于CFSR再分析数据对7、8月份雨量估算上比实测雨量高出了52.85%和28.33%（图10）,这也是导致年尺度上CFSR比实测降雨偏高的主要原因。同时1-5月两种气象数据模拟径流过程几乎一样,但都明显低于实测流量。

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图11两种气象数据在月均流量模拟上的对比
-->Fig. 11Average monthly streamflow hydrograph simulated with conventional weather and CFSR weather in the Bahe River Basin
-->

5.4 归因分析与CFSR气象数据订正

虽然上述研究从多种评价标准、多角度对传统气象数据和CFSR气象数据在SWAT模型径流模拟方面的表现进行了比较,但是仍然存在一些问题需要说明和探讨。
（1）在未经模型参数率定前提下的水文模拟研究中,传统气象数据在年尺度径流模拟上的拟合优度R²和纳什效率系数NSE比月尺度结果低,这主要是由于灞河流域有诸多雨量站点属于汛期（4-10月）站（表1）,造成流域内年降水量比实际值偏低。但这种情况在经过模型参数率定后可以得到改善。
（2）降雨是影响流域产汇流过程的重要因子。CFSR再分析资料估算的多年平均降水量（884.3 mm）比传统气象数据的多年平均降水量（774.9 mm）多出14.11%,而在降水量年内变化方面,除了7、8月份的降雨量大大高于传统气象数据外,其他月份没有明显差异。从水量平衡方面看,CFSR降水数据对基流、侧渗流和产水量的贡献率更大。这些也是CFSR气象数据年尺度模拟流量偏高、月尺度基流和洪峰模拟偏高的重要原因,而这恰恰能够弥补传统气象数据带来的不足。当然,这说明CFSR气象数据在水文模型模拟方面有可以发挥的空间。
鉴于CFSR气象数据是基于地面传统观测资料、卫星遥感资料、全球耦合的大气—海冰—地表模式的数据产品,且具有时空分辨率高的特点^[6],其降水数据与实测数据必然存在特定的关系^{[10, 13-14]}。事实上,对实测气象数据的订正已有很多相关研究^[27],而很少有人进行全球气候再分析数据或气象卫星数据的订正研究,目前此类气象数据的订正研究仍处于探索研究阶段。从与之相关的研究来看^{[4-6, 12-14]},有些研究者还未关注CFSR气象数据订正的重要性,有些研究者侧重于CFSR气象数据与传统气象数据的数学统计特征分析,但并没有提出数据订正的方法,有些研究者虽然关注到CFSR气象数据需要订正才能更好地用于水文建模,但是提出的订正方法存在一些问题（表3）。
Tab. 3
表3
表3近年来再分析数据订正方法的研究进展
Tab. 3Advances in revising method of reanalysis data in recent years

研究者	年份	是否涉及数据订正	订正方法	说明
Dile等^[6]	2014	否	-	将CFSR气象数据引入SWAT水文模型模拟中,但没有进行CFSR气象数据的订正研究
Fuka等^[5]	2014	否	-	将CFSR气象数据引入SWAT水文模型模拟中,但没有进行CFSR气象数据的订正研究
Worqlul等^[13]	2014	否	-	发现MPEG和CFSR两种数据产品的预估值和实际更为符合,但是CFSR的降水数据存在高估或低估的情况
Blacutt等^[14]	2015	否	-	侧重CFSR气象数据与传统气象数据的数学统计特征比较,忽视了二者在月尺度的相关性
Zhao等^[4]	2015	否	-	进行了TRMM卫星数据与实测降雨的一元线性回归,发现二者的拟合度高,但没有给出站点的拟合方程
于宴民等^[12]	2015	是	误差比率法	定义了改正系数=实测年降水量/CFSR年降水量,但仅用2005年1年的年尺度改正系数订正1990-2000年10年的逐日日尺度降水数据,修正尺度过大

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图12实测雨量站与CFSR站在不同时间尺度上的拟合关系
-->Fig. 12Fitting of rainfall between gauging station and CFSR station on monthly and yearly time scales
-->

在前人研究的基础上,本文选取了CFSR站点与最临近雨量站进行年月尺度回归分析,通过比较不同函数模型的拟合效果,发现幂指数模型月尺度的拟合度R²最高。从图12中可看出,5组站点的年尺度拟合效果较差,拟合优度R²均偏低（在0.15~0.53之间）;月尺度的拟合优度R²均大于0.96（P<0.001）,CFSR降雨量与雨量站的降雨量呈现极端显著的幂指数关系,不同组别的站点其幂指数拟合方程和拟合优度R²有所差异,高海拔（>1100 m）站点的拟合优度大于低海拔（<700 m）站点的拟合优度。图12散点图中的百分比误差线还显示高海拔站点的CFSR月均降雨量大于100 mm时,其百分比误差出现增加的趋势,而低海拔站点的CFSR月均降雨量大于35 mm时就会出现百分比误差增加的趋势。进一步地,将5个CFSR站点和12个雨量站各自多年月均降水量求平均值,得到灞河流域CFSR站和雨量站整体的多年月均降水量,进行回归分析发现,二者同样很好地满足幂指数关系,拟合公式如下：

\begin{matrix} y = 1.4789 x^{0.8875}, (R^{2} = 0.98 ， P ＜ 0.001) \end{matrix}

（3）
式中：x为CFSR站点月均降雨量;y为雨量站实测月均降雨量。该公式是基于多年月均降水数据的拟合,能够较为稳定地表现两种气象数据月尺度的函数关系,依此公式订正的月降水将更为准确,同时该幂指数方程的拟合优度R²也比Zhao等^[4]提出的一元线性方程拟合度要高,为CFSR降雨数据的订正提供了借鉴方法。

5.5 CFSR气象数据订正后的表现

如上所证,在灞河流域CFSR的降雨数据和雨量站实测降雨存在极端显著的幂指数关系,CFSR气象数据在基流和洪峰模拟方面能够从一定程度上弥补传统气象数据的不足。当然流域的径流量不仅与降雨总量有关,还与雨强时程分布有关^[28]。与雨量站逐日实测降雨对比可知,CFSR逐日降雨数据存在降水天数估算过多、暴雨雨强估算过高等问题,这就意味着其数据的准确性和区域的适用性存在一定的问题。那么如何能解决此问题呢?猜想如果依据图12中CFSR站与雨量站的月尺度拟合方程进行CFSR降水数据的订正,在一定程度上可能会降低误差,在其他条件不变的情况下,将订正后CFSR降雨数据输入到SWAT模型中再次运行模型,那订正后的降水数据是否就会有更好的表现呢?

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图132001-2003年马渡王水文站CFSR气象数据订正前后模拟效果对比
-->Fig. 13Simulation results contrast before and after CFSR weather data revision at Maduwang hydrological station in 2001-2003
-->

为了能够清楚而直观地展示CFSR气象数据订正前后的模拟效果差异,本文给出了马渡王水文站2001-2003年逐月间隔的径流模拟效果对比（图13）。从CFSR降水量订正前后的散点图可以宏观地看出,订正后的模拟效果明显提高,订正前模拟值的拟合优度R²为0.8223,纳什效率系数NSE为0.807,百分比偏差PBIAS为1.270。订正后模拟值的拟合优度R²为0.8516,纳什效率系数NSE为0.850,百分比偏差PBIAS为-5.018;同样地,从图13中的逐月流量过程线可以微观地发现,订正后的CFSR降水数据提高了基流模拟量,降低了小洪峰的峰值（如2001年7月,2002年8、9月）,同时提高了大洪峰的峰值（如2001年4月,2002年6月,2003年4、9月）使其靠近实测洪峰值。这说明订正后的CFSR降水数据更好地适应了灞河流域的水文模拟,也提升了SWAT模型的效率,同时说明公式（3）的数据订正方法是有效的。

6 结论与讨论

① CFSR气象数据和传统气象数据在SWAT模型水文模拟中有各自的优缺点,利用回归分析、纳什效率系数NSE和百分比偏差PBIAS等评价方法发现,使用未订正的CFSR气象数据,其模拟结果的纳什效率系数NSE偏低（0.33<NSE<0.5）,而经过订正后的CFSR气象数据在SWAT模型中的表现更胜一筹（图13）。从整体评价结果来看,传统气象数据在径流模拟方面仍然具有优势,但是经过订正的CFSR气象数据对观测资料缺乏地区的水文模拟来说是一种不错的选择。② 两种气象数据在不同时间尺度上的模拟效果有所差异。传统气象数据模拟流量比实测流量偏低,百分比偏差PBIAS在28.5~31.9之间。CFSR气象数据模拟流量比实测流量偏高,百分比偏差PBIAS在-14.8~-4.26之间。究其原因主要是有些雨量站为汛期站,会导致实测降雨偏少,而CFSR逐日降水数据的降雨历时长、雨强较大,一般情况下会使得CFSR气象数据在水量平衡方面能够模拟出较高的基流和洪峰流量。但经过对比分析发现,有些CFSR站点在丰水年份还存在汛期降雨量和年降雨量估计偏少的问题,其结果直接导致了地表径流的减少,造成某些年月（2003、2005、2009、2011年9月份）径流模拟偏低的异常情况,这是由CFSR气象数据的系统误差和数据质量决定的,同时也表明CFSR降水数据确实有订正的必要。③ CFSR降水数据与实测降水数据整体上存在极端显著的幂指数关系,二者的拟合方程可表达为y=1.4789x^0.8875（R²= 0.98,P<0.001）,但每个站点的拟合方程和拟合优度R²不尽相同。基于每个站点拟合方程订正后的CFSR降水数据与未订正降水数据进行模拟结果对比发现,订正后的拟合优度R²由0.8223提高到0.8516,纳什效率系数NSE由0.807提高到0.850,并且基流和洪峰流量模拟也有所改进,在一定程度上弥补了传统气象数据和未订正CFSR气象数据模拟上的不足。
CFSR气象数据提供了一整套完整的气象数据,能够灵活应用到不同的水文模型,且具有较高的时间和空间分辨率,数据容易获取,能够节约研究成本。对于没有实测气象数据或者观测数据缺乏的地区,在进行水文模拟时,CFSR气象数据不失为一种可行的选择^[6]。值得一提的是,由于地形、气候预估模式、系统误差等原因,CFSR再分析资料的逐日降雨量在湿润期存在估计过高的问题,且降雨天数也估计过多。这就意味着,没有进行数据质量控制和适用性评价分析就直接将CFSR气象数据运用到水文模型模拟之中,显然是考虑不周的。本文在CFSR降雨数据订正方面进行了初步尝试,发现了CFSR降雨数据与雨量站实测降雨之间有较好的幂指数关系,并进行了CFSR再分析资料的数据订正和订正前后的效果对比。SWAT模型的气象输入数据还包括气温、风速、相对湿度和太阳辐射,它们和实测数据之间的数量关系以及气象数据订正方法,还需要在以后的研究工作中继续深入研究。
The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献原文顺序
文献年度倒序
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[1]	Barrett C B.The development of the Nile hydrometeorological forecast system. Journal of the American Water Resources Association, 1993, 29: 933-938.https://doi.org/10.1111/j.1752-1688.1993.tb03254.x URL [本文引用: 1]摘要 ABSTRACT: The National Oceanic and Atmospheric Administration is developing a river forecast system for the Nile River in Egypt. The river forecast system operates on scientific work stations using hydrometeorological models and software to predict inflows into the high Aswan Dam and forecast flow hydrographs at selected gaging locations above the dam The Nile Forecasting System (NFS) utilizes satellite imagery from the METEOSAT satellite as the input to the forecast system. Satellite imagery is used to estimate precipitation over the Blue Nile Basin using five different techniques. Observed precipitation data and climatic statistics are used to improve precipitation estimation. Precipitation data for grid locations are input to a distributed water balance model, a hill slope routing model, and a channel routing model. A customized Geographic Information System (GIS) was developed to show political boundaries, rivers, terrain elevation, and gaging network. The GIS was used to develop hydrologic parameters for the basin and is used for multiple display features.
[2]	Zhao Tianbao, Fu Congbin, Ke Zongjian, et al.Global atmosphere reanalysis datasets: Current status and recent advances. Advances in Earth Science, 2010, 25(3): 242-254.https://doi.org/10.11867/j.issn.1001-8166.2010.03.0241 URL [本文引用: 1]摘要在过去十多年,利用资料同化技术再分析过去的气象观测资料,重建高时空分辨率的格点历史气候数据集取得了长足发展。再分析资料的问世为人们深入了解大气运动的方式、认识不同时空尺度内气候变化和变率提供了强有力的、甚至不可替代的研究工具。就当前国际上一些主要的全球大气再分析资料研究计划及其产品的概况、再分析资料在大气科学及其相关研究领域中的应用、再分析资料的评估及其在气候变化研究中存在的一些主要质量问题做了回顾与介绍,并就未来大气再分析资料研究计划的一些发展趋势予以展望。 [赵天保, 符淙斌, 柯宗建, 等. 全球大气再分析资料的研究现状与进展 . 地球科学进展, 2010, 25(3): 242-254.]https://doi.org/10.11867/j.issn.1001-8166.2010.03.0241 URL [本文引用: 1]摘要在过去十多年,利用资料同化技术再分析过去的气象观测资料,重建高时空分辨率的格点历史气候数据集取得了长足发展。再分析资料的问世为人们深入了解大气运动的方式、认识不同时空尺度内气候变化和变率提供了强有力的、甚至不可替代的研究工具。就当前国际上一些主要的全球大气再分析资料研究计划及其产品的概况、再分析资料在大气科学及其相关研究领域中的应用、再分析资料的评估及其在气候变化研究中存在的一些主要质量问题做了回顾与介绍,并就未来大气再分析资料研究计划的一些发展趋势予以展望。
[3]	Ward E, Buytaert W, Peaver L, et al.Evaluation of precipitation products over complex mountainous terrain: a water resources perspective. Advances in Water Resources, 2011, 34(10): 1222-1231.https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2011.05.007 Magsci [本文引用: 1]摘要 The availability of in situ measurements of precipitation in remote locations is limited. As a result, the use of satellite measurements of precipitation is attractive for water resources management. Combined precipitation products that rely partially or entirely on satellite measurements are becoming increasingly available. However, these products have several weaknesses, for example their failure to capture certain types of precipitation, limited accuracy and limited spatial and temporal resolution. This paper evaluates the usefulness of several commonly used precipitation products over data scarce, complex mountainous terrain from a water resources perspective. Spatially averaged precipitation time series were generated or obtained for 16 sub-basins of the Paute river basin in the Ecuadorian Andes and 13 sub-basins of the Baker river basin in Chilean Patagonia. Precipitation time series were generated using the European Centre for Medium Weather Range Forecasting (ECMWF) 40 year reanalysis (ERA-40) and the subsequent ERA-interim products, and the National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research reanalysis dataset 1 (NCEP R1) hindcast products, as well as precipitation estimation from Remotely Sensed Information using Artificial Neural Networks (PERSIANN). The Tropical Rainfall Measurement Mission (TRMM) 3B42 is also used for the Ecuadorian Andes. These datasets were compared to both spatially averaged gauged precipitation and river discharge. In general, the time series of the remotely sensed and hindcast products show a low correlation with locally observed precipitation data. Large biases are also observed between the different products. Hydrological verification based on river flows reveals that water balance errors can be extremely high for all evaluated products, including interpolated local data, in basins smaller than 1000 km(2). The observations are consistent over the two study regions despite very different climatic settings and hydrological processes, which is encouraging for extrapolation to other mountainous regions. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.
[4]	Zhao Haigen, Yang Shengtian, Wang Zhiwei, et al.Evaluating the suitability of TRMM satellite rainfall data for hydrological simulation using a distributed hydrological model in the Weihe River catchment in China. Journal of Geographical Sciences, 2015, 25(2): 177-195.https://doi.org/10.1007/s11442-015-1161-3 Magsci [本文引用: 5]摘要 <p>The objective of this study is to quantitatively evaluate Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) data with rain gauge data and further to use this TRMM data to drive a Distributed Time-Variant Gain Model (DTVGM) to perform hydrological simulations in the semi-humid Weihe River catchment in China. Before the simulations, a comparison with a 10-year (2001-2010) daily rain gauge data set reveals that, at daily time step, TRMM rainfall data are better at capturing rain occurrence and mean values than rainfall extremes. On a monthly time scale, good linear relationships between TRMM and rain gauge rainfall data are found, with determination coefficients <i>R</i><sup>2</sup> varying between 0.78 and 0.89 for the individual stations. Subsequent simulation results of seven years (2001-2007) of data on daily hydrological processes confirm that the DTVGM when calibrated by rain gauge data performs better than when calibrated by TRMM data, but the performance of the simulation driven by TRMM data is better than that driven by gauge data on a monthly time scale. The results thus suggest that TRMM rainfall data are more suitable for monthly streamflow simulation in the study area, and that, when the effects of recalibration and the results for water balance components are also taken into account, the TRMM 3B42-V7 product has the potential to perform well in similar basins.</p>
[5]	Fuka D R, Walter M T, MacAlister C, et al. Using the Climate Forecast System Reanalysis as weather input data for watershed models. Hydrological Processes, 2014, 28(22): 5613-5623.https://doi.org/10.1002/hyp.10073 Magsci [本文引用: 3]摘要 Obtaining representative meteorological data for watershed-scale hydrological modelling can be difficult and time consuming. Land-based weather stations do not always adequately represent the weather occurring over a watershed, because they can be far from the watershed of interest and can have gaps in their data series, or recent data are not available. This study presents a method for using the Climate Forecast System Reanalysis (CFSR) global meteorological dataset to obtain historical weather data and demonstrates the application to modelling five watersheds representing different hydroclimate regimes. CFSR data are available globally for each hour since 1979 at a 38-km resolution. Results show that utilizing the CFSR precipitation and temperature data to force a watershed model provides stream discharge simulations that are as good as or better than models forced using traditional weather gauging stations, especially when stations are more than 10km from the watershed. These results further demonstrate that adding CFSR data to the suite of watershed modelling tools provides new opportunities for meeting the challenges of modelling un-gauged watersheds and advancing real-time hydrological modelling. Copyright (C) 2013 John Wiley & Sons, Ltd.
[6]	Dile Y T, Srinivasan R.Evaluation of CFSR climate data for hydrologic prediction in data-scarce watersheds: An application in the Blue Nile River Basin. Journal of the American Water Resources Association, 2014, 50(5): 1226-1241.https://doi.org/10.1111/jawr.12182 URL [本文引用: 7]摘要 Data scarcity has been a huge problem in modeling the water resources of the Upper Blue Nile basin, Ethiopia. Satellite data and different statistical methods have been used to improve the quality of conventional meteorological data. This study assesses the applicability of the National Centers for Environmental Prediction's Climate Forecast System Reanalysis (CFSR) climate data in modeling the hydrology of the region. The Soil and Water Assessment Tool was set up to compare the performance of CFSR weather with that of conventional weather in simulating observed streamflow at four river gauging stations in the Lake Tana basin — the upper part of the Upper Blue Nile basin. The conventional weather simulation performed satisfactorily (e.g., NSE02≥020.5) for three gauging stations, while the CFSR weather simulation performed satisfactorily for two. The simulations with CFSR and conventional weather yielded minor differences in the water balance components in all but one watershed, where the CFSR weather simulation gave much higher average annual rainfall, resulting in higher water balance components. Both weather simulations gave similar annual crop yields in the four administrative zones. Overall the simulation with the conventional weather performed better than the CFSR weather. However, in data‐scarce regions such as remote parts of the Upper Blue Nile basin, CFSR weather could be a valuable option for hydrological predictions where conventional gauges are not available.
[7]	Sharp E, Dodds P, Barrett M, et al.Evaluating the accuracy of CFSR reanalysis hourly wind speed forecasts for the UK, using in situ measurements and geographical information. Renewable Energy, 2015, 77: 527-538.https://doi.org/10.1016/j.renene.2014.12.025 URL [本文引用: 1]摘要 Climate data can be used in simulations to estimate the output of wind turbines in locations where meteorological observations are not available. We perform the most comprehensive evaluation of the NCEP CFSR reanalysis model hourly wind speed hindcasts to date, and the first for the UK, by correlating the data against 264 onshore and 12 offshore synoptic weather stations, over a period of 30 years. The correlation of CFSR data to in situ measurements is similar to alternative approaches used in other studies both onshore and offshore. We investigate the impact of the topography, land use and mean wind speed on the onshore locations for the first time. The analysis of these spatial factors shows that CFSR represents the variety of terrain over UK well, and that the worst correlated sites are those at the highest elevations.
[8]	Xu Suqin, Chen Jie, Song Rugang.The application study of NCEP reanalysis data. Journal of Qingdao University(Natural Science Edition), 2010, 23(3): 38-41.https://doi.org/10.3969/j.issn.1006-1037.2010.03.010 URL [本文引用: 1]摘要海上仪器设备长期暴露于复杂的海洋环境下,其所处的海上大气环境直接影响仪器设备的腐蚀程度,从而对仪器性能的发挥带来巨大影响。利用NCEP再分析资料提供的1 000 hpa大气温湿度和风速,结合其在对流层的变化规律,推求任意高度大气环境参数,利用模糊C-均值聚类算法,将中国沿海海域划分为几个对腐蚀影响程度不同的区域,为海上仪器设备制造、养护提供环境信息支持。 [许素芹, 陈捷, 宋汝刚. NCEP再分析资料应用研究 . 青岛大学学报(自然科学版), 2010, 23(3): 38-41.]https://doi.org/10.3969/j.issn.1006-1037.2010.03.010 URL [本文引用: 1]摘要海上仪器设备长期暴露于复杂的海洋环境下,其所处的海上大气环境直接影响仪器设备的腐蚀程度,从而对仪器性能的发挥带来巨大影响。利用NCEP再分析资料提供的1 000 hpa大气温湿度和风速,结合其在对流层的变化规律,推求任意高度大气环境参数,利用模糊C-均值聚类算法,将中国沿海海域划分为几个对腐蚀影响程度不同的区域,为海上仪器设备制造、养护提供环境信息支持。
[9]	Xiang Hua, Zhang Feng, Jiang Jing, et al.Analysis of global cloud amount over the past 30 years based on CFSR data. Meteorological Monthly, 2014, 40(5): 555-561.https://doi.org/10.7519/j.issn.1000-0526.2014.05.005 URL摘要在利用MODIS卫星的云产品资料对CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)再分析资料云产品质量进行检验评估的基础上,采用CFSR资料对1979—2009年全球总云量及低、中、高云量的平均分布及其随纬度的变化进行了分析;用经验模态分解(EMD)方法分析了近30年全球云量的变化趋势,结果表明:(1)全球近30年平均总云量约为59%,全球总云量及低云量、中云量都有明显的纬向分布特征,全球总云量有3个峰值带和3个低值带。(2)低云量的海陆分布差异较明显,陆地上的低云量明显低于海洋上的,除了两个极圈附近,南半球各纬度的低云量都比北半球相应纬度上的都要多;高云量的高值、低值中心均集中在赤道附近到南、北半球30°之间的中低纬度,并且低值中心主要分布在大洋的东部。(3)总云量的总变化趋势为增长,具体表现为随时间呈现先略减少后大幅增加趋势,其突变点大致在1993年,在1993年之后,总云量显著增多。低云量和高云量均呈现增长趋势,中云量则相反,呈减少趋势。低云量增幅最明显,接近2%,中、高云量则增减幅度较小。 [向华, 张峰, 江静, 等. 利用CFSR资料分析近30年全球云量分布及变化 . 气象, 2014, 40(5): 555-561.]https://doi.org/10.7519/j.issn.1000-0526.2014.05.005 URL摘要在利用MODIS卫星的云产品资料对CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)再分析资料云产品质量进行检验评估的基础上,采用CFSR资料对1979—2009年全球总云量及低、中、高云量的平均分布及其随纬度的变化进行了分析;用经验模态分解(EMD)方法分析了近30年全球云量的变化趋势,结果表明:(1)全球近30年平均总云量约为59%,全球总云量及低云量、中云量都有明显的纬向分布特征,全球总云量有3个峰值带和3个低值带。(2)低云量的海陆分布差异较明显,陆地上的低云量明显低于海洋上的,除了两个极圈附近,南半球各纬度的低云量都比北半球相应纬度上的都要多;高云量的高值、低值中心均集中在赤道附近到南、北半球30°之间的中低纬度,并且低值中心主要分布在大洋的东部。(3)总云量的总变化趋势为增长,具体表现为随时间呈现先略减少后大幅增加趋势,其突变点大致在1993年,在1993年之后,总云量显著增多。低云量和高云量均呈现增长趋势,中云量则相反,呈减少趋势。低云量增幅最明显,接近2%,中、高云量则增减幅度较小。
[10]	Hu Yunzeng, Ni Yongyong, Shao Hua, et al.Applicability study of CFSR, ERA-Interim and MERRA precipitation estimates in Central Asia. Arid Land Geography, 2013, 36(4): 700-708.Magsci [本文引用: 3]摘要利用中亚1979-2011年间162个观测站点月降水数据（<em>OBS</em>），以平均偏差（<em>MBE</em>）、相关系数（<em>R</em>）、平均绝对误差（<em>MAE</em>）和均方根误差（<em>RMSE</em>）对CFSR、ERA-Interim和MERRA气象再分析降水数据在中亚地区的适用性进行评估。结果表明：（1）3套数据的模拟效果存在明显差异。其中MERRA的模拟精度最高（<em>R</em>=0.71），ERA-Interim次之（<em>R</em>=0.53），CFSR最低（<em>R</em>=0.50）；体现出3套数据不同的同化方案和数据源导致模拟效果的不同；（2）降水的年内变化上，3套再分析数据之间具有较好的一致性，但对[OBS]均表现出高估，并且对强降水月份（3，4月）高估幅度最大；（3）3套数据对海拔500～1 000 m地区的降水模拟精度最好，超过1 000 m后，随海拔升高模拟精度下降。以上规律可为3套数据的订正及其在中亚地区气候变化研究中的应用提供科学依据。 [胡增运, 倪勇勇, 邵华, 等. CFSR、ERA-Interim和MERRA降水资料在中亚地区的适用性 . 干旱区地理, 2013, 36(4): 700-708.]Magsci [本文引用: 3]摘要利用中亚1979-2011年间162个观测站点月降水数据（<em>OBS</em>），以平均偏差（<em>MBE</em>）、相关系数（<em>R</em>）、平均绝对误差（<em>MAE</em>）和均方根误差（<em>RMSE</em>）对CFSR、ERA-Interim和MERRA气象再分析降水数据在中亚地区的适用性进行评估。结果表明：（1）3套数据的模拟效果存在明显差异。其中MERRA的模拟精度最高（<em>R</em>=0.71），ERA-Interim次之（<em>R</em>=0.53），CFSR最低（<em>R</em>=0.50）；体现出3套数据不同的同化方案和数据源导致模拟效果的不同；（2）降水的年内变化上，3套再分析数据之间具有较好的一致性，但对[OBS]均表现出高估，并且对强降水月份（3，4月）高估幅度最大；（3）3套数据对海拔500～1 000 m地区的降水模拟精度最好，超过1 000 m后，随海拔升高模拟精度下降。以上规律可为3套数据的订正及其在中亚地区气候变化研究中的应用提供科学依据。
[11]	Tang Wei, Lin Zhaohui, Yang Chuanguo, et al.Evaluation of a hydrological simulation over the Huaihe River basin using the coupled land surface and hydrologic model system and its uncertainty analysis. Climatic and Environmental Research, 2014, 19(4): 463-476.https://doi.org/10.3878/j.issn.1006-9585.2013.13066 URL [本文引用: 1]摘要利用最新的 CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)再分析及观测的降水和地表气温资料驱动陆面水文耦合模式CLHMS(Coupled Land surface and Hydrologic Model System),对淮河流域1980~2003年共24年的水文水循环过程进行了模拟,系统评估了CLHMS对淮河流域水文过程的模拟能力及其不确定性。分析结果表明,CLHMS模式对淮河流域水文过程具有良好的模拟能力,模式尤其对湿润年份流域的水量平衡以及河道流量的季节、年际变化具有很强的模拟能力,而对降水偏少的干旱年份,模式模拟的河道流量通常会高于观测实况,与实况间存在着一定的偏差,而这也是导致CLHMS对流域水文过程模拟能力存在显著年代际差异的主要原因。基于三组不同降水强迫的流域水文过程模拟结果比较表明,降水驱动资料准确与否是陆面水文模拟最主要的不确定性来源之一,正是由于 CFSR再分析降水与观测降水之间存在较大的差异,从而导致CFSR降水驱动下模式模拟的淮河流域河道流量与观测存在较大的偏差,其模拟性能相对较差。进一步分析还表明,可以保持较强降水日变化的时间解集方法,也是保证合理模拟流域水文过程的重要因素。 [唐伟, 林朝晖, 杨传国, 等. 基于陆面水文耦合模式CLHMS的淮河流域水文过程的模拟评估及其不确定性分析 . 气候与环境研究, 2014, 19(4): 463-476.]https://doi.org/10.3878/j.issn.1006-9585.2013.13066 URL [本文引用: 1]摘要利用最新的 CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)再分析及观测的降水和地表气温资料驱动陆面水文耦合模式CLHMS(Coupled Land surface and Hydrologic Model System),对淮河流域1980~2003年共24年的水文水循环过程进行了模拟,系统评估了CLHMS对淮河流域水文过程的模拟能力及其不确定性。分析结果表明,CLHMS模式对淮河流域水文过程具有良好的模拟能力,模式尤其对湿润年份流域的水量平衡以及河道流量的季节、年际变化具有很强的模拟能力,而对降水偏少的干旱年份,模式模拟的河道流量通常会高于观测实况,与实况间存在着一定的偏差,而这也是导致CLHMS对流域水文过程模拟能力存在显著年代际差异的主要原因。基于三组不同降水强迫的流域水文过程模拟结果比较表明,降水驱动资料准确与否是陆面水文模拟最主要的不确定性来源之一,正是由于 CFSR再分析降水与观测降水之间存在较大的差异,从而导致CFSR降水驱动下模式模拟的淮河流域河道流量与观测存在较大的偏差,其模拟性能相对较差。进一步分析还表明,可以保持较强降水日变化的时间解集方法,也是保证合理模拟流域水文过程的重要因素。
[12]	Yu Yanmin, Mu Zhenxia.Applicability of CFSR data in runoff simulation of cold highland area. Journal of Irrigation and Drainage, 2015, 34(11): 93-97.https://doi.org/10.13522/j.cnki.ggps.2015.11.020 URL [本文引用: 4]摘要以天山西部山区为研究区,对CFSR降雨数据在高寒山区的适用性进行探讨。以研究区资料较完整的2005年实测面平均降雨量为基准,提取同时间频率的SWAT官网站点的2005年平均降水量,与2005年实际官网降水数据进行分析统计并计算2种数据之间的误差比率,用此比率对CFSR数据进行修正,并将修正前和修正后的降雨数据分别带入SWAT模型中对流域径流进行模拟。结果表明,由于修正前的降水数据与实测数据偏差很大,导致径流量偏大,峰值很高,NSE和RE较低;而修正后的降水数据能很好地反映研究区的降水变化趋势,模拟结果较好,修正后的CFSR降雨数据能够较好地适用于研究区。 [于宴民, 穆振侠. CFSR数据在高寒山区径流模拟中的适用性 . 灌溉排水学报, 2015, 34(11): 93-97.]https://doi.org/10.13522/j.cnki.ggps.2015.11.020 URL [本文引用: 4]摘要以天山西部山区为研究区,对CFSR降雨数据在高寒山区的适用性进行探讨。以研究区资料较完整的2005年实测面平均降雨量为基准,提取同时间频率的SWAT官网站点的2005年平均降水量,与2005年实际官网降水数据进行分析统计并计算2种数据之间的误差比率,用此比率对CFSR数据进行修正,并将修正前和修正后的降雨数据分别带入SWAT模型中对流域径流进行模拟。结果表明,由于修正前的降水数据与实测数据偏差很大,导致径流量偏大,峰值很高,NSE和RE较低;而修正后的降水数据能很好地反映研究区的降水变化趋势,模拟结果较好,修正后的CFSR降雨数据能够较好地适用于研究区。
[13]	Worqlul A W, Maathuis B, Adem A A, et al.Comparison of rainfall estimations by TRMM 3B42, MPEG and CFSR with ground-observed data for the Lake Tana basin in Ethiopia. Hydrology & Earth System Sciences, 2014, 18(18): 4871-4881.https://doi.org/10.5194/hess-18-4871-2014 URL [本文引用: 2]摘要 ABSTRACT Planning for drought relief and floods in developing countries is greatly hampered by the lack of a sufficiently dense network of weather stations measuring precipitation.In this paper, we test the utility of three satellite products to augment the ground-based precipitation measurement to provide improved spatial estimates of rainfall. The three products are the Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) product (3B42), Multi-Sensor Precipitation Estimate–Geostationary (MPEG) and the Climate Forecast System Reanalysis (CFSR). The accuracy of the three products is tested in the Lake Tana basin in Ethiopia, where 38 weather stations were available in 2010 with a full record of daily precipitation amounts. Daily gridded satellite-based rainfall estimates were compared to (1) point observed ground rainfall and (2) areal rainfall in the major river sub-basins of Lake Tana. The result shows that the MPEG and CFSR satellites provided the most accurate rainfall estimates. On average, for 38 stations, 78 and 86% of the observed rainfall variation is explained by MPEG and CFSR data, respectively, while TRMM explained only 17% of the variation. Similarly, the areal comparison indicated a better performance for both MPEG and CFSR data in capturing the pattern and amount of rainfall. MPEG and CFSR also have a lower root mean square error (RMSE) compared to the TRMM 3B42 satellite rainfall. The bias indicated that TRMM 3B42 was, on average, unbiased, whereas MPEG consistently underestimated the observed rainfall. CFSR often produced large overestimates.
[14]	Blacutt L A, Herdies D L, Gon?alves L G G D, et ak. Precipitation comparison for the CFSR, MERRA, TRMM3B42 and Combined Scheme datasets in Bolivia. Atmospheric Research, 2015, 163: 117-131.https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2015.02.002 URL [本文引用: 4]摘要 The statistical variables indicated that CoSch's correlation coefficient was highest for every season and basin. Additionally, the bias and RMSE values suggested that CoSch closely represented the surface observations.
[15]	Wang Zhonggen, Liu Changming, Huang Youbo.The theory of SWAT model and its application in Heihe Basin. Grogress in Geography, 2003, 22(1): 79-86.https://doi.org/10.11820/dlkxjz.2003.01.010 Magsci [本文引用: 1]摘要 SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)是一个具有很强物理机制的长时段的流域分布式水文模型。它能够利用GIS和RS提供的空间数据信息,模拟复杂大流域中多种不同的水文物理过程,包括水、沙、化学物质和杀虫剂的输移与转化过程。本文着重探讨SWAT模型的水文学原理和模型的基本结构与独特的分布式运行控制方式,并将其成功应用于西北寒区(黑河莺落峡以上流域)的分布式日径流过程的模拟。 [王中根, 刘昌明, 黄友波. SWAT模型的原理、结构及应用研究 . 地理科学进展, 2003, 22(1): 79-86.]https://doi.org/10.11820/dlkxjz.2003.01.010 Magsci [本文引用: 1]摘要 SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)是一个具有很强物理机制的长时段的流域分布式水文模型。它能够利用GIS和RS提供的空间数据信息,模拟复杂大流域中多种不同的水文物理过程,包括水、沙、化学物质和杀虫剂的输移与转化过程。本文着重探讨SWAT模型的水文学原理和模型的基本结构与独特的分布式运行控制方式,并将其成功应用于西北寒区(黑河莺落峡以上流域)的分布式日径流过程的模拟。
[16]	Hu Sheng.Simulation and prediction research of the ecohydrological process based on SWAT model in Beiluo River Basin [D]. Xi'an:Northwest University, 2015. [本文引用: 3] [胡胜. 基于SWAT模型的北洛河流域生态水文过程模拟与预测研究 [D]. 西安: 西北大学, 2015.] [本文引用: 3]
[17]	Rouholahnejad E, Abbaspour K C, Srinivasan R, et al.Water resources of the Black Sea Basin at high spatial and temporal resolution. Water Resources Research, 2014, 50(7): 5866-5885.https://doi.org/10.1002/2013WR014132 Magsci [本文引用: 1]摘要 The pressure on water resources, deteriorating water quality, and uncertainties associated with the climate change create an environment of conflict in large and complex river system. The Black Sea Basin (BSB), in particular, suffers from ecological unsustainability and inadequate resource management leading to severe environmental, social, and economical problems. To better tackle the future challenges, we used the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) to model the hydrology of the BSB coupling water quantity, water quality, and crop yield components. The hydrological model of the BSB was calibrated and validated considering sensitivity and uncertainty analysis. River discharges, nitrate loads, and crop yields were used to calibrate the model. Employing grid technology improved calibration computation time by more than an order of magnitude. We calculated components of water resources such as river discharge, infiltration, aquifer recharge, soil moisture, and actual and potential evapotranspiration. Furthermore, available water resources were calculated at subbasin spatial and monthly temporal levels. Within this framework, a comprehensive database of the BSB was created to fill the existing gaps in water resources data in the region. In this paper, we discuss the challenges of building a large-scale model in fine spatial and temporal detail. This study provides the basis for further research on the impacts of climate and land use change on water resources in the BSB.
[18]	Abbaspour K C, Rouholahnejad E, Vaghefi S, et al.A continental-scale hydrology and water quality model for Europe: Calibration and uncertainty of a high-resolution large-scale SWAT model. Journal of Hydrology, 2015, 524: 733-752.https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2015.03.027 URL摘要 A combination of driving forces are increasing pressure on local, national, and regional water supplies needed for irrigation, energy production, industrial uses, domestic purposes, and the environment. In many parts of Europe groundwater quantity, and in particular quality, have come under sever degradation and water levels have decreased resulting in negative environmental impacts. Rapid improvements in the economy of the eastern European block of countries and uncertainties with regard to freshwater availability create challenges for water managers. At the same time, climate change adds a new level of uncertainty with regard to freshwater supplies. In this research we build and calibrate an integrated hydrological model of Europe using the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) program. Different components of water resources are simulated and crop yield and water quality are considered at the Hydrological Response Unit (HRU) level. The water resources are quantified at subbasin level with monthly time intervals. Leaching of nitrate into groundwater is also simulated at a finer spatial level (HRU). The use of large-scale, high-resolution water resources models enables consistent and comprehensive examination of integrated system behavior through physically-based, data-driven simulation. In this article we discuss issues with data availability, calibration of large-scale distributed models, and outline procedures for model calibration and uncertainty analysis. The calibrated model and results provide information support to the European Water Framework Directive and lay the basis for further assessment of the impact of climate change on water availability and quality. The approach and methods developed are general and can be applied to any large region around the world.
[19]	Troin M, Caya D, Velázquez J A, et al.Hydrological response to dynamical downscaling of climate model outputs. Journal of Hydrology Regional Studies, 2015, 4: 595-610.https://doi.org/10.1016/j.ejrh.2015.09.003 URL [本文引用: 1]摘要 An analysis of hydrological response to a dynamically downscaled multi-member multi-model global climate model (GCM) ensemble of simulations based on the Canadian Regional Climate Model (CRCM) is presented for three snowmelt-dominated basins in Canada. The basins are situated in the western mountainous (British Columbia) and eastern level (Quebec) regions in Canada, providing comprehensive experiments to validate the CRCM over various topographic features.The evaluation of the CRCM as a tool to improve GCM simulations of catchment scale hydrology is investigated within the bounds of uncertainty associated with RCM simulations. Daily climate variables were extracted from a 30-year CRCM and GCM ensemble simulations. The hydrological response was assessed through the comparison of catchment water components simulated by SWAT.Results show that the CRCM captures the primary features of observed climate, but there are significant biases. Most noteworthy are a positive bias in precipitation and a negative bias in temperature over the BC basin. When looking at the hydrological modeling results, the benefit of using the RCMGCMs emerged distinctly for the mountainous BC basin where the RCM is preferred over the GCMs. The sensitivity experiments show that uncertainty in the GCM/RCM’s internal variability must be assessed to provide suitable regional hydrological responses to climate change.
[20]	Liu Changming, Xia Jun, Guo Shenglian, et al.Advances in distributed hydrological modeling in the Yellow River basin. Advances in Water Science, 15(4): 495-500.Magsci [本文引用: 1]摘要结合国家重点基础研究规划项目"黄河流域水资源演化规律与可再生性维持机理"的研究,综述了黄河流域分布式水文模型研究的主要进展,包括分布式水文模型的特点和基本结构、分布式水文模型中的数字高程模型(DEM)和水文学基础、地理信息系统(GIS)和遥感(RS)在分布式水文模拟中的应用等方面的内容,对未来分布式水文模型的研究提出几点认识。 [刘昌明, 夏军, 郭生练, 等. 黄河流域分布式水文模型初步研究与进展 . 水科学进展, 2004, 15(4): 495-500.]Magsci [本文引用: 1]摘要结合国家重点基础研究规划项目"黄河流域水资源演化规律与可再生性维持机理"的研究,综述了黄河流域分布式水文模型研究的主要进展,包括分布式水文模型的特点和基本结构、分布式水文模型中的数字高程模型(DEM)和水文学基础、地理信息系统(GIS)和遥感(RS)在分布式水文模拟中的应用等方面的内容,对未来分布式水文模型的研究提出几点认识。
[21]	Lai Zhengqing, Li Shuo, Li Chenggang, et al.Improvement and applications of SWAT model in the Upper-middle Heihe River Basin. Journal of Natural Resources, 2013, 28(8): 1404-1413.https://doi.org/10.11849/zrzyxb.2013.08.013 Magsci摘要基于物理机制的分布式水文模型是定量化研究人类活动影响下流域水文过程非常有效的工具。使用SWAT(Soil and Water Assessment Tool)对黑河中上游流域2000—2009年的月平均径流过程进行模拟的结果表明,SWAT模型很好地模拟了黑河上游自然状态下的径流过程,但对中游地区冬季径流模拟明显偏低。分析表明,黑河中游地形和农业生产高强度、反复的地下水抽取灌溉—渗透—地下水补给过程可能是导致模拟偏低的主要原因。基于此机制,论文提出了增加地下水下渗过程的模型修改方案,来间接模拟黑河中游的这一特定过程。对比模型修改前后的黑河中游的径流过程模拟结果表明,验证期的模型效率系数<em>ENS</em>和决定系数<em>R</em><sup>2</sup>分别从0.53、0.61提高到了0.70、0.75,取得了较好的模拟结果。结果还表明,加强对黑河中游人工灌溉过程的模拟研究对于研究黑河中游水资源管理和水循环过程至关重要。 [赖正清, 李硕, 李呈罡, 等. SWAT模型在黑河中上游流域的改进与应用 . 自然资源学报, 2013, 28(8): 1404-1413.]https://doi.org/10.11849/zrzyxb.2013.08.013 Magsci摘要基于物理机制的分布式水文模型是定量化研究人类活动影响下流域水文过程非常有效的工具。使用SWAT(Soil and Water Assessment Tool)对黑河中上游流域2000—2009年的月平均径流过程进行模拟的结果表明,SWAT模型很好地模拟了黑河上游自然状态下的径流过程,但对中游地区冬季径流模拟明显偏低。分析表明,黑河中游地形和农业生产高强度、反复的地下水抽取灌溉—渗透—地下水补给过程可能是导致模拟偏低的主要原因。基于此机制,论文提出了增加地下水下渗过程的模型修改方案,来间接模拟黑河中游的这一特定过程。对比模型修改前后的黑河中游的径流过程模拟结果表明,验证期的模型效率系数<em>ENS</em>和决定系数<em>R</em><sup>2</sup>分别从0.53、0.61提高到了0.70、0.75,取得了较好的模拟结果。结果还表明,加强对黑河中游人工灌溉过程的模拟研究对于研究黑河中游水资源管理和水循环过程至关重要。
[22]	Liu Guihua, Luan Zhaoqing, Yan Baixing, et al.Runoff simulation for marsh rivers in Sanjiang Plain based on SWAT model. Journal of China Hydrology, 2014, 34(1): 46-51.https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-0852.2014.01.009 URL摘要三江平原位于中国东北部,是国家重要的商品粮基地,水资源的变化影响区域农业经济的发展.应用SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型模拟挠力河上游流域径流变化特征,为研究沼泽性河流水文变化特征提供有效的方法.根据水文相似性原理和参数移植法把校准的模型应用于七星河流域,进行无资料流域的径流模拟,年径流模拟校准期和验证期的Nash-Sutcliffe效率系数、相关系数R2、相对误差PBIAS值分别为 0.84、0.94、-5.70和0.91、0.93、-6.46,表明SWAT模型可以应用到七星河流域. [刘贵花, 栾兆擎, 阎百兴, 等. 基于SWAT模型的三江平原沼泽性河流的径流模拟 . 水文, 2014, 34(1): 46-51.]https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-0852.2014.01.009 URL摘要三江平原位于中国东北部,是国家重要的商品粮基地,水资源的变化影响区域农业经济的发展.应用SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型模拟挠力河上游流域径流变化特征,为研究沼泽性河流水文变化特征提供有效的方法.根据水文相似性原理和参数移植法把校准的模型应用于七星河流域,进行无资料流域的径流模拟,年径流模拟校准期和验证期的Nash-Sutcliffe效率系数、相关系数R2、相对误差PBIAS值分别为 0.84、0.94、-5.70和0.91、0.93、-6.46,表明SWAT模型可以应用到七星河流域.
[23]	Wang Lin, Chen Xingwei.Simulation of hydrological effects on vegetation restoration of degraded mountain ecosystem with SWAT model. Journal of Mountain Science, 2008, 26(1): 71-75.https://doi.org/10.3969/j.issn.1008-2786.2008.01.012 URL [本文引用: 1]摘要植被恢复是改善退化生态环境的重要途径。位于闽东南沿海的晋江西溪流域是我国南方典型的水土流失区。应用基于SWAT的晋江西溪流域产流产沙分布式模型,结合流域内退化生态系统重建要求设定不同植被恢复情景,模拟分析植被恢复下的水文效应。模拟结果表明:SWAT模型能较好的用于流域退化生态系统重建的水文模拟;研究区内,还林比还草更有利于流域的水土保持和生态重建,植被恢复对流域产沙量的影响大于产流量。 [王林, 陈兴伟. 退化山地生态系统植被恢复水文效应的SWAT模拟 . 山地学报, 2008, 26(1): 71-75.]https://doi.org/10.3969/j.issn.1008-2786.2008.01.012 URL [本文引用: 1]摘要植被恢复是改善退化生态环境的重要途径。位于闽东南沿海的晋江西溪流域是我国南方典型的水土流失区。应用基于SWAT的晋江西溪流域产流产沙分布式模型,结合流域内退化生态系统重建要求设定不同植被恢复情景,模拟分析植被恢复下的水文效应。模拟结果表明:SWAT模型能较好的用于流域退化生态系统重建的水文模拟;研究区内,还林比还草更有利于流域的水土保持和生态重建,植被恢复对流域产沙量的影响大于产流量。
[24]	Nash J E, Sutcliffe J V.River flow forecasting through conceptual models (Part 1): A discussion of principles. Journal of Hydrology, 1970, 10(3): 282-290.https://doi.org/10.1016/0022-1694(70)90255-6 URL [本文引用: 1]摘要 THE PRINCIPLES GOVERNING THE APPLICATION OF THE CONCEPTUAL MODEL TECHNIQUE TO RIVER FLOW FORECASTING ARE DISCUSSED. THE NECESSITY FOR A SYSTEMATIC APPROACH TO THE DEVELOPMENT AND TESTING OF THE MODEL IS EXPLAINED AND SOME PRELIMINARY IDEAS SUGGESTED. /AUTHOR/
[25]	Gupta H V, Sorooshian S, Yapo P O.Status of automatic calibration for hydrologic models: Comparison with multilevel expert calibration. Journal of Hydrologic Engineering, 1999, 4(2): 135-143.https://doi.org/10.1061/(ASCE)1084-0699(1999)4:2(135)URL [本文引用: 1]摘要 The usefulness of a hydrologic model depends on how well the model is calibrated. Therefore, the calibration procedure must be conducted carefully to maximize the reliability of the model. In general, manual procedures for calibration can be extremely time-consuming and frustrating, and this has been a major factor inhibiting the widespread use of the more sophisticated and complex hydrologic models. A global optimization algorithm entitled shuffled complex evolution recently was developed that has proved to be consistent, effective, and efficient in locating the globally optimal model parameters of a hydrologic model. In this paper, the capability of the shuffled complex evolution automatic procedure is compared with the interactive multilevel calibration multistage semiautomated method developed for calibration of the Sacramento soil moisture accounting streamflow forecasting model of the U.S. National Weather Service. The results suggest that the state-of-the-art in automatic calibration now can be expected to perform with a level of skill approaching that of a well-trained hydrologist. This enables the hydrologist to take advantage of the power of automated methods to obtain good parameter estimates that are consistent with the historical data and to then use personal judgment to refine these estimates and account for other factors and knowledge not incorporated easily into the automated procedure. The analysis also suggests that simple split-sample testing of model performance is not capable of reliably indicating the existence of model divergence and that more robust performance evaluation criteria are needed.
[26]	Moriasi D N, Arnold J G, Liew M W V, et al. Model evaluation guidelines for systematic quantificat ion of accuracy in watershed simulations. Transactions of the Asabe, 2007, 50(3): 885-900.https://doi.org/10.1111/j.1540-8175.2007.00502.x URLPMID:17894576 [本文引用: 1]摘要 Objectives: To compare the interobserver variability and accuracy of two different real time three-dimensional echocardiography (RT3DE) analyzing programs. Methods: Forty-one patients (mean age 56 ± 11 years, 28 men) in sinus rhythm with a cardiomyopathy and adequate 2D image quality underwent RT3DE and magnetic resonance imaging (MRI) within one day. Off-line left ventricular (LV) volume analysis was performed with QLAB V4.2 (semiautomated border detection with biplane projections) and TomTec 4D LV analysis V2.0 (primarily manual tracking with triplane projections and semiautomated border detection). Results: Excellent correlations (R2 > 0.98) were found between MRI and RT3DE. Bland-Altman analysis revealed an underestimated LV end-diastolic volume (LV-EDV) for both TomTec (619.4 ± 8.7 mL) and QLAB (6116.4 ± 13.1 ml). Also, an underestimated LV end-systolic volume (LV-ESV) for both TomTec (614.8 ± 9.9 mL) and QLAB (618.5 ± 14.2 mL) was found. LV-EDV and LV-ESV were significantly more underestimated with QLAB software. Both programs accurately calculated LV ejection fraction (LV-EF) without a bias. Interobserver variability was 6.4 ± 7.8% vs. 12.2 ± 10.1% for LV-EDV, 7.8 ± 9.7% vs. 13.6 ± 11.2% for LV-ESV, and 7.1 ± 6.9% vs. 9.7 ± 8.8% for LV-EF for TomTec vs. QLAB, respectively. The analysis time was shorter with QLAB (4 ± 2 minutes vs. 6 ± 2 minutes, P < 0.05). Conclusions: RT3DE with TomTec or QLAB software analysis provides accurate LV-EF assessment in cardiomyopathic patients with distorted LV geometry and adequate 2D image quality. However, LV volumes may be somewhat more underestimated with the current QLAB software version. (ECHOCARDIOGRAPHY, Volume 24, October 2007)
[27]	Ye Baisheng, Yang Daqing, Ding Yongjian.A bias-corrected precipitation climatology for China. Acta Geographica Sinica, 2007, 62(1): 3-13.Magsci [本文引用: 1]摘要 <p>在1980s 乌鲁木齐河流域进行的降水误差观测试验结果基础上, 依据我国726 个气象站1951~2004 年逐日观测资料, 对降水的动力损失、微量降水以及湿润损失进行系统的修正, 以期获得更准确的长系列降水资料, 为区域乃至全球水热循环过程和水文学研究提供基础资料。修正结果表明, 在大部分地区由风速作用引起的动力损失是主要的误差来源, 但在降水较少的地区湿润和微量降水观测损失也起着重要作用, 全国726 个台站年降水修正量在8~740 mm 之间, 平均约125 mm, 相应的修正幅度在5%~72%, 平均约18%。从时间看, 冬季修正系数大于夏季, 但冬季修正量小于夏季; 从空间分布看, 西北地区年修正量一般小于50 mm, 东南地区大于100 mm, 总修正系数由西北向东南地区减少, 其中西北地区大于30%, 而西南地区小于20%, 这一修正系数高于全球的11%左右的平均修正量。</p> [叶柏生, 杨大庆, 丁永建. 中国降水观测误差分析及其修正 . 地理学报, 2007, 62(1): 3-13. ]Magsci [本文引用: 1]摘要 <p>在1980s 乌鲁木齐河流域进行的降水误差观测试验结果基础上, 依据我国726 个气象站1951~2004 年逐日观测资料, 对降水的动力损失、微量降水以及湿润损失进行系统的修正, 以期获得更准确的长系列降水资料, 为区域乃至全球水热循环过程和水文学研究提供基础资料。修正结果表明, 在大部分地区由风速作用引起的动力损失是主要的误差来源, 但在降水较少的地区湿润和微量降水观测损失也起着重要作用, 全国726 个台站年降水修正量在8~740 mm 之间, 平均约125 mm, 相应的修正幅度在5%~72%, 平均约18%。从时间看, 冬季修正系数大于夏季, 但冬季修正量小于夏季; 从空间分布看, 西北地区年修正量一般小于50 mm, 东南地区大于100 mm, 总修正系数由西北向东南地区减少, 其中西北地区大于30%, 而西南地区小于20%, 这一修正系数高于全球的11%左右的平均修正量。</p>
[28]	Zhou Zuhao, Wang Hao, Jia Yangwen, et al.Temporal downscaling daily precipitation in lack-data watershed: A case study in Yellow River. Resources Science, 2005, 27(1): 92-96.Magsci [本文引用: 1]摘要降雨是流域水循环的主要影响因子之一，雨强时程分布对于流域水循环具有重要的意义，在相同的下垫面条件下，如果降雨强度不同，产流机制也会出现很大的不同。然而，要想获得完整长系列的短历时降雨资料，难度很大。该文以黄河流域为例，提出了日降雨时间上向下尺度化模型，探讨了缺资料地区通过日雨量在时间上向下尺度化生成短历时降雨资料的方法。文中根据黄河流域降雨特点，把全流域分成五个降雨区划，采用1991年----1997年731个站点大于10mm雨日的短历时降雨记录，对向下尺度化模型的参数进行了分区率定和分析。通过分析实测短历时降雨资料发现，黄河流域日降雨量和历时相关关系很差，相比而言，与雨强相关关系较好。文中建立了一个日雨量~雨力关系模型，并分区率定了模型的参数。日降雨时间上向下尺度化模型的参数反映了雨强日内分布的集中程度，大体趋势是从西到东增强的。本文采用Nash-Sutcliffe效率系数和MSEQ两种指标对模型进行了评估，分区统计结果显示，该文提出的模型和方法是有效的，下一步的工作是在流域水文模拟中进行应用和作进一步地验证。 [周祖昊, 王浩, 贾仰文, 等. 缺资料地区日降雨时间上向下尺度化方法探讨: 以黄河流域为例 . 资源科学, 2005, 27(1): 92-96.]Magsci [本文引用: 1]摘要降雨是流域水循环的主要影响因子之一，雨强时程分布对于流域水循环具有重要的意义，在相同的下垫面条件下，如果降雨强度不同，产流机制也会出现很大的不同。然而，要想获得完整长系列的短历时降雨资料，难度很大。该文以黄河流域为例，提出了日降雨时间上向下尺度化模型，探讨了缺资料地区通过日雨量在时间上向下尺度化生成短历时降雨资料的方法。文中根据黄河流域降雨特点，把全流域分成五个降雨区划，采用1991年----1997年731个站点大于10mm雨日的短历时降雨记录，对向下尺度化模型的参数进行了分区率定和分析。通过分析实测短历时降雨资料发现，黄河流域日降雨量和历时相关关系很差，相比而言，与雨强相关关系较好。文中建立了一个日雨量~雨力关系模型，并分区率定了模型的参数。日降雨时间上向下尺度化模型的参数反映了雨强日内分布的集中程度，大体趋势是从西到东增强的。本文采用Nash-Sutcliffe效率系数和MSEQ两种指标对模型进行了评估，分区统计结果显示，该文提出的模型和方法是有效的，下一步的工作是在流域水文模拟中进行应用和作进一步地验证。

CFSR气象数据在流域水文模拟中的适用性评价——以灞河流域为例

本站小编 Free考研考试/2021-12-29

Applicability evaluation of CFSR climate data for hydrologic simulation: A case study in the Bahe River Basin

1 引言

2 研究区域