CMADS数据集在呼兰河流域的适用性评价

【目的】探究中国大气同化数据集(CMADS)在呼兰河流域水文模拟的适用性。【方法】对CMADS与传统水文站降水、气温数据的精度及时空分布特征进行分析,构建CMADS与传统水文站2种气象数据驱动流域有、无水库控制水系情景下的SWAT模型,同时使用SUFI-2算法以月值实测断面径流数据为准进行模型参数的率定和验证,评价该数据集作为气象驱动数据的适用性及对传统水文站数据的可替代性。【结果】(1)2种气象数据具有较强的线性相关性和对应关系,且时空分布特征相似,年内变化趋势一致。(2)在无水库呼兰河干流水系,CMADS数据驱动的模型率定期R^(2)=0.92、NSE=0.91、PBIAS=18.53%,验证期R^(2)=0.94、NSE=0.96、PBIAS=10.51%;在有水库通肯河水系,模型在率定期R^(2)=0.89、NSE=0.82、PBIAS=12.79%,验证期模型R^(2)=0.93、NSE=0.86、PBIAS=12.03%,模拟结果均达到径流模拟评价标准。【结论】CMADS+SWAT模型比传统水文站在呼兰河流域径流模拟整体效果更佳、模拟精度和适用性更好,与实测值更为接近,可为缺少气象数据的研究区建立SWAT模型提供数据支撑。

基于CMADS和流域相似理论的无资料地区水文模拟——以元江-红河流域为例

无水文资料地区,水文模型的参数难以确定。基于此,提出一套无资料地区水文模拟的方法体系,首先利用开源再分析数据驱动水文模型,然后基于流域相似性理论进行模型参数移植,完成无资料地区水文模拟。以元江-红河多国跨界流域为例,将流域划分成123个子流域,基于根据高程、坡度、形状系数、森林覆盖率、降水与蒸散发等指标,利用主成分分析和流域相似度计算对123个子流域进行相似性分析;再基于水文资料和相似性结果,将7个有流量资料的子流域划分出4组相似流域;对有资料流域进行参数率定和验证,模拟结果良好,经过参数移植后,无资料流域的模拟结果均得到了提高。基于流域相似性的参数区域化和开源再分析数据的无资料地区水文模拟方法,可以为无资料地区的水文模拟与水资源管理带来更多可能。

CMADS数据集在柴达木盆地的适用性分析

文章基于CMADS数据集,进行2008—2018年柴达木盆地气温和降水空间变化研究,旨在分析CMADS数据集气温和降水数据在柴达木盆地的适用性,对生态环境修复、人工牧草的种植选种及高原气候变化等科学研究提供数据选取依据及理论支撑。研究主要运用反距离权重法分析盆地气温、降水季节空间变化,评价CMADS数据集在柴达木盆地的适用性。

CMADS降水的时空分布评估及分布式水文模拟--以红河流域为例

无资料地区的水文模拟是水文学研究的难点,虽然再分析资料极大地丰富了无资料地区的气象数据,但其质量仍有待商榷。基于红河流域实测气象资料,利用相关系数、均方根误差、标准差比等指标评估了降水的时间一致性,结果表明中国大气同化驱动数据集(CMADS)与实测降水的年内分配规律一致,且CMADS与所有实测降水的相关系数高达0.89。总体上,CMADS对降水存在一定的低估,能反映大部分降雨情况,但在降水等级0~10 mm存在较大的误报率;空间上,从Kappa一致性、空间相关性、相对误差角度进行分析,结果表明CMADS基本能反映降水的空间分布规律。最后,基于校正后的CMADS数据与实测数据分别驱动SWAT水文模型,使用CMADS的模拟结果在大部分站点要明显优于实测数据驱动结果。故CMADS是红河流域的水文气象研究的重要基础数据,可以为红河流域水资源开发利用提供重要的数据支撑。

基于CMADS驱动的SWAT模型在辽宁浑河流域的应用研究

我国气象观测资料较为匮乏,尤其在高山寒区,使得高寒地区的水文建模研究未能很好地开展。流域水资源研究对区域经济社会发展、水资源管理、生态平衡及环境保护等均具有重要意义。研究选取浑河流域沈阳水文控制站以上区域构建SWAT(Soil and Water Assessment Tool)分布式水文模型,并采用中国大气同化数据集(China Meteorological Assimilation Datasets,CMADS)作为大气输入数据驱动SWAT模型,通过对区域内4个水文站的月尺度径流和日尺度径流的率定与验证,来评估CMADS+SWAT模式在高寒山区的适应性。此外,在SWAT模型参数敏感性分析的基础上,应用SWAT模型优化率定工具——SWAT-CUP中自带的SUFI-2优化率定方法对模型参数进行校准与验证。研究发现:在率定期,模式Nash-Sutcliffe效率系数NSE和决定系数R^2均在0.74以上;在验证期,NSE和R^2也均大于0.58。结果表明:CMADS+SWAT模式在浑河流域取得了较好的模拟结果,CMADS数据集可很好地体现浑河流域下垫面地表大气特征。研究总体认为:CMADS数据集可为我国气象观测资料匮乏的地区提供重要的基础数据支持;同时,利用CMADS+SWAT模式可为我国气象无站或缺测区的水资源利用、水土保持及非点源污染防治等研究提供重要的科技支撑。

基于MODIS的积雪时空变化与CMADS气象因子相关性研究——以塔什库尔干河流域为例

积雪是塔什库尔干河流域宝贵的资源,了解流域融雪时空变化规律及其与气象、地形因素的相关关系具有重要意义。基于不同高程带、坡度和坡向的ArcGIS解译积雪覆盖数据和CMADS数据,采用方差分析和Pearson相关性分析等方法,研究不同高程带、坡度和坡向雪盖时空变化规律及其与气象因子的相关关系。结果表明:平均气温、太阳辐射和降水是影响塔什库尔干河流域积雪的主导气象因子,同时还受地形(高程、坡度、坡向)的限制;积雪覆盖率在各地形上存在明显季节差异性及月差异性,积雪覆盖率与气象因子相关度从高到低依次排序为:平均气温>太阳辐射>降水>风速>相对湿度,积雪覆盖率与前3个因素存在显著负相关关系,风速次之,与相对湿度的相关性最小。

基于CMADS驱动SWAT模型的富春江水库控制流域水量平衡模拟

以富春江水库控制流域为研究区域,利用中国大气同化驱动数据集(CMADSV1.1)驱动SWAT水文模型,对富春江水库控制流域进行了逐日径流模拟,探讨了流域2008—2016年径流变化及水量平衡过程。结果表明:CMADSV1.1数据集驱动SWAT模型对研究区域的径流变化具有较好的模拟效果,在验证期,逐日模拟的效率系数大于0.70,决定系数大于0.75,达到了模型评价标准。在流域水量平衡各项中,地表径流和蒸散发为主要的输出项,分别占降水量的57.2%和36.2%,其中蒸散发量年际变化较为平稳。降水量、地表径流量、土壤对地下水补给、地下侧流量、蒸散发量最大值均出现在6月,最小值均出现在1月。流域径流量以地表径流为主,其在各个月份与月降水变化趋势基本一致。而基流量较小,且各月基流量对降水量的响应并不显著。

CMADS、CFSR与实测气象数据在浑河流域的适用性评价

目前,在水文模拟等研究中再分析数据成为弥补或者替代站点实测气象数据的重要手段之一,但是,在使用时其质量和性能有待评估。通过气象插值软件对2种再分析降水数据(CFSR和CMADS)和气象站点实测降水数据(OBS)在浑河流域插值结果进行了评估,然后分别利用上述3种气象数据驱动SWAT模型以评估各自在浑河流域径流模拟的适用性。研究结果表明:CMADS与OBS的年均降水空间分布相似,年内降水分配比较一致,而且2者径流模拟效果远好于CFSR。CFSR在浑河流域存在低估强降水和高估弱降水的现象,所以径流模拟效果较差。总体而言,CMADS再分析数据和OBS在浑河流域水文模拟的适用性更强。

CMADS数据集及其在流域水文模型中的驱动作用——以黑河流域为例

大气驱动场的质量一直是影响水文模型模拟结果的重要因素之一,较差的大气驱动场数据通过误差传递,使得水文模型输出结果的不确定性增加。我国幅员辽阔且地形复杂,而气象观测站点却相对稀缺,现有观测站点已不能满足大尺度水量、能量平衡过程的模拟研究工作。引入中国陆面同化系统强迫场CLDAS,建立CMADS数据集,以祁连山黑河流域为典型研究区,利用CMADSV 1.0版本数据集驱动SWAT模型,并对CFSR及传统气象站驱动SWAT的结果进行对比分析。通过对黑河流域3个水文控制站(莺落峡,祁连山及扎马什克)径流量进行率定与验证后发现:CMADS+SWAT模式径流输出结果总体优于CFSR+SWAT模式及TWS+SWAT模式的模拟结果,利用CMADS+SWAT模式亦可很好地反映黑河流域各类地表分量(如土壤湿度、融雪等)时空分布特征,表明CMADS数据集较传统气象站驱动大中尺度水文模型拥有更明显的优势,该数据集将为我国地面气象站缺乏区及无站区(如中国西部及我国大部分高寒山区等)的大气-水文耦合研究提供重要的气象数据保障。

CMADS驱动SWAT模型在水循环模拟中的应用--以洱海流域为例

基于大气数据驱动水文模型的输出结果开展水循环模拟研究是大气和水文学界的研究热点。利用中国大气同化驱动数据集CMADS驱动SWAT模型,模拟2009~2016年期间洱海流域关键水循环要素的时空分布特征。结果表明:①CMADS数据集可很好地驱动SWAT模型,在洱海流域适用性较好,可用于水循环模拟研究。②从时间上看,洱海流域年降水量、实际蒸散和年产水量均呈现出先减少后增加的趋势,分别以4.6,29.3,15.0 mm/a的速率递增,多年平均降水量、多年平均实际蒸散发和多年平均产水量分别为792.8,565.5,286.1 mm。从空间上看,洱海西部降水最丰沛,东部地区次之,北部地区最低;实际蒸散发空间差异性相对较小,高值区主要分布于洱海湖区周围;产水量空间分布差异性较大,洱海西部产水量最大,其次为洱海北部和东部山区。③湿润度呈现出增加的趋势,而产水系数表现出减少的趋势,多年平均湿润度和产水系数分别为0.61和0.43;实际蒸散发与降水变化趋势一致,但与潜在蒸散发变化趋势相反,表明水分条件是限制洱海流域潜热的主要因子。

基于CMADS驱动下SWAT模型的敖江流域径流模拟

目前针对气象、水文资料不足的小尺度流域进行径流模拟的研究相对较少。选取敖江流域为研究区,利用中国大气同化驱动数据集(CMADS)驱动SWAT模型对该流域2008—2016年进行逐月径流模拟,并使用水文比拟法结合邻近的2个传统气象站计算出模拟时段的观测数据以完成模型参数的率定与验证。结果表明:模拟结果与观测值较吻合,率定期(2010—2013年)评价指标决定系数R2和Nash-Suttcliffe系数NS分别为0.84和0.76,验证期(2014—2016年)两者分别为0.85和0.74,均达到了模型的评价要求。研究成果表明CMADS驱动下的SWAT模型适用敖江流域的径流模拟,采用水文比拟法适合在水文资料不足的地区进行径流计算,可为缺少气象与水文资料的小尺度流域进行径流模拟提供参考。

CMADS降水数据在温带东亚季风气候区水库控制流域适用性--以潮白河、东洋河流域为例

为探究中国气象同化驱动数据集(CMADS)降水数据在温带东亚季风气候区水库控制流域情景下水文模拟中的适用性,选择SWAT(soil and water assessment tool)模型为研究工具,分别以CMADS降水数据与年鉴实测降水数据为模型输入项,以水文站实测月径流资料对模型模拟结果进行参数率定及验证,对潮白河流域有水库、无水库控制情形下水文径流进行模拟,并对东洋河流域有水库控制情形下以CMADS降水数据作为模型输入项进行了水文径流模拟。结果表明:在潮白河流域无水库控制的支流潮河水系,CMADS降水数据和实测降水数据支撑下的模型在率定期R2(决定系数)分别为0.64、0.83,ENS(纳什系数)分别为0.64、0.83,验证期模型R2分别为0.61、0.83,ENS分别为0.58、0.60;在潮白河流域有水库控制的支流白河水系,CMADS降水数据和实测降水数据支撑下的模型在率定期R2分别为0.89、0.87,ENS分别为0.87、0.86,验证期模型R2分别为0.61、0.67,ENS分别为0.61、0.65;在东洋河有水库控制流域,CMADS降水数据支撑的模型率定期R2=0.84,ENS=0.78,验证期R2=0.87,ENS=0.85。说明CMADS降水数据在有水库、无水库控制流域情景下的水文模拟中均具有较好的适用性。因此CMADS降水数据可以用于温带东亚季风气候区水库控制流域水文模型的建立。

CMADS数据集用于开都河上游水文模拟的适用性评估

【目的】为数据缺乏地区的生态环境演变、水文与水资源研究寻找可靠的数据来源。【方法】以开都河上游为例,定量评估CMADS数据集多时间尺度精度及其在SWAT模型中的适用性,从2个角度进行精度评估:一是评估CMADS数据集降水量、最高气温和最低气温在开都河上游的表现;二是使用CMADS数据集和地面观测气象数据分别驱动SWAT模型进行模拟精度比较,探究再分析气象数据在数据缺乏地形复杂地区的可替代性。【结果】①CMADS数据集在气温探测上表现优秀,相关性均在0.9以上;逐日降水量的探测表现较差,相关性为0.59,月尺度降水相关性显著提高(CC=0.84),季节尺度降水探测存在波动,夏季表现最好。②CMADS数据集驱动SWAT模型径流模拟结果总体优于地面观测数据径流模拟结果,表明CMADS数据集在水文模型中比传统气象站数据更具优势。③CMADS数据在率定期存在基流高估,对较高的峰值出现低估,较低峰值出现高估的现象;验证期低估峰值、略高估基流。CMADS数据径流模拟存在部分精度不高的情况,但总体符合实际径流量变化。【结论】CMADS数据集在气象数据缺乏地区可以替代地面气象数据用于水文气象研究。

基于CMADS和SWAT模型的玛纳斯河流域水文过程模拟

缺乏历史气象资料地区的水文模拟是制约流域模型发展和人们对流域水资源认识的重要因素之一。选取玛纳斯河流域作为研究区,运用CMADS和SWAT模型对该流域的水文过程进行了模拟,最后使用SWAT-CUP对模拟径流量进行了校正。通过参数灵敏度分析、参数标定与验证,选取NSE、R^(2)和PBIAS统计指标进行评价。选取的9个敏感性水文参数的最终取值均在合理范围内,且在月尺度与日尺度的径流量过程模拟中,3个统计指标在校准与验证期间均处于最优区间,该模型的模拟值与实测值拟合良好,可用作后续的研究与应用。结果表明:利用CMADS和SWAT模型能够较好地模拟玛纳斯河流域的水文过程。在缺乏历史气象资料的地区,CMADS可提供时间连续、类型详细和空间分辨率高的气象数据,构建更高精度的水文模型。

CMADS、ITPCAS和TRMM 3B42 3套降水数据集在玉龙喀什河流域的适用性评价

我国西北地区地形复杂、环境恶劣、气象观测水平有限,在海拔较高的山区缺乏长期观测资料。再分析气象数据集(产品)基于气象卫星、数值模拟等技术,结合站点实测资料制作而成,具有时空分辨率高、可靠性好等优点,越来越多地被应用于大气水文相关的研究工作中。选择西北典型的高寒山区流域为研究对象,首先分析3套具有代表性的再分析气象数据产品(CMADS、ITPCAS和TRMM 3B42)降水资料在研究区年际和年内的分布情况,然后利用3套降水资料驱动SWAT水文模型,将模型模拟的结果与水文站实测径流资料进行比较,并进行参数率定和敏感性分析,从而分析3套数据集在研究区对降水的模拟效果。最终获得以下结论:3套降水资料在流域内的降水量分布情况存在较大差异,CMADS和ITPCAS数据集在降水总量上大于TRMM 3B42数据集,且CMADS数据集的年际降水和年内降水分布与冰川分布较为一致;3套再分析数据产品中,CMADS数据集驱动水文模型的模拟效果最好,逐日、月的NSE系数达到0.53、0.71,ITPCAS和TRMM 3B42数据集的NSE系数较低,径流模拟效果较差。

CMADS在霍童溪流域SWAT模型径流模拟中的应用研究

中国东南沿海山区中小流域同样存在气象数据稀缺问题,导致流域水文模型研究受限。中国大气同化驱动数据集(CMADS)是一类可获得再分析气象数据集,用于填补水文模型数据空缺,研究其在SWAT径流模拟中的适用性显得尤为重要。以福建霍童溪流域为研究区,以测站数据为参照,通过数据一致性评价、SWAT模型径流模拟的检验系数以及水文要素空间分布对CMADS进行适用性评价。研究结果表明:两类数据降水空间分布一致,温度数据相关性较高;CMADS和测站数据在月、日尺度SWAT模型径流模拟中R^(2)和NSE系数均达到了较好的结果;CMADS模式水文相关分量与测站模式偏差较小且空间分布一致,CMADS数据集在东南沿海代表性流域径流模拟有较好的适用性。

基于CMADS驱动的SWAT模型在浏阳河流域的应用研究

以浏阳河流域为研究区域,对1961—2015年径流序列资料进行了水文突变检验,采用中国大气同化驱动数据集(CMADS)驱动SWAT模型,对该流域2009—2015年径流进行逐月模拟,并采用SUFI-2算法进行参数敏感度和不确定性分析。结果表明,浏阳河流域径流序列于1987年发生突变,不具有一致性。基于CMADS驱动的SWAT模型可以较好地模拟非一致性水文序列条件下浏阳河流域径流过程,决定系数、纳什系数、偏差百分比、均方根误差与标准值偏差5个指标均在误差范围内。与径流相关的11个参数指标中,SCS径流曲线系数、地下水的时间延迟、土壤有效水量、基流α因子和土壤饱和渗透系数较为敏感。验证期和率定期的P-factor均大于0.5,R-factor均小于1.0,模拟的不确定性较小。研究结果可为浏阳河流域水资源管理和调控分配提供科学参考依据,并为后续模型间耦合提供有力支撑。

CMADS数据对长江源区水文模拟的适用性研究

中国大气同化数据集(CMADS)是基于多种气象场数据和气象站实测数据,耦合得到的支持中国区域范围内SWAT模型驱动的数据集。长江源区位于青藏高原中心地带,自然环境恶劣,水文气象站点分布较少。以长江源区4个气象站数据和CMADS数据分别作为驱动数据,验证CMADS数据在长江源区的适用性。研究发现:SWAT模型在长江源区具有一定适用性,率定期和验证期纳什效率系数分别为0.682和0.615。CMADS数据在长江源区适用性较差,模拟径流的纳什效率系数只有0.447。在长江源区CMADS降水数据相比实测降水数据质量较差,而气温数据质量较高。

CMADS在牡丹江中上游流域适用性研究

文中利用CMADS作为大气输入数据,选取东北地区牡丹江流域构建SWAT分布式水文模型,通过对牡丹江水文站2008—2015年(6—11月)日尺度径流进行率定与验证,评估CMADS数据在东北地区的适用性。结果表明:CMADS+SWAT模式在牡丹江中上游流域径流模拟效果令人满意,CMADS数据集在东北地区有一定的适用性,可为东北无气象观测资料地区的水文水资源建模提供借鉴。

CMADS数据集免费使用说明

CMADS(The China Meteorological Assimilation Driving Datasets for the SWAT model)系列数据集由中国水科院、中国气象局等多家单位参与制作并发布,该数据集由于同时建立了两种格式的数据(.dbf和.txt),可方便各类水文、气候模型及气象分析人员调用与分析。为在全国范围内更好地评估本数据集,CMADS等系列数据集(doi:10.3972/heihe.0032.2016.db)