气象水文耦合模WRF-Hydro建模技术

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WRF-Hydro模型是一个分布式水文模型,‌它基于WRF‌陆面过程部分独立发展而来,‌旨在模拟大气和水文相互作用及过程。该模型采用FORTRAN90开发,‌具有良好的扩展性和支持大规模并行计算的与传统水文模型相比,WRF-Hydro模型具有以下显著优势:(1)更高的空间分辨率:能够更精细地刻画地形、土地利用等地理要素的变化,从而更准确地模拟水文过程在小尺度上的变化。(2)物理过程描述更全面:整合了更多复杂的物理过程,如植被与水文过程的相互作用、地下水与地表水的交换等,使模拟结果更接近真实情况。(3)与气象模型耦合:可以直接与中尺度气象模型耦合,充分利用气象数据,提高对降水等输入变量的模拟精度。(4)分布式模拟:能够反映不同区域的特性差异,而不是采用传统模型中对整个研究区域的平均化处理,提高了模拟的针对性和准确性。(5)动态性和适应性强:可以更好地应对气候和环境变化等动态因素,对极端事件(如暴雨、干旱)的模拟和预测能力相对更强。(6)数据同化能力:便于融合多源观测数据,不断优化和校正模型参数,进一步提高模拟结果的可靠性。

WRF-Hydro模型适用于以下多个领域和场景:(1)洪水预报与风险管理:可用于预测洪水,为制定防洪减灾策略提供依据。(2)水资源管理与规划:有助于评估不同水资源开发利用方案下的水资源量变化,为水资源的合理分配和调度提供支持。(3)生态水文研究:研究生态系统与水文过程的相互作用,例如评估湿地、森林等生态系统的水文功能。(4)气候变化影响评估:分析气候变化对降水、蒸散发和径流等水文要素的影响,为适应气候变化的决策提供信息。(5)流域综合管理:全面了解流域内的水文过程,以制定可持续的流域管理策略,保护水资源和生态环境。(6)水电工程规划与运行:预测来水情况,优化水电工程的规划、调度和运行。

一:WRF-Hydro模型功能及运行流程、依赖库

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1、WRF-Hydro模型、主要模块及应用

2、WRF-Hydro模型运行平台及所需要外部链接库,运行该模型需要的编译器环境、外部链接库等

3、虚拟机系统安装,使用vmware workstation 17 Pro 软件在windows10系统中可以安装Linux系统,方便运行模型

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4、在vmware软件支持下,安装Rocky Linux系统,准备好模型基础平台

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5、安装Intel编译器以及NetCDF链接库,主要为编译离线和在线WRFhydro模型提供支持

6、创建Python/NCL环境,为资料处理、后处理等提供支持

二:WRF-Hydro模式编译、离线运行及案例

1、模型源代码,模型的源代码结构,如何使用编译器和外部函数库将模型源代码编译为可执行程序

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2、编译源代码,模型编译选项、编译过程、错误处理等

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3、初步运行,使用示例区域文件,模型运行所需要的主要部分等

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4、模型输入输出,模型使用的NetCDF文件格式及相关的处理软件,如xarray等,并使用ncview和Jupyterlab环境

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5、案例1:使用示例文件模拟,获取默认模式设置下的径流模拟结果,并使用工具可视化

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6、案例2:模式冷启动,模式冷启动和热启动的模式设置等,涉及到模式平衡及预热等

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7、案例3:替换降水资料模拟,使用更高质量降水资料驱动WRF-Hydro模式开展模拟等

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8、案例4:Overland routing off模拟,关闭overland routing设置进行模拟,以及overland routing的功能和作用

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9、案例5:LSM过程参数修改模拟,修改NaohMP中主要参数,包含一维和二维参数等修改和模拟等,以及这些参数的主要功能和影响

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三:结合多案例进行模式数据制备及实践应用

1、案例6:参数修改模拟,修改模式参数,以及基流方案等

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2、案例7:湖泊模拟案例,利用模型模拟有无湖泊对径流模拟的影响等

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3、工具1:WPS,创建LSM区域文件,以及相关的DEM、土壤、植被等

4、工具2: WRF-Hydro GIS工具,如何使用工具,生成运行WRF-Hydro模型的Domain文件,包括流域、地形、河网、湖泊等

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5、工具3:气象驱动工具,如何使用NCL工具,将主要的气象资料,包括预报、模拟等资料转换为模型的驱动文件等

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四:模式耦合编译及运行

1、在线耦合编译,使用编译器和外部函数库,编译双向耦合水文过程的WRF模型等

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2、案例8:WPS之geogrid,如何使用geogrid设置区域大小、分辨率、嵌套区域等

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3、案例9:WPS之ungrib,如何使用ungrib生成WRF的气象驱动场数据

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4、案例10:WPS之metgrid,metgrid的功能和作用

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5、案例11:耦合模拟案例,运行耦合模拟案例,模式输出结果等

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