基于水汽追踪的土地利用变化-降水反馈定量评估方法

本发明涉及气候及土地利用变化下的气象水文模拟，尤其是涉及一种基于水汽追踪的土地利用变化-降水反馈定量评估方法。

背景技术：

1、水汽作为影响气候和水文的关键要素，是水文循环过程中最活跃的成分，与大气环流密切相关，同时也是区域能量和水分循环的载体，是降水形成的基本条件，直接影响着极端气候事件的形成与发展。

2、在当前人类活动影响下，土地利用变化显著改变着下垫面条件及产汇流机制，进而导致陆-气水循环过程发生变化，影响着极端气候水文事件的时空格局。因此，可靠高效地定量评估土地利用变化对降水的影响，明确土地利用变化-降水反馈的作用机制，是优化土地利用空间配置、明确土地规划红线、保障生态可持续性发展、遏制气候变化的科学理论依据，也对进一步探索气候及土地利用变化下的极端气候水文事件演变成因及机制具有实际应用价值。

技术实现思路

1、为了克服当前陆-气反馈作用定量分析的难题，提供一种基于水汽追踪的土地利用变化-降水反馈定量评估方法，为气候及土地利用变化下的气象水文追踪模拟提供一种可行的方法与技术。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于水汽追踪的土地利用变化-降水反馈定量评估方法，包括以下步骤：

3、s1、收集土地利用历史历年数据、自然地理数据、社会经济发展数据、城镇交通数据，制作适宜性图集，构建ca-markov土地利用变化模拟模型，基于格局演变偏好，模拟提出多种土地利用情景，建立包括对照组和实验组的土地利用情景方案集；

4、s2、通过wrf参数化方案组合优选、wrf-hydro水文参数率定与验证、环境变量设置及模型编译，构建耦合et水汽追踪技术的wrf/wrf-hydro模型，基于步骤s1中建立的土地利用情景方案集，分别驱动wrf/wrf-hydro水汽追踪模型，进行陆-气水循环过程的追踪模拟；

5、s3、提取不同土地利用情景下的追踪与非追踪降水、蒸散发以及水汽输入通量模拟值，通过降水变化量归因分析，定量评估土地利用变化-降水反馈特征。

6、优选的，在步骤s1中模拟提出土地利用情景方案集的方法如下所示：

7、s11、对至少2个典型年的土地利用数据进行取整、重分类操作，运用markov模型获得相应年份间的土地利用转移矩阵；

8、s12、进行土地利用变化驱动力分析，得到不同土地利用类型变化的主要影响因子，以及制约土地利用类型转化的限制因子，如地形为影响林地、草地发展的主要影响因子，永久性湿地为限制因子，不宜转化为任何类型土地；

9、s13、针对不同的土地利用类型，确定对其影响显著的驱动因子，制作不同土地利用类型的影响因子适应性分布图；

10、s14、基于土地利用情景格局的发展偏好，修改限制因子分布图；

11、s15、通过将影响因子与限制因子进行交集处理，得到多个情景下不同土地利用类型的土地利用适宜图，并将同一情景下的适宜图集合成图集；

12、s16、结合土地利用转移矩阵以及适宜性图集，对土地利用变化进行模拟，得到不同发展情景下的土地利用分布图，为实验组；选择制作土地利用转移矩阵的最邻近年土地利用分布为对照组；将实验组与对照组共同组成土地利用情景方案集。

13、优选的，在步骤s2中，构建耦合et水汽追踪技术的wrf/wrf-hydro模型wrf/wrf-hydro-tag的方法如下所示：

14、s21、wrf空间嵌套方案设置：以研究区域为中心，遵循wrf模型空间嵌套设置的基本要求，在namelist.wps配置文件中进行空间嵌套方案及静态地理信息设置；

15、s22、wrf模型参数化方案组合优选：结合研究关注重点，确定待优选参数化方案组合及待评价变量；采用欧空局中尺度天气预报(european center for medium-rangeweather forecast,ecmwf)再分析数据集(reanalysis agency)era5作为大气强迫数据，针对每种参数化方案组合，分别进行非耦合wrf模型模拟；从年、季、月多个时间尺度以及点、面空间尺度对多个变量的模拟精度进行综合评价，采用欧氏距离确定最优参数化方案组合，用于后续研究；

16、s23、wrf-hydro水文参数率定：通过对hydrosheds提供的水文和地理信息进行数据预处理，构建wrf-hydro模型次网格方案，得到高分辨率全局参数栅格文件fulldom.hires.nc及其他可选参数文件；选择步骤s22中最优参数化方案组合的模拟结果作为驱动数据，驱动非耦合wrf-hydro运行；分析影响研究区域产汇流过程的主要敏感参数，基于gauss-marquardt-levenberg优化算法，以纳什效率系数(nash-sutcliffeefficiency coefficient，nse)为目标函数，运用pest参数估计程序对研究区域水文参数进行率定，并对率定结果进行参数验证以确定最优水文参数组；

17、s24、wrf/wrf-hydro-tag模型构建：基于上述步骤s21～步骤s23过程，在wrf/wrf-hydro模型中耦合基于水汽追踪的水分收支计算过程，通过标记每个计算时段初陆面蒸散产生的水汽，在区域气候水文模式运行的过程中，对水汽转换不断进行标记，在时间和空间尺度上追踪陆面蒸散，直至其在计算时段末以降水的形式回到陆面。

18、优选的，在步骤s3中土地利用变化-降水反馈定量分析的方法如下所示：

19、s31、计算降水循环比率，通过计算研究区域内由陆面蒸散产生的降水占比，确定研究区域上空主要水汽来源及引起流域水文循环性质的改变的因素；

20、s32、分析地表降水反馈过程：以对照组模拟结果作为控制试验，以实验组模拟结果作为扰动试验，定量识别土地利用变化对流域降水的直接和间接影响，解析土地利用变化-降水反馈的作用机制。

21、优选的，在步骤s31中，给定区域上空水汽来源有两种类型：一是区域外陆面或海洋蒸散发产生的水汽，经平流输送至给定区域，为水汽输送量通量二是由区域内陆面蒸散发产生的水汽量et；当由陆面蒸散引起的降水与水汽平流输送导致的降水平衡比例发生变化时，会引起流域水文循环性质的改变。

22、优选的，在步骤s31中，降水循环比率是衡量陆地对大气作用程度的重要指标；

23、基于水汽追踪计算降水循环比率β：

24、

25、式中，ptag表示由区域陆面蒸散追踪到的降水量，p表示降水总量；β值越大，表示区域陆面蒸散发对区域降水的贡献越大，反之则表示由水汽输送形成的降水贡献越大。

26、优选的，在步骤s32中，基于大气水分平衡，假定通过区域边界输送的水汽与区域内的蒸散发充分混合；

27、降水量p、蒸散发et与区域大气水汽输入量满足：

28、p＝χ(et+qin) (2)

29、式中，qin为区域的水汽输入量，通过对区域边界上的水汽输入通量进行积分得到；χ为降水效率系数；

30、以对照组模拟结果作为控制试验，各变量关系符合式(2)；以实验组模拟结果作为扰动试验，则变量间关系可定义为：

31、p′＝χ′(et′+qin′) (3)

32、将(2)和式(3)作差，得到扰动试验与控制试验下的降水量差为：

33、δp＝p′-p＝χ′(et′+qin′)-χ(et-qin) (4)

34、进行变形移项，可得：

35、

36、式(5)将降水量差δp分为三个子项和一个余项；第一个子项反映了降水效率系数变化δχ对降水量变化的间接影响，其通过影响可利用水汽(et+qin)到降水的转化过程影响降水量，定义为效率影响项；第二个和第三个子项分别反映了由陆面蒸散发量变化δet和区域上空水汽输入量变化δqin引起的降水量变化，均为直接影响，分别定义为地表影响项和遥影响项；

37、通过上述分析过程，定量识别土地利用变化对流域降水的直接和间接影响，解析土地利用变化-降水反馈的作用机制。

38、因此，本发明采用上述结构的一种基于水汽追踪的土地利用变化-降水反馈定量评估方法，具备以下有益效果：

39、(1)本发明通过土地利用变化模拟、基于水汽追踪的降水模拟以及土地利用变化-降水反馈分析三个步骤，实现了降水变化的归因定量分析，为评估土地利用变化-降水反馈提供了一种新的方法和技术，也为气候变化下的气象水文变化归因分析打下了可靠的基础。

40、(2)本发明通过构建土地利用变化模拟模型，基于发展格局偏好，模拟提出了不同情景下的土地利用空间分布，操作易于实施，有效降低了未来土地利用分布的不确定性，有利于实现土地利用变化下的气象水文要素精准预测。

41、(3)本发明通过wrf模型参数化方案组合优选及wrf-hydro水文参数率定，进一步在wrf/wrf-hydro模型中耦合基于水汽追踪的水分收支计算过程，通过标记每个计算时段初陆面蒸散产生的水汽，在区域气候水文模式运行的过程中，对水汽转换不断进行标记，在时间和空间尺度上追踪陆面蒸散，直至其在计算时段末以降水的形式回到陆面，在气象水文模拟过程中实现了追踪气象水文要素的同步输出。

42、(4)本发明通过提取不同土地利用情景下的追踪与非追踪降水、蒸散量以及水汽输入通量模拟值，计算降水循环比率，分析土地利用变化对流域降水的直接和间接影响，实现了土地利用变化-降水反馈特征的定量分项评估。

43、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。