（自然地理学专业论文）分布式流域水文模型参数不确定性研究——时空变异规律与可移植性.pdf

摘要 分布式流域水文模型参数不确定性研究 时空变异规律与可移植性 专业：自然地理学 博士生：刘青娥 指导老师：陈晓宏教授 王浩院士 摘要 在全球水文及气候变化研究中，水文模型不确定性研究是水文科学发展中的 前沿热点课题。2 0 0 3 年国际水文科学协会第六届大会通过了“p u b 计划 ，该计划 的核心是寻求有效的水文模拟方法，减少“预测的不确定性”。水循环的复杂非 线性特征使得模型的结构和参数都不可避免地存在不确定性。参数不确定性研究 是水文模型不确定性研究的核心内容，是寻求减少模拟与预测不确定性的重要途 径。基于随机理论和贝叶斯统计推断框架下的不确定性分析方法，难以分别量化 各种不确定性来源的相互作用和影响，而最终描述的是总体的不确定性。 论文旨在分解分稚式水文模型参数主要不确定性驱动因子的贡献。通过揭示 各种不确定性来源对分布式水文模型模拟效果及参数变异规律的影响，从现有模 型的应用中提高认识，从而减小确定性模型模拟的不确定性。通过揭示不确定性 源与参数时空可移植性的关系，减少参数移用时的不确定性。主要创新点包括： 提出了变化环境下参数时空变异规律及可移植性的研究思路与方法；定义了参数 变异度公式，区分“异参同效现象时各参数不确定性程度；提出了“参数分区 的理念，为研究参数空问变异提供了高效的模型组织结构；提出了一种新的子流 域加密方法，克服了传统方法导致的狭长子流域问题及不能精确考虑水文站点位 置的弊病。论文以汉江流域为研究对象，取得的主要研究成果与结论如下： ( 1 ) 分解了主要不确定性来源对水文模型模拟结果的驱动力贡献。其它影响 因素相同时，参数优化中以径流过程吻合程度为目标获得的模拟结果优于以水量 摘要 平衡为目标，但参数优化范围对模型模拟结果影响甚微。模型尺度对模拟效果起 着决定性作用。存在一个适应的尺度，并不是尺度越小结果越精确也不是尺度越 大结果越好。降雨对模拟结果的影响在不同流域上不同参数优化范围时差异很大。 ( 2 ) 分解了水文模型的主要不确定性米源对参数变异规律的驱动力贡献。同 尺度同降雨时，不同参数优化范围引起的参数变异规律随降雨条件及研究区域不 同而不同。 ( 3 ) 分解了主要不确定性来源对水文模型参数可移植性的驱动力贡献，发现 了增强参数可移植性的新途径。降雨输入相同时，参数优化范围对参数可移植性 影响显著，通过敏感性分析过滤不重要参数显著提升了参数的时空可移植性。 关键词：不确定性分析；参数变异；参数可移植性；分布式水文模型 i l a b s t r a c t h y d r o l o g i c a lu n c e r t a i n t yi st h ef r o n ti s s u eo fh y d r o l o g i c a ls c i e n c e d e v e l o p m e n ti nt h eg l o b a lh y d r o l o g i c a la n dc l i m a t ec h a n g es t u d y o nt h e s i x t hi a h s ( i n t e r n a t i o n a la s s o c i a t i o no fh y d r o l o g i c a ls c i e n c e s ) s c i e n t i f i c c o n f e r e n c eh e l di nj u l y2 0 0 3 ，ad e c a d ey e a r s ( 2 0 0 3 - 2 012 ) s c i e n c ea n d i m p l e m e n t a t i o np l a no f p u b ( p r e d i c a t i o n si nu n g a u g e db a s i n s ) ”i s a d o p t e d ，w i t ht h eg o a lo fr e s e a r c hi sf o c u s e do nr e d u c i n gt h e ”u n c e r t a i n t y o fh y d r o l o g i c a l f o r e c a s t ”u n c e r t a i n t y i sa ni n h e r e n t q u a l i t yo ft h e d i s t r i b u t e dh y d r o l o g i c a lm o d e ls t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r sd u et ot h e c o m p l e xa n dn o n - l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew a t e rc y c l e r e s e a r c ho n p a r a m e t e r su n c e r t a i n t y i st h ec o r et a s ko fu n c e r t a i n t y a n a l y s i s i n h y d r o l o g i c a lm o d e la n dt h ek e yt or e d u c eu n c e r t a i n t yi ns i m u l a t i o na n d p r e d i c t i o n t h em e t h o do fu n c e r t a i n t ya n a l y s i sb a s e do ns t o c h a s t i ct h e o r y a n d b a y e s i a ns t a t i s t i c a l i n f e r e n c ef r a m e w o r kf a i l e dt o q u a n t i f yt h e i n t e r a c t i o na n dm u t u a li n f l u e n c eo fd if f e r e n tu n c e r t a i n t ys o u r c e s t h ep a p e ra t t e m p t st o d i s t i n g u i s h t h e c o n t r i b u t i o no fd i f f e r e n t u n c e r t a i n t ys o u r c e st oh y d r o l o g i c a lm o d e lp a r a m e t e r s an e wf o r m u l ai s d e l i m i t e dt od e s c r i b et h e p a r a m e t e r s v a r i a t i o n i n e q u i v a l e n c e p h e n o m e n o n an e wf r a m e w o r ki sd e s i g n e dt or e s e a r c ht e m p o r a la n d s p a t i a lv a r i a t i o na n dp o r t a b i l i t yo fm o d e lp a r a m e t e r su n d e rt h ec h a n g i n g e n v i r o n m e n t a ne f f i c i e n to r g a n i z a t i o n a ls t r u c t u r eb a s e do n p a r a m e t e r s i i i z o n e ”i sd e s i g n e dt or e s e a r c hs p a t i a lv a r i a t i o no fp a r a m e t e r sm o r ee a s i l y t h ea p p r o a c ho fs u b b a s i nd e l i n e a t i o ni sa p p r o v e dt oo v e r c o m et w o p r o b l e m sc a u s e db yt h et r a d i t i o n a lm e t h o d s o n ei st h el o n ga n dn a r r o w s u b b a s i n t h eo t h e ri st h ed r a w b a c ko ft h el o c a t i o no fh y d r o m e t r i c s t a t i o n s t h o s et h e o r i e sa b o v ea r ea p p l i e dt oh a n j i a n gr i v e rb a s i na sa c a s es t u d y m a i na c c o m p l i s h m e n ta n di n n o v a t i o nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s f i r s t l y ，t h ec o n t r i b u t i o no f d if f e r e n tu n c e r t a i n t ys o u r c et o h y d r o l o g i c a ls i m u l a t i o nr e s u l ti sd i s t i n g u i s h e d o p t i m i z a t i o no b j e c t i v ea s t h ed e g r e eo fr u n o f f p r o c e s si sb e t t e rt or a i n f a l l - r u n o f fm o d e l i n g t h a nt h e w a t e rb a l a n c e t h e r ei sam e a s u r ea d a p t a t i o np r o b l e mi nh y d r o l o g i c a l m o d e l a p p l i c a t i o n i t saw r o n g b e l i e ft h a tt h em o r ef i n es c a l et h eb e t t e r t h es a m ei sc o a r s e s e c o n d l y , t h e c o n t r i b u t i o no fd i f f e r e n t u n c e r t a i n t y s o u r c et o p a r a m e t e r sv a r i a t i o ni sd i s t i n g u i s h e d t h el a wo fp a r a m e t e r sv a r i a t i o n c a u s e db yd i f f e r e n tr a n g eo fo p t i m i z e dp a r a m e t e r si sd i f f e r e n tw i t hr a i n f a l l i n p u ta n ds t u d ya r e a f i n a l l y , t h ec o n t r i b u t i o no fd i f f e r e n tu n c e r t a i n t ys o u r c et op a r a m e t e r s p o r t a b i l i t yi sd i s t i n g u i s h e d an e wm e t h o d o l o g yi sf o u n dt oi m p r o v et h e p o r t a b i l i t yo fp a r a m e t e r sb a s e do ns e n s i t i v i t ya n a l y s i si np a r a m e t e r s k e y w o r d s ：u n c e r t a i n t ya n a l y s i s ；p a r a m e t e r sv a r i a t i o n ；p a r a m e t e r s p o r t a b i l i t y ；d i s t r i b u t e dh y d r o l o g i c a lm o d e l i v 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明弓1 用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：剀勘强 日期：2 习年6 月罗日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质 版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书 馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：知l 勘 导师签名：到等懂屹 日期：c 2 p 呷年易月1 0 日 第l 章绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 研究背景 第l 章绪论 地球环境变化和人类活动的影响改变了水的自然循环规律，加剧了资源环境 与经济发展之间的矛盾。我国目前人口众多、经济处于快速增长时期，这一矛盾 尤显突出。水文学是水资源评价、规划与管理工作的重要科学基础。分布式流域 水文模型研究对做好变化环境下的水资源科学评价、考虑生态与环境的水资源合 理配置以及洪水预报调度与防灾减灾等工作，促进国民经济可持续发展，具有重 要意义。 虽然水文模型作为水资源管理工具解决了许多的实际问题，显示出强大的优 势，但与水文模型紧密相关的不确定性对水文模拟及预报结果的影响不能忽略。 叶守泽和夏军在回顾了上个世纪水文科学的研究进展后指出，在全球水文及气候 变化中，水文不确定性是水文科学发展中一个前沿热点课题。 丁晶昭1 提出水文学中的不确定性包括三类：水文现象发生与否的不确定性 ( 随机性) ；对水文现象认识的不确定性( 模糊性) ，主要是模型结构和参数 估计；研究对象信息量不充分而产生的不确定性( 灰色性) ，主要由水文资料 代表性、观测、传递、收集和整理、水文变量空间和时间分布所引起的。 国内外关于第一和第三类不确定性的研究取得了丰硕的成果口4 一一一1 。然而对 第二类不确定性的研究起步则相对较晚。水文过程受到上层气象因素( 气候，如大 气环流：天气情况，如降水、气温、风速等) 的影响，同时也受到下层下垫面条 件( 如地理位置、地形、地质条件、植被、土壤等) 的影响。所有这些因素不断 变化、相互作用、相互影响，使得水文科学内在规律非常复杂且随机性很强。通 过大量的实验、野外观测、数值模拟等手段，人们逐渐了解其中的部分机理，但 是更多的知识现阶段还无法了解。 国际水文科学协会( i a h s ) 于2 0 0 3 年7 月在日本召开的第六届科学大会期间， 第1 章绪论 通过ti a h sp u b ( p r e d i c a t i o n si nu n g a u g e db a s i n s ) 1 0 年( 2 0 0 3 2 0 1 2 ) 科学与实施计 划陋1 。我国也于2 0 0 4 年成立了中国工作委员会阻1 。p u b 意译成中文应是：缺乏观测 资料流域的水文预测。该计划的核心即是寻求有效的水文模拟方法，减少“预测 的不确定性”。 同时，分布式流域水文模拟技术和地理信息系统( g i s ) 、数字高程模型( d e m ) 和卫星遥感、航测及雷达等遥测技术相结合，在水资源配置与评价、洪水预报调 度、水土流失、水环境及生态保护等各专业上有着广泛的应用前景，是跨学科研 究发展进程中的国际研究前沿n 0 n 3 。 因此，分布式水文模型不确定性研究，是水文科学研究及跨学科综合研究中 的前沿热点问题。 1 1 2 研究意义 论文研究的理论意义在于，模型参数不确定性研究是水文模型不确定性研究 的核心内容，是寻求减少模拟与预测不确定性的重要途径。在应用确定性水文模 型时必须要有不确定性的思想。模型结构的不确定性和参数的不确定性统称为水 文模型的不确定性。水循环的复杂非线性特征使得模型的结构和参数都不可避免 地存在不确定性。模型结构的不确定性源于建模者对水文现象认识的不足与数学 描述的误差。自然界非常复杂，用数学公式描述自然规律时进行合理的假设是必 不可少的，而且为求解数学微分方程也不得不进行一些概括和假定，由此产生的 不确定性影响重大，不可忽略。相对于观测数据和模型参数而言，基于现有科学 认知体系构建的模型结构是建模过程中不确定性的根本来源n 刳。参数的不确定性 主要来源于优化方法、目标函数及率定资料的选择等。模型结构与参数相互依赖， 不可分割，对二者的不确定性分别量化不现实n 3 1 制。而且由于缺乏深入研究结构 不确定性的理论基础和有效技术手段，模型结构往往只能通过识别参数后验分布 统计规律间接地得到验证，因而参数不确定性分析研究就显得格外重要。通过揭 示各种不确定性来源对模型模拟效果及参数变异规律的影响，从现有模型的应用 中提高认识，从而减小确定性模型模拟的不确定性。通过揭示参数的时空可移植 性规律，减少“缺测流域”参数移用时的不确定性。 论文研究的实践意义在于，选取汉江流域为研究对象，减少水文模拟和预测 2 第1 章绪论 的不确定性，对南水北调中线一期工程建成后实际效益发挥至关重要。南水北调 工程是缓解我国北方水资源严重短缺、优化水资源配置、改善生态环境的重大战 略性基础设施。南水北调中线工程穿越长江、淮河、黄河、海河4 个流域，影响北 京、天津、河北、河南四省( 直辖市) 的1 0 0 多个城市，线路长、涉及面广，其 规模及难度国内外均无先例。水资源调配的科学基础是流域水循环。汉江流域水 资源丰枯变化较大，随着经济社会发展，人类活动对包括蒸发蒸腾、入渗、汇流、 地表径流、土壤径流、地下水运动等水文过程的干扰，加速了流域水资源的演变。 分布式水文模型作为研究水资源演变规律的基本工具，如何减少其模拟与预测的 不确定性，提供更加可靠的水资源演变规律，将直接影响中线工程建成后进行科 学、合理、高效、便捷的水资源调度，充分发挥经济效益、社会效益和生态环境 效益。 1 2 国内外相关研究进展 1 2 1 分布式流域水文模型研究进展 2 0 世纪8 0 年代中期，随着计算机技术、地理信息技术和遥感技术的发展，考 虑水文变量空间变异性的分布式流域水文模型研究开始受到重视。从1 9 8 2 年s h e ( 欧洲水文系统) 模型第一版本公布，经过近三十年的努力，世界各地的水文学 家取得了丰硕的研究成果，s i n g h 和w 0 0 l h is e r 副曾列举出8 8 个分布式或半分布式 流域水文模型。 在分布式水文模型的发展道路上，地理信息技术和遥感技术的发展至关重要。 早在1 9 6 9 年f r e e z e 和h a r l a n 提出f h 6 9 蓝图之后，分布式水文模型的理论基础就已 经比较完善，但真正分布式的流域水文模型却都是在近十几年中逐渐蓬勃发展起 来的，造成这种差距的主要原因是缺乏有效的技术手段来分析流域内部各种水文 要素、水文过程所具有的复杂空间模式；缺乏获取模型运行参数以及对众多的空 间数据进行管理的有效方法n6 l 。遥感和g i s 技术的发展为解决这问题提供了新的 思路和方法。m a i d m e n t 等n l1 8 1 总结了g i s 、r s 技术在分布式水文模型中的重要作 用，认为g i s 和遥感技术是流域水文模型从集总式到分布式转化的桥梁。遥感技术 通常被用来快速获得研究区土地利用现状，植被盖度估算，反演土壤水分，反演 气温，空间降水区域划分等工作。g i s 主要用来研究水文因子的空间模式；提取下 第1 章绪论 垫面的空间信息并纳入到地理数据库中统一管理；利用g i s 的可视化工具进行输出 显示和结果分析。 当前，国内外分布式流域水文模型主要存在如下发展趋势：利用模型和遥 感技术的进步，挑战资料缺乏地区的水文预测( p u b ) n 1 1 。加强变化环境下水文 循环机理研究，加强现场多尺度观测和大尺度遥测来促进解决尺度问题和实现不 同尺度参数之i 、日j 的转化n 。气象一水文过程的耦合模拟。将现代气象和水文观测 技术相结合，将气候模式与水文模型相耦合，对突发水文事件进行高精度的模拟 与预测n 引。不局限于径流模拟，加强水文及其伴生过程的耦合模拟，与水资源 评价、水污染和水生态等专业模型的耦合及集成n 9 | 。 随着分布式水文模型的不断发展，分布式水文模型的复杂度不断增加，这也 相应带来了一系列参数问题：相比传统的集总式模型，分布式水文模型对计算 环境的要求更高瞳0 2 ，可能的过度参数化( o v e r p a r a m e t e r i z a t i o n ) 乜2 l ，高维， 非线性参数空间和结构的不确定性瞳3 | 。这些问题都是分布式水文模型发展道路上 必须解决的难题。 1 2 2 模型参数不确定性研究进展 传统参数识别中仅局限于参数优化算法效率和精度等方面的研究已经不能满 足理论与实践的需要。针对传统参数识别的缺陷，基于不确定分析的参数识别应 运而生。基于不确定框架下，模型参数不再当作确定值来处理，而是当作随机变 量、模糊变量、区间变量等来处理，其中以随变量最为常用。通过参数随机概率 分布来量化参数的不确定性。参数概率分布的获取有两种方式：一种是通过实验 数据分析获得或者通过经验假定，通常假定为一种常用分布( 如正态分布) 。另一 种是贝叶斯统计推断。参数的先验知识与数据信息通过贝叶斯推断进行合并得到 一个概率分布( 后验分布) ，以此分布描述参数的不确定性。贝叶斯统计推断提供 了理想的手段来估计参数的不确定性，几乎所有现行的不确定性研究方法都是在 它的基础上发展起来的。 t i w a r i 最早将贝叶斯理论用于生态模型的参数识别幽1 。但贝叶斯技术在应用 中存在诸多困难，主要来自于后验分布的确定。2 0 世纪9 0 年代，随着马尔科夫链 蒙特卡罗方法( m c m c ) 的发展，对后验分布进行蒙特卡罗取样在很大程度上克服了 4 第1 章绪论 这些困难瞳5 矧。m c 方法从参数的联合后验分布中提取样本，提供了比单点估计 更多的信息，而且避免了用一个正态近似后验分布进行推断的必要。 目前，探索减少水文模拟不确定性的途径仍然是国外水文研究工作的一个重 点。其中，最具影响力的是英国著名水文学家b e v e n l 9 9 2 年提出的g l u e 方法嘲 ( g e n e r a l i z e dl i k e l i h o o du n c e r t a i n t ye s t i m a t i o n ) 。由于参数响应面的多峰性和参 数之间的相关性，参数无法识别或是可识别性很弱，采用优化算法通常只能得到 局部最优。即使是采用先进的全局优化算法，最佳估计参和目标函数都无一收敛 到单一数值n 刳。参数的“异参同效现象 ( 亦称“等效( e q u i v a l e n c e ) 现象) 十分普遍幢引，使得最终选定一组最优参数值时具有很大的不确定性。b e v e n 认为产 生这种现象是由于导致模型模拟结果好与差的不是模型单个参数，而是模型的参 数组合。为了充分把握和评价水文模型参数优化中的这种不确定性，b e v e n 提出了 g l u e 方法。该方法结合蒙特卡洛随机取样方法与贝叶斯框架，对由模型结构、参 数冗余及相关性、输入输出误差等因素造成的不确定性进行综合分析。但由于其 自身理论结构的缺陷，越来越多的研究者对该方法提出了质疑啪1 ：并非经典的贝 叶斯方法、主观判断参数可行域阈值、推求的参数后验概率分布不具有明显的统 计学意义等等。b l a s o 啪1 采用s c e m u a 取样方法妇代替蒙特卡洛随机取样方法，并 根据估计的预测区间覆盖率来控制可行参数组个数的选择，对传统的g l u e 方法进 行改进。采用预报置信区间的优劣作为评判参数可行域阈值的标准，将不确定性 估计效果作为参数可行的约束条件，大大改善了主观选定可行域阈值而造成的误 差。g l u e 方法及其改进，已经在国内外得到了广泛的应用d 2 3 4 , 3 5 , 3 6 。在关于p u b 的 文章中，国际水文科学协会主席t a k e u c h ib 刀也推荐采用g l u e 方法来评价无资料地 区水文预报的不确定性。 寻找科学可靠的不确定性分析方法也一直是我国水文学家和科技工作者研究 的焦点之一，比较有代表性的研究成果有夏军的灰色系统理论嘞棚1 ，陈守煜的模 糊数学方法h 引、丁晶的随机分析方法h 。在研究水文模型参数的不确定性方法， 遗传算法也经常被用到，在这方面，曾光明4 2 1 ，金菊良h 3 4 钔等国内学者也做了很多 研究工作。 第l 章绪论 1 3 目前研究中存在的问题 虽然分布式水文模型取得了很大发展，在水资源演变规律、水资源配置、气 候及土地利用变化的水文效应等多个研究领域得到了广泛的运用。但目前研究与 推广应用中概括起来还存在以下8 个主要问题n ：不确定性问题参数估计与 模型校验空间尺度与水文变量及参数的空间变异性时间尺度与水循环动力学 机制的描述流域水循环全要素过程的动态耦合模拟土壤水评价与植被生态耗 水过程的计算天然水循环与人工侧支循环的耦合模拟数据不足问题。 分布式水文模型存在的这些问题都与“不确定性问题”息息相关。目前，分 布式水文模型不确定性研究的不足主要集中在以下三个方面： ( 1 ) 不确定性研究的基础理论及方法还不完善，需要进一步研究。虽然基于 贝叶斯统计的随机方法在模型不确定性的分析中已取得了较好的效果，但是贝叶 斯方法本身仍然存在许多有待进一步商榷的问题h 5 | ：1 ) 先验分布的存在与确定长 期以来成为贝叶斯统计学派和非贝叶斯统计学派争议的焦点。尽管其中存在的问 题已基本上达成共识，并且发展了贝叶斯假设、共轭分布理论、j e f f r e y s 原则、最 大熵原则等确定先验分布的方法，但是对许多实际情况的解释仍然存在许多困难。 2 ) 贝叶斯分析的稳健性问题。3 ) 高维数值积分。 ( 2 ) 参数优化方法、模型结构以及模型输入的不确定性会在水文模拟过程中 叠加，最终落到输出结果上。基于随机理论和贝叶斯统计推断框架下的不确定性 分析方法，难以分别量化三种不确定性的相互作用和影响，而最终描述的是总体 的不确定性h 戮。 ( 3 ) 目前的研究中，对于揭示不确定性与研究区域、流域大小、地形地貌等 下垫面因素以及人类活动之间关系的研究还不够。 1 。4 论文研究内容、技术路线及创新点 1 4 1 论文目的与主要研究内容： 针对目前分布式水文模型不确定性研究中存在的问题，论文研究目的在于， 分解水文模型参数主要不确定性驱动因子的贡献，刻画参数优化方法、模型结构 ( 主要是模型尺度) 以及模型输入( 主要是降雨) 三种不确定性来源对参数不确 6 第l 章绪论 定性的影响，揭示变化环境下的参数时空变异规律与可移植性。 涉及的科学命题主要包括以下四个方面： ( 1 ) 分布式水文模型应用时是否存在适宜的空间尺度? 什么尺度的离散方式才 是适宜的? ( 2 )降雨的时空变异性如何影响模型的不确定性? ( 3 ) 参数优化时如何选择优化目标，如何确定优化范围，才能减少不确定? ( 4 ) 如何增强参数的时空可移植性? 研究内容主要包括以下五个方面： ( 1 ) 运用多种统计学方法揭示汉江流域的水循环演变规律及成因，为构建汉江流 域分布式水文模型及研究参数不确定性提供了可靠的依据。 ( 2 ) 理论方法研究。基于对分布式水文模型构建及求解过程各环节的理论与方法 全面而系统的研究，提出参数时空变异规律与可移植性分析的研究方法。 ( 3 ) 汉江流域分布式水文模拟实践研究，验证模型模拟研究区水循环能力的可行 性，给参数不确定性研究提供良好的载体。 ( 4 ) 参数时空变异规律研究。主要内容包括不同空间尺度不同优化方法下的参数 变异，及不同模型输入不同优化方法下的参数变异两部分。 ( 5 ) 参数时空可移植性研究。揭示不同气候条件下不同参数优化方法的参数时空 可移植性，寻求增强参数可移植性的途径。 1 4 2 论文技术路线 为达到研究目的，本文的主要研究路线如图卜1 所示。 1 4 3 论文主要创新点 论文的创新点主要包括以下四点： ( 1 ) 提出了变化环境下参数时空变异规律的研究思路与方法，分解主要不确 定性来源对模型模拟不确定性及参数时空变异规律的驱动力贡献。定义了参数变 异度公式，区分“异参同效”现象时各参数不确定性的程度。 ( 2 ) 提出了参数时空可移植性的研究方法，分解主要不确定性来源对参数时 空变异规律的驱动力贡献，发现了增强参数可移植性的新途径。 ( 3 ) 提出了“参数分区 的理念，为研究参数空间变异提供了一种高效的模 7 第l 章绪论 型组织结构。 ( 4 ) 提出了一种新的子流域加密方法，克服了传统方法导致的狭长子流域问 题及不能精确考虑水文站点位置的弊病，同时使得子流域面积更加均匀。 图1 1 论文主要研究技术路线 8 第1 章绪论 本章参考文献 1 叶守泽，夏军水文科学研究的世纪回眸与展望 j 水科学进展2 0 0 2 ，1 3 ( 1 ) ：9 3 1 0 4 2 丁晶，邓育仁水文水资源中不确定性分析与计算的耦合途径水文，1 9 9 6 ，( 0 1 ) ： 3 g o o d r i c hdc ，f a u r e sj 。w o o l h i s e rda ，l a n elj ，s o r o o s h i a n ，m e a s u r e m e n ta n da n a l y s i s o fs m a l l s c a l ec o n v e c t i v es t o r mr a i n f a l lv a r i a b i l i t y j j o u r n a lo fh y d r o l o g y ， 1 9 9 5 ，1 7 3 ：2 8 3 3 0 8 4 3 c h a u b e y ，c ，t h a a n ，s g r u n w a l d ，j m s a li s b u r y ，u n c e r t a i n t yi nt h em o d e l p a r a m e t e r sd u et os p a t i a lv a r i a b i l i t yo fr a i n f a l l j j o u r n a lo fh y d r o l o g y ， 1 9 9 9 ，2 2 0 ：4 8 6 1 5 b r o n s t e r t ，a b a r d o s s y u n c e r t a i n t yo fr u n o f fm o d e l1i n ga tt h eh il l s l o p es c a l e d u et ot e m p o r a lv a r i a t i o n so fr a i n f a l li n t e n s i t y j ，p h y s i c sa n dc h e m i s t r yo f t h ee a r t h 2 0 0 3 ，2 8 ：2 8 3 2 8 8 6 张继国，刘新仁降雨时空分布不均匀性的信息熵分析基本概念与数据分析 j 水 科学进展，2 0 0 0 ，i i ( 2 ) ：2 2 - 2 6 7 郝芳华，陈利群，刘昌明，张雪松降雨的空间不均性对模拟产流量和产沙量不确定的 影响 j 地理科学进展，2 0 0 3 ，2 2 ( 5 ) ：4 4 6 - 4 5 3 8 s i v a p a l a nm ，s c h a a k ej i a h sd e c a d eo np r e d i c a t i o n si nu n g a u g e db a s i n s ( p u b ) h e e p ： 嗍c i g ，e n s m p ，f r i a h s - - p u b p u bs c i e n c e _ p t a n _ y e r s i o n _ 5 p d f 2 0 9 3 ，9 3 0 9 杨大文，夏军，张建云中国p u b 研究与发展 c 夏军水问题的复杂性与不确定性研究 与进展北京：中国水利水电出版社。2 0 0 4 ：4 7 5 4 1 0 b e v e nk j ，k i r k b ym j ap h y s i c a l l yb a s e dv a r i a b l ec o n t r i b u t i n ga r e am o d e l o fb a s i nh y d r o l o g y h y d r 0 1 s c i b u l1 ，1 9 7 9 ，2 ，4 ( 1 ) ：4 3 6 9 ， 1 1 贾仰文，王浩，倪广恒，等著分布式流域水文模型原理与实践 m 中国水利水电出版社 北京：2 0 0 5 1 2 3 刘毅，陈古宁，杜鹏飞，环境模型参数优化方法的比较 j 环境科学，2 0 0 2 ，2 3 ( 2 ) ：卜6 1 3 k r z y s z t o f o w i c zr ，k e l l yks h y d r o l o g i cu n c e r t a i n t yp r o c e s s o rf o rp r o b a b i l i s t i cr i v e rs t a g ef o r e c a s t i n g j 3 w a t e rr e s o u r c er e s2 0 0 0 ，3 6 ( 1 1 ) ：3 2 6 5 - 3 2 7 7 1 4 k r z y s z t o f o w i c zr b a y e s i a nt h e o r yo fp r o b a b i l i s t i cf o r e c a s t i n gv i ad e t e r m i n i s t i ch y d r o l o g i cm o d e l j 。w a t e rr e s o u r c er e s ，1 9 9 9 ，3 5 ( 9 ) ：2 7 3 9 2 7 5 0 1 5 s i n g hvp ，w o o l h i s e rda m a t h e m a t i c a lm o d e l i n go fw a t e r s h e dh g d r o l o g y j j o u r n a lo fh yd r o l o g i ce n g in e e r i n g ，a s c e 2 0 0 2 。7 ( 4 ) ：2 7 0 2 9 2 1 6 李硕，曾志远，张运生数字地形分析技术在分布式水文建模中的应用地球科学进 展，2 0 0 2 ，1 7 ( 5 ) ：7 6 9 - 7 7 5 9 第l 章绪论 1 7 m a i d m e n td a v i dr g i sa n dh y d r o l o g i cm o d e l i n g a na s s e s s m e n to fp r o g r e s s a i n ：p r o c e e d i n g s ，t h i r di n t e r n a ti o n a lc o n f e r e n c e w o r k s h o po ni n t e g r a ti n gg i sa n d e n v i r o n m e n t a lm o d e li n g c s a n t af e ，n m ，j a n u a r y2 1 2 6 ，1 9 9 6 1 8 f r a n c i s c o0 1 i v e r a ，d a v i drm s t o r mr u n o f fc o m p u t e ru s i n gs p a t i a ld i s t r i b u t e d t e r r a i np a r a m e t e r s d b o l 1 9 9 8 1 9 王浩，严登华，秦大庸等著南水北调两线工程水源区水循环模拟与水资源定量评价 m 郑州：黄河水利出版社2 0 0 8 ，1 2 2 0 a p o s t 0 1 0 p o u l o s ，t k ，a n dk p g e o r g a k a k o s p a r a l l e lc o m p u t a t i o nf o rs t r e a m f l o wp r e d i c t i o nw i t hd i s t r i b u t e dh y d r o l o g i cm o d e l j h y d r 0 1 ，1 9 9 7 ，1 9 7 ：卜2 4 2 1 i v a ng r i e n s v e n ，a ，t m e i x n e r ，s g r u n w a l d ，t b i s h o p ，m d i l u z i o ，a n dr s r i n i v a s a n ag l o b a ls e n s i t i v i t ya n a l y s i st o o lf o rt h ep a r a m e t e r so fm u l t i v a r i a b l e c a t c h m e n tm o d e l s j h y d r 0 1 ，2 0 0 6 ，3 2 4 ：1 0 2 3 2 2 b e v e n ，k j c h a n g i n gi d e a si nh y d r o l o g ) r - 一t h ec a s eo fp h y s i c a l l yb a s e dm o d e l s j h y d r 0 1 ，1 9 8 9 ，1 0 5 ：1 5 7 1 7 2 2 3 c a r p e n t e r ，t i ，k p g e o r g a k a k o s ，a n dj a s p e r f s l a g e a ，o nt h ep a r a m e t r i c a n dn e x r a d - r a d a rs e n s i t i v i t i e so fad i s t r i b u t e dh y d r o l o g i cm o d e ls u i t a b l ef o r o p e r a t i o n a lu s e j h y d r 0 1 ，2 0 0 1 ，2 5 3 ：1 6 9 1 9 3 2 4 t i w a r ij ，h o b b i ej ，p e t e r s o nb r a n d o md i f f e r e n t i a le q u a t i o n sa sm o d e l so f e c o s y s t e m s ，i i i b a y e s i a ni n f e r e n c ef o rp a r a m e t e r s j m a t h e m a t i c a lb i o s c i e n - c e s ，1 9 7 8 ，3 8 ：2 4 7 2 5 8 2 5 m a r s h a l ll ，n o t td ，s h a r m aa ac o m p a r a t i r es t u d yo f m a r k o vc h a i nm o n t ec a r l o m e t h o d sf o rc o n c e p t u a lr a i n f a l l r u n o f fm o d e i i n g j w a t e rr e s o u r c e sr e s e a r c h ， 2 0 0 4 ，4 0 ( 2 ) ：1 - 1 1 2 6 芮孝芳，刘方贵，邢贞相水文学的发展及其所面临的若干前沿科学问题 j 水利水 电科技进展，2 0 0 7 ，2 7 ( 1 ) ：7 5 7 9 ， 2 7 b e v e nkj ，b i n l e yam t h ef u t u r eo fd i s t r i b u t e dm o d e l s ：m o d e lc a l