【VIC水文模型】模型输入/输出参数简介

VIC水文模型输入参数简介

输入数据
- 1.1 背景参数
- 1.2 植被分类及属性配置
- 1.3 土壤数据库制作
- 1.4 气象数据库制作
- 1.5 区域控制文件
- 1.6 汇流文件制作
输出数据
参考

VIC水文模型是基于空间分布网格化的分布式水文模型。通过将研究区域网格化，分别考虑每个计算网格内裸土和多种植被覆盖类型，以及土壤特性和降雨的次网格空间变异性对径流的影响。
VIC水文模型操作步骤：制备基本输入数据→产流→基于产流结果汇总得到汇流结果。下面对VIC水文模型的输入/输出数据进行介绍。

输入数据

模型输入为文件形式的研究区域下垫面参数（土壤的理化、水力特征以及地表覆盖参数），以及区域内研究时间段内历时（逐日或者逐若干小时）的气象数据，输出为模拟的区域内研究时间段内历时的土壤含水量、蒸散发量、产流量等数据。

VIC水文模型所需的必备输入文件：

背景参数：流域地理特性（经纬度和DEM高程数据）
植被分类及属性文件
土壤数据库（最核心、最重要的参数文件）
气象驱动数据
全局参数文件（以上均为产流过程所需文件）
汇流文件

背景参数、植被参数和土壤参数具有明确的物理含义，可以直接给定。

1.1 背景参数

1.2 植被分类及属性配置

路面地表由N+1种地表覆盖类型描述，此处n=1,2,…,N表示种植被覆盖类型，n=N+1代表裸土，其中陆面覆盖类型是由植物叶面积指数LAI、叶面气孔阻抗，以及根系在不同层之间的分配比例来确定。
VIC水文模型中植被参数需通过植被参数库文件和植被参数文件来描述。植被参数库文件存放各种植被类型的特定参数，一经确定就无需再改动，其文件格式即内容见下表。植被参数文件描述每个网格内各种植被类型的分布情况，其中包括各种植被类型占各网格的面积比例、在三层土壤中的根区深度、根区深度所占的比例，以及1到12月份的叶面积指数。
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植被参数库文件中需标定的参数有结构阻抗、最小气孔阻抗、叶面积指数、反照率、糙率，及零平面位移。这些参数主要是根据提供LDAS（Land Data Assimilation System）提供的植被参数来确定。LDAS中植被参数的确定参考了IGBP、BATS、NCAR（National Center for Atmospheric Research）、LSM、SiB、SiB2和Mosaic中的参数。VIC水文模型种各类植被所采用的部分参数如表2。
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1.3 土壤数据库制作

土壤参数文件描述研究区域每个网格内的地质、地貌等信息，其中包括网格内主要土壤类型参数、平均高程、平均年降水等。土壤参数文件中每一行代表研究区域内一个网格的对应信息，其文件格式及内容见表4。
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在土壤参数中一类是与土壤特性有关的参数，在模式中标定后就不再改动，如土壤饱和体积含水量（即孔隙度）θs、饱和土壤水势ψs、土壤饱和水力传导度Ks、及用于描述非饱和流的指数参数b。VIC模型中孔隙度根据土壤容重计算得到。
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另一类参数，需通过比较计算流量过程与实测流量过程的拟合程度来确定，如VIC模型的顶薄层、上层土壤层，和下层土壤层深度d1，d2，d3，蓄水容量曲线方次B，以及基流方案中的3个参数Dm、Ds和Ws。di θs即为各层土壤的蓄水容量，直接影响产流的难易程度；B直接控制产流量的大小，模拟流量与实测流量见的平衡通过B调节。
模型在运行期间，通过读取土壤参数文件中的每行参数，得到一个网格内的土壤信息，并根据该网格的编号，从植被参数文件中提取其对应的植被参数。因此，土壤和植被参数文件中各网格编码必须唯一，且一一对应。

1.4 气象数据库制作

VIC水文模型可同时进行陆-气间能量平衡和水量平衡的模拟，也可只进行水量平衡的计算。模型积分步长为日，模拟蒸发、径流及土壤水等。所需要的模型输入是日降水P、日最高气温Tmax，及日最低气温Tmin。由于没有长系列的日辐射资料，在模式中太阳辐射S0根据纬度和Julian day计算；水汽压、向下的短波辐射、长波辐射是根据日最高气温Tmax和日最低气温Tmin计算。

1.5 区域控制文件

区域控制文件是VIC模型的接口，其描述了模型运行的时间步长、模拟时段的起始和终止日期、土壤、植被参数文件及气象强迫数据文件的路径、模拟结果输出路径，以及是否运行融雪和冻土模型等信息，对模型的运行起到了引导及功能设定的作用。

1.6 汇流文件制作

基于汇流程序将流域内各网格中的地表径流和地下基流演算至流域出口断面。通过观测径流与模拟径流的比较，标定土壤参数文件中的顶薄层、上层土壤层，和下层土壤层深度d1，d2，d3，蓄水容量曲线方次B，以及基流方案中的3个参数Dm、Ds和Ws，并检验VIC水文模型对径流的模拟能力。

运行汇流模型需准备描述流域信息的流向、流速、扩散系数、网格有效面积比、上下游网格间距等文件。其中流向文件描述流域内每个网格的水流流向及水流的聚集点。通过采用D8（Deterministic eight-neighbours）算法，将中心网格单元的水流流向定义为邻近8个网格点中坡度最陡的单元。
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流速、扩散系数、网格有效面积比、上下游网格间距文件的格式与流向文件相同。

输出数据

VIC水文模型输出数据为每个网格在指定时段内日地表径流、地下基流、蒸发、土壤含水量等信息。VIC水文模型可同时进行陆-气间能量平衡和水量平衡的模拟，也可只进行水量平衡的计算。在仅进行水量平衡计算时，除蒸散发外地表能量通量先不予计算，且地表忽略地面热通量过程。输出的通量文件格式及内容见表6。
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通量文件的文件名格式与气象强迫数据的文件名相似，采用“fluxes_纬度_经度”的格式表示，其中“经度”、“纬度”分别为各网格的中心点所对应的经纬度，其数值须与土壤参数文件中的经纬度数值对应，且精度达到小数点后4位。