1.2 国内外研究现状

1.2.1 降水空间分布规律

降水是水文循环中最重要的、最活跃的物理过程之一。降雨的时空分布对流域产汇流的影响非常大。常规获取降雨资料的手段是雨量站网，而比较新的手段则是雷达测雨和遥感。雨量站观测的降雨资料称为点雨量，它只表示区域中某点或者一小范围的降雨情况；相对而言，遥测技术具有大范围获取信息的能力。

雨量站网观测的降雨量在空间上是非规则离散分布的，并不能完全反映实际降雨在空间上的连续分布。在水文学研究及实际运用中，常常需要从雨量站网观测值来合理提取降雨空间分布的特征值（如流域平均雨量）或者模拟降雨空间分布（如等雨量线）。例如在集总式水文模型中，常常需要流域的平均降雨量（面雨量）作输入；在分布式水文模型中，则需要估计流域数字高程模型中每个网格点上的雨量值。因此，根据雨量站网观测值进行降雨量空间分析具有十分重要的实际意义。

1.2.1.1 国外研究现状

影响降水空间分布的因素很多，主要包括：气象站点的经纬度、站点高程、坡向、坡度、离水体的距离等。此外，风速对降水也有一定的影响，适当的风速有助于提高降水的强度；在低海拔地区，降水大致与高程和风速成正比；当海拔增加到一定的高度，降水会随着海拔的增加而降低。降水有时还呈现很强的季节变化，这些都为准确地进行降水空间分布的研究带来了一定的困难。由于日降水、月降水和年降水的时间尺度不同，在考虑地形影响的情况下，影响降水的变量参数随着时间尺度的增大而减少，因而，所采用的确定降水量空间分布模型就存在一定的差异。Jeffrey等在对日降水和月降水进行插值时，忽略了一些短时间效应的微观变量对月降水插值的影响。

影响降水空间分布的因素不同，所选择的空间降水插值方法和降水模型也不相同。对区域降水插值精度影响最大的是气象站点的数量及空间插值方法，在站点数量不变的情况下，影响区域降水空间插值精度的主要因素就是空间插值方法。

1911年荷兰气象学家A.H.Thiessen提出的一种用垂直平分法来划分计算单元的方法。最初用于从离散分布气象站的降雨量数据中计算平均降雨量，现在在GIS和地理分析中经常采用泰森多边形进行快速地赋值。根据计算区域（流域）内的雨量站网，以雨量站为顶点连接成若干个嵌套的三角形，并尽可能使构成的三角形为锐角三角形。然后对每个三角形求其重心（三角形三边垂直平分线之交点）。利用这些三角形的重心，就可以将计算区域（流域）划分成若干个计算单元。此方法也被称为是泰森多边形法或加权算术平均法或最近临近点插值法，是一种近似估值算法。泰森多边形的一个隐含的假设是任何地点的空间属性数据（如降雨量）均使用距离它最近的观测站点的数据。而实际上，除非是有足够的观测数据，否则这个假设是不恰当的，因为降雨、气压、温度等现象是连续变化的，用泰森多边形法得到的结果图变化只发生在边界上，在边界内都是均质的和无变化的。如果站网稳定不变，采用此方法是比较好的，且方便，并能用计算机迅速运算。但是如果站网经常变化，采用此方法可能较麻烦，这种方法适用于站点密集的地区，并且该地区的地形应该大致相同。但是，泰森多边形法对于逐渐变化的空间变量（如温度、降水）的插值不太合适。同时，该方法忽略了高程的影响，对于高程变化较大的区域，用泰森多边形插值所得的插值数据的误差很大。

20世纪60年代末，首先由气象学家和地质工作者提出反距离加权插值法（inverse distance to a power）来计算区域（流域）平均雨量，后来由于D.Shepard的工作被称为谢别德法方法，近年来在美国天气局得到广泛应用。该方法以插值点与样本点之间的距离为权重的插值方法，插值点越近的样本点赋予的权重越大。对于山区或者降水站点不是很密集的地区反距离加权法（IDW）有助于提高所预测数据的精度。这种方法的优点是可以通过权重调整空间插值等值线的结构，缺点是该方法也没有考虑地形因素（如高程等）对降水的影响。

1971年法国地理数学家Matheron和南非矿山工程师Krige提出了克里金插值方法，此方法又称为地学统计法，最早用于矿山勘探。这种方法充分吸收了地理统计的思想，认为任何在空间连续性变化的属性是非常不规则的，不能用简单的平滑数学函数进行模拟，但可以用随机表面给予较恰当的描述。这种连续性变化的空间属性称为区域化变量或者空间变量，可以描述像降雨、气压、高程及其他连续性变化的描述指标变量，应用相当广泛。较常规方法而言，它的优点在于不仅考虑了各已知数据点的空间相关性，而且在给出待估计点数值的同时，还能给出表示估计精度的方差。经过多年的发展与完善，克里金插值法已经有了好几个变种，如普通克里金法（ordinary kriging）、通用克里金法（universal kriging）、泛克里金法（kriging with extensive）、协克里金法（co-kriging）等，这些方法分别用于不同的场合。普通克里金插值法不能考虑地形因素（如高程等）等的影响，而泛克里金法、协克里金法等可以将高程因素考虑进去，取得的插值效果也比较好。

样条法也是一种常用来研究降雨平面分布规律的一种方法，可以分为薄板滤波样条法（thin platesmoothing splines）、规则变形插值法、张力规则变形样条插值法等。这种方法是通过2个样本点之间的曲线变形达到最佳拟合的插值效果，优点是该方法相对比较稳健，并且不怎么依赖潜在的统计模型；缺点是不能提供误差估计，并要求研究区域是规则的。Hutchinson用薄板滤波样条法分析空间降水插值时提出了5种不同参数设置下的样条模型。Jeffrey等就是利用三变量（经度、纬度和高程）对气象数据如温度和降水进行了插值，并取得了较好的效果。

多元回归法主要是用数学表达式来描述相关变量之间关系的一种插值方法。可以利用气象站点的地理坐标和高程数据，结合其他的影响因子如坡向、坡度等，建立回归模型。Cross等在预测菲律宾地区血吸虫病的发生率时以Landsat卫星遥感数据及各气象站点的气候变量（主要指气温和降水）数据为基础，运用多元回归法对气温和降水的空间分布进行插值，获得了研究区域内任意点的气温和降水数据，进而分析区域内任意点的血吸虫病发生率。

Daly等建立了PRISM（parameter elevation regressions on independent slopes model）插值模型，该模型可对不同时间尺度的降水和温度进行插值分析，属于多元回归法的一种。PRISM模型假设在局部区域内，高程是影响降水的主要因素；模型以回归方程为基础，利用气象站点数据、DEM（digital elevation model）数据和其他的空间数据集，对每个DEM单元格计算其特殊的气象—高程线型回归函数。该模型适宜于地形起伏较大的地区。

J.Marquinez等为了将气象站点的降水数据反演到地形起伏较大的区域，利用多元回归方法和GIS技术，分析了降水和一系列地形变量的关系，并且指出最好的插值模型是将5个影响降水的地形变量因素（高程、坡度、坡向、离海岸线的距离和离相对西边的距离即任取研究区域西边的一条直线）作为影响因子来考虑。

随着降雨规律研究的深入，部分研究者把两种或两种以上的降雨规律研究方法结合在一起形成了一种混合插值方法，该方法是通过改正整体插值法中存在的残差来进一步提高插值精度。Serrano等利用反距离插值法和样条法对整体插值后存在的残差（整体插值法是不精确的插值器，所预测的站点数据必然和已知数据之间存在一个残差）再次进行插值，生成一个降水残差修正图，最后将这个残差修正图与整体插值后的降水数据进行叠加。

2000年，Goovaerts提出了3种利用DEM信息的克里金法，并与泰森多边形法、距离反平方反比法、降雨—高程线性回归法及普通克里金法的结果进行了比较，结果发现3种利用DEM信息的克里金法所得到的结果较理想。

1.2.1.2 国内研究现状

国内对降水规律也有一定的研究，许多的学者作了多方面的工作，提出了一些新的方法，并对已有的方法根据所在研究区域的实际情况做了一定的改进，为与降水相关方面的研究提供可靠的技术支持。

由于受观测条件、自然条件、财力、物力等方面的限制，我国对降水规律尤其是山区降水规律的认识不够完全，只能定性地说明地形、经纬度与季节的不同对降水的分布规律有一定的影响，但是无法精确对中高山区的降水进行定量分析，而对低山区的研究较多，了解较全面。

1983年，章淹结合多年研究成果和部分文献系统地阐述了地形对降水的作用，认为地形对降水的影响是多方面的，并且地形对降水的作用是与大气条件的变化相结合的，并非固定不变，研究地形对降水的作用将有助探查降水形成的机理与规律，可以提高降水预报的精度。

1985年，汤懋苍对祁连山区降水的地理分布特征进行了研究。由于山地降水量的地理分布是相当复杂的，为了方便讨论他把山地任一点的实际降水量分解为由大尺度地理因素、高度因素和局地地形因素等3部分所组成，并建立降水与这3者之间的关系对祁连山区降水的地理分布特征进行了分析。认为祁连山区年降水与海拔高度呈现出三次曲线的关系，有一“极大高度”和一“极小高度”。“极大高度”自东向西逐渐升高，而降水量随高度的递增率则逐渐减小。

1988年，蒋忠信对山区降水的垂直分布模式进行了探讨。他对傅抱璞在降水规律研究中提出的抛物线模式进行了讨论，并认为傅氏公式在一些地区降水垂直分布计算中与实际误差较大，并对傅氏公式进行了改进，利用现有的观测站点的降水资料进行验证发现结果优于傅氏公式，并指出降水与地理位置密切相关，地区影响和海拔高度的影响是交织重叠的，各公式的模式也不是唯一的，改进的方法也有使用区域的限制，并不是一个通用的公式。

1989年，孙安健应用美国山地降水资料进行了降水量垂直分布的研究。主要依据宏观地理因素和局地海拔高度因素从各种气候区域和不同纬度上选择典型的坡地来揭示降水量的垂直分布规律。通过分析发现美国山地降水量的垂直分布是多种形式的，并不总是简单地随高度而增加，而是和坡地的地理位置、坡向以及季节有着密切的关系；降水量随高度的递增（减）率不是均一的；年最大降水量高度几乎不随年份的不同而改变，但其年降水量却有着很大的年际变化。

1992年，傅抱璞进行了地形和海拔高度对降水的影响的研究，并提出了一个表示降水与地形、海拔高度与地区气候条件关系的数学模式，并对各个参数的确定进了研究。通过研究发现地形对降水的最大影响发生在盛行风向与向风坡坡向的交角附近。

1994年，张克映等根据哀牢山脉北段迎风坡和背风坡地8个气象站的资料，讨论了山地总降水和冷、暖平流降水的垂直分布、降水要素与海拔高度的关系及山地总降水与东西坡地的对比特征。

1995年，陈明等分析了各种不同的自然条件下山区地形对暴雨的影响，指出山区复杂的下垫面热力和动力作用对暴雨有触发、加强或削弱、消亡的影响，在不同的区域地理背景下，地形的影响各不相同。

1995年，喻家龙等以傅抱璞公式为出发点，直接对傅抱璞公式中的抛物线进行二次响应面回归，计算简便、精确度高，同时还对山地降水高斯模式进行了简化，并将其应用于黄山降水分析中，效果较好。

1996年，王菱根据华北山区降水随海拔高度变化的不同参数将地形按不同坡地方位进行分区，研究降水随海拔高度和宏观地形高度变化规律，并求出宏观区域最大降水高度的分布。

1996年，喻家龙等针对蒋忠信对山地降水高斯模式计算中的问题，提出3个参数的高斯模式及其非线性回归计算方法，并将其应用于我国部分山地降水规律分析中，取得较好的效果。

近年来随着计算机技术和GIS技术的快速发展，为降水规律的研究提供了一个较好的平台，加速了降水规律方面的研究。国内许多学者都在尝试一些好的研究降水规律的方法，并把国外研究较好的分析方法在国内加以验证并加以改进。

由于区域的差异，不同区域降水规律研究方法及分析结果各不相同。因此国内许多学者对各种方法如克里金插值、反距离加权、Delaunay三角剖分线性插值、双谐样条（biharmonic spline）插值和Cressman客观分析、PRISM和泰森多边形法等方法在不同区域的适用性和降水规律分析结果精度的高低进行了探讨，并根据实际情况进行了一定改进，得到了适宜不同地区的较好的方法，为与降水相关方面的研究提供了一定的指导依据。

影响降水量分布的因素是多方面的，如海拔高度、经纬度、坡度、坡向、风速等，并且不同区域这些因素对降水量分布的主次关系是不同的。因此，有些学者采用多元回归的方法建立了这些要素与降水量之间的关系来分析降水量的分布规律，取得了较好的效果。2005年，舒守娟等利用卫星遥测数字化地形高程资料和西藏地区仅有的27个常规气象站的多年平均降水整编资料，采用多元逐步回归方法，建立西藏地区的年、季降水量和经度、纬度、海拔高度、坡度、坡向、遮蔽度等6个地理、地形因子之间的关系模型，估算西藏地区降水量的空间分布。模型相关性显著，平均绝对误差、相对误差分别为0.93mm和1.16%，回归效果较显著。分析表明，估算降水能够定量、定性地再现西藏地区的实际降水分布。2006年，周锁铨等根据长江中上游697个气象观测站1971—2000年30年降水资料，利用逐步回归方法和地理信息技术（GIS），建立了平均季降水和年降水与4km分辨率的DEM、坡向、坡度等地形数据的回归方程。在此基础上发展了逐步插值方法（SIA），并与GIS技术和多元逐步回归方法结合，显著提高了年、季降水空间分布的计算精度。

部分学者发现，目前现有降水规律分析方法尽管与过去相比得到了很大有改进，适用范围更广，但是在有些情况下并不与实际情况相符合。因此，在现有方法的基础上，根据研究区地理位置和地形条件加以改进，取得了较好的效果。2005年，石朋等对常用的降雨空间插值方法进行了分析比较，考虑到高程对降雨量影响较大，在协克里金方法的基础上将高程作为第2类影响因素引入降雨量的空间插值方法中，并提出了引入高程信息的协克里金方法。结果表明，考虑高程信息的协克里金方法的插值效果较好。2007年，穆振侠等采用多种方法对天山西部山区降雨量的空间分布进行了探讨。考虑到高程、坡度、坡向三要素对降雨量影响较大，在协克里金方法的基础上将上述三要素作为影响因素引入降水量插值方法中，改进了协克里金方法，分析发现改进的协克里金方法是可行的且插值结果较理想。

近年来随着计算机技术的快速发展以及神经网络技术一些方面的优势，此技术也逐渐被用在研究降水规律分析方面。人工神经网络不要求对事物机制有明确的了解，系统的输出只取决于系统输入和输出之间的连接权，而这些连接权的数值则是通过训练样本的学习获得，这种方式对解决机理尚不明确的问题特别有效。1995年，Wong等提出的空间降水局部插值新方法就是将SOM（seft-organising map，是一种快速、简单、值得信赖的非监督分类方法）、BP神经网络和模糊逻辑（fuzzy logic）有机地结合起来，在研究降水空间分布方面取得了较好的效果。

1.2.2 分布式水文模型

人们为更好地了解水文自然规律、解决水文实践问题和实现水文研究的定量化，对水文规律深入分析，相继研究出各种水文模型，并应用于生产实践，如黑箱模型、概念模型和物理模型等。水文模型是水文学发展到一定阶段的产物，是对自然界中复杂水文现象的一种简化，是研究水文水资源的重要工具。20世纪以来，随着人口的增加和工农业的快速发展，生活、生产用水日趋紧张，水质污染，以及水资源不合理利用等方面，造成了水资源危机日益突出，为了适应气候变化和人类活动影响下的水文水资源研究之需，促使人们要求更加合理严谨地进行水文学的定量化研究，以保证水资源的合理利用，受各种条件的限制，传统水文模型物理机制不是非常严谨，而相比之下分布式水文模型则表现出了一定的优越性，并且随着计算机技术的快速发展、GIS和RS在水文上的成功应用为分布式水文模型的合理构建提供了较好的平台，因此，流域水文循环的模拟已经从集总式模型扩展到分布式或半分布式（结构/参数）模型。传统的水文模型对于水资源评价和洪涝预测的一般问题是很适用的，但是新问题的出现需要更先进的解决手段，才能更好地预测人为因素对自然界产生的影响。

分布式水文模型（physically-based distributed model）是根据物质和能量守恒定律，严格按照人们对流域水文过程的理解建立起来的，具有严格的物理基础。与集总式模型相比，分布式水文模型充分考虑了各地理因素的空间差异性，可以反映流域内水文过程的时空变化，能够真实地模拟现实世界的流域降雨径流形成的物理过程，并能够客观地反映气候和下垫面因子的空间分布对降雨径流形成的影响，可以预测流域内自然和人为因素的局部变化可能对流域水文过程的影响。

1.2.2.1 国外研究现状

分布式水文模型的建模思路早在20世纪60年代就已萌芽，但其长足的进步和广泛的研制和应用，只有在计算机技术和数值分析理论进一步发展、地理信息系统技术不断完善、遥感技术、雷达测雨技术和卫星云图技术的不断进步及水文理论有了进一步发展的今天，只有在这特定的条件下才能为分布式水文模型的发展铺平技术道路。

国外分布式流域水文模型的研究，可以认为始于Freeze和Harlan于1969年写的一篇题为《一个具有物理基础、数值模拟的水文响应模型的蓝图》的文章，该文章提出了分布式水文物理模型的基本概念和框架。随着人们对水文规律认识的深入及相关技术的快速发展，针对不同区域为解决与水资源相关问题，不同的分布式水文模型相继被开发，并运用于生产实践。1986年英国水文研究所（Institute of Hydrology）、法国的SOGREA咨询公司和丹麦水力学研究所（Danish Hydraulic Institute）联合研究开发的系统水文欧洲SHE（system hydrologic european）是最早为人所知的分布式水文模型，它致力于模拟水文循环的所有重要环节。SHE模型以水动力学为基础，主要的水文过程利用质量、能量和动量守恒的偏微分方程的差分形式来描述，同时也采用了一些独立实验研究得来的经验关系，模型中涉及植物截留、蒸散发、坡面水流、河道水流、土壤水运动、地下水流和融雪径流等多个物理过程。为了便于表示模型参数、降雨输入以及水文响应的空间分布性，在SHE模型中，流域在平面上被划分为许多矩形网格；为了便于处理不同层次的土壤水运动问题，在垂直方向上，则划分成若干个水平层。模型参数具有一定的物理意义，可以通过观测或资料分析得到。SHE模型为研究人类活动对于流域的产流、产沙及水质的影响问题提供了理想的工具。然而，该模型最初主要以欧洲的流域水文过程为框架，应用也只局限于该地区，除欧洲外的其他地区应用得很少，SHE模型的开发者曾对英国威尔士中部面积只有10.55km²的Wye河流域采用250m×250m平面网格，以0.05m厚度划分为38个子土层，进了参数率定及径流模型，精度基本上令人满意。

20世纪90年代初期，丹麦水力学研究所在SHE模型的基础上进一步开发了一个确定性的、综合性的且具有物理意义的分布式水文系统模型MIKE SHE，它用于模拟陆地水循环中所有主要的水文过程，包括水流运动、水质和泥沙输移。MIKE SHE广泛应用于与地表水、地下水以及它们之间的动态交互作用有关的水资源和环境问题，典型应用范围有：流域规划、供水、灌溉和排水、污水排放点的水污染、农业生产（包括农用化学品和肥料）的影响、土壤和水资源管理、土地利用变化的影响、气候变化的影响和生态评价（包括与湿地有关的生态评价）。就空间尺度而言，MIKE SHE从单一的土壤层（仅做下渗研究）到大的区域（可能包括几个子流域）均可适用。该模型在大量的研究和咨询项目中得到了测试和验证涉及各种不同的气候和水文情况。

1979年，Bevenh和Kirbby提出了以变源产流为基础TOPMODEL模型（topography-based watershed hydrological model），已在水文领域得到了广泛的应用。该模型基于DEM推求地形指数［ln（α/tanβ）］，并利用地形指数来反映下垫面的空间变化对流域水文循环过程的影响，模型的参数具有物理意义，能用于无资料流域的产汇流计算。但TOPMODEL并未考虑降水、蒸发等因素的空间分布对流域产汇流的影响，因此，它不是严格意义上的分布式水文模型。该模型结构简单、优选参数少、物理概念明确，在集总式和分布式流域水文模型之间起到了承上启下的作用。

1994年，美国农业部（USDA）的农业发展中心（ARS）Jeff Amold博士在SWRRB模型基础上研制开发的一个长时段的流域分布式水文模型SWAT模型（soil and water assessment tool）。该模型融合了ARS（agricultural research service）几个模型的特点，把SWRRB模型和ROTO（routing outputs to outlet）两个模型融合在一起开发出的一个新的流域水文模型。该模型具有很强的物理基础，适用于具有不同土壤、土地利用方式和管理条件下的复杂流域，并能在资料缺乏地区建模，主要用于模拟预测不同土地利用及多种土地管理措施对复杂多变的大流域的水文、泥沙和化学物质的长期影响。可以预测在不同的土壤条件、土地利用类型和管理措施下人类活动对流域水文过程、河道产输沙变化、农药化学污染在流域内的传播、迁移等的长期影响。该模型自开发以来在美国、加拿大、北美寒区、欧洲、亚洲以及澳洲地区有了许多应用实例，并在应用中得到了不断地发展。

1994年，美国西雅图华盛顿大学西北太平洋国家实验室提出并研制成分布式水文土壤植被模型DHSVM（the distributed hydrology soil vegetation model）。DHSVM是具有物理意义的分布式模型，它基于流域数字高模型对蒸散发、雪盖、土壤水和径流等水文过程进行动态描述。该模型已经应用于很多研究领域，包括水文分析和模拟，也用于研究气候与水文的相互作用，以及气候变化对水资源的潜在影响，还被广泛应用于森林水文学方面的研究。

此外，HEC-1模型、SWAM（agricultrual reseach service small watershed model）模型、GBHM₂模型和SWIM（soil and water intergated model）模型等都属于分布式水文模型的范畴。目前，世界上有200多种流域水文模型，具有代表性的可用于流域水资源管理的分布式水文模拟模型有TOPMODEL、SWAT、MODFLOW、Mike-SHE。

1.2.2.2 国内研究现状

分布式流域水文模型不仅可以帮助人们更加深入地研究和了解自然界水文循环在不同时间和空间尺度上的演变过程和规律，而且为综合解决实践中各种与水文循环紧密相关的一些工程问题提供了一个有效的框架和平台。由于受到各种条件的限制，我国分布式水文模型的研究起步较晚。20世纪90年代以来，在国家自然科学基金的支持及目前高分辨率DEM数据的方便获取的条件下，我国一些学者进行了探索性的研究工作，尽管起步较晚，但也取得了较大的进展。目前我国还没有比较成熟或者得到国际上普遍认可的分布式水文模型，同时国外的模型大多是根据其流域特点量身定做，不太适用于中国的国情，且许多模型在具体引用时还存在较多的问题，因此，近年来国内诸多学者在借鉴国外先进模型基础上，利用计算机和“3S”技术尝试研制适合我国国情的分布式水文模型。

2000年，郭生练等在全面综合分析国内外文献的基础上提出并建立了一个基于DEM的分布式流域水文物理模型，模型考虑了植物截留、蒸散发、融雪、下渗、地表地下径流方向和洪水演进等水文物理过程，用来模拟小流域的降雨径流时空变化过程，得到了较好的模拟结果。

2001年，王中根等在考虑气象因素（降水、气温和辐射）等的空间分布算法的基础上提出了具有物理基础的分布式流域水文模型。

2002年，唐莉华等从分布式水文模型的物理概念出发，应用GIS技术对流域产汇流和产输沙过程均采用分布式模型，并将两者有机结合，建立质量和动量守恒方程，进行小流域径流量及产沙量的预报计算，得到较好的效果。

2003年，夏军等针对分布式水文模拟的问题，提出将水文循环空间数字化信息与水文系统理论相结合的分布式时变增益水循环模型（DTVGM）。该模型将单元时变增益水文非线性模型（DTVGM）拓广到由DEM划分的流域单元网格上建立非线性地表水产流模型，并以河西走廊黑河干流山区流域进行模型验证，结果表明，DTVGM既有分布式水文概念性模拟的特征，也具有水文系统分析适应能力强的优点，能够在水文资料信息不完全或者有不确定性干扰条件下获得比较好的分布式水文模拟效率。

2004年，王中根等在面向黄河中等流域水资源管理中，提出了一个日过程的分布式水文模型，并基于GIS/RS技术实现空间分布参数的确定和模型输入信息的处理，并成功应用于黄河中游泾河流域。

2005年，王中根等考虑到水文循环过程的复杂性和空间变异性，从科学研究和水资源管理的实际需要出发，首次研发国内基于模块化的分布式水文模拟系统，并提出了“信息化水文模拟系统（hydroInformatic modeling system，HIMS）”。HIMS是一个以水循环信息平台为基础，基于组件式结构设计的开放式综合水循环模拟系统，侧重于分布式水文过程的模拟与应用。HIMS的提出发展了水文模型理论和建模技术，拓宽了国内分布式水文模型的研究思路。

2006年，刘卓颖等在考虑了降雨和地形特性基础上开发了适用于干旱半干旱地区的中小尺度分布式水文模型（THIHMS-SW），依据黄土高原水土保持措施的建设原则，将土壤表层离散为不等厚的数层进行饱和非饱和土壤水分运动数值计算，并对岔巴沟流域进行了径流模拟，得到了较好的效果。

2007年，许继军等为解决大流域水文模拟中多尺度之间的衔接问题，探讨了适合于大型流域数字水文模拟的空间嵌套式流域水文模型结构与构建方法，并以三峡水库入库洪水预报为例，依据入库洪水特性，在整个长江上游和三峡区间分别构建了大小两种尺度网格单元的分布式水文模型，并与一维和二维非恒定流的库区水动力学模型相结合，初步实现了这两种尺度水文模型的空间嵌套，收到了较好的效果。

2008年，石朋等根据流域降雨径流的基本过程，以蓄满产流理论为基础，建立了一个网格型松散结构的分布式流域水文模型。该模型结构简单，参数较少，以协克里金插值方法得到空间离散的降雨输入，考虑降雨、植被截留及蒸散发、单元格产流、单元格汇流及河网汇流物理过程。为合理确定参数，充分利用植被覆盖类型图、土地利用类型图和DEM等基础数据。通过在长江三峡区间沿渡河流域的实际应用，模型计算成果令人满意。

2009年，朱强等通过对各类地表相关信息的描述和关联，建立其内在的计算规则，提出建立动态数字地形模型的概念，进行水文过程中复杂、非线性动态变化的模拟。在动态地形模型中，以规则网格为计算单元，通过计算规则描述模拟过程的动态变化，并用此方法进行产汇流模拟，取得了初步效果。

考虑国外部分经典分布式水文模型具有一定优越性，因此，国内部分学者尝试引用国外分布式水文模型并根据本国国情进行调整。SWAT模型被用于流域产流产沙模拟、非点源污染、灌区水资源管理、气候波动和土地覆被变化对流域水文的影响等方面，取得了较好的成效。AnnAGNPS模型、WEP模型、VIC模型、HEC-HMS模型、TOPMODEL模型、HBV模型和DHSVM模型等分布式水文模型相继被引进与水循环相关方面的研究中，取得了较大的成果。

1.2.3 融雪融冰

对于发源于高寒山区河流，融雪融冰是重要的补给源之一。降雪是降水的一种重要形式，在寒冷地区几乎是主要的水源；而冰川是陆地上固态降水（主要是降雪）积累演化形成的能自行流动的天然冰体，它是陆地上的重要水体之一，是高山固体水库。融雪融冰径流对灌溉、供水有重要作用，对一些地区经济建设更有特殊的作用；另外，某些地区融雪融冰径流也会形成洪灾，具有利与害的两重性，必须加以合理利用。因此对融雪融冰径流的研究具有重要的意义。

1.2.3.1 国外研究现状

目前对融雪研究的主要方法是基于能量平衡法、度日公式法、经验公式法以及近年来人们借助卫星遥感技术对融雪进行了一定的研究并取得了一些成果，对积雪的消融规律有了一定的了解。而对冰川消融的研究，人们主要应用能量平衡量（主要是热量平衡）方法、统计模型和通过一定的实际监测数据对某一固定地区的冰川的消融量进行了一定的研究，并结合相关的水文模型对消融量进行了验证，收到了较好的效果。

虽然冰川与积雪消融过程取决于其表面的能量收支状况，但对于能量平衡模型来说，该方法涉及的模型参数较多，计算过程较为复杂，受观测基础限制，应用受到一定的限制，尤其在偏远的高海拔山区。

1887年，基于冰雪消融与气温尤其是冰雪表面的正积温之间的线性关系而建立的度日模型由Finsterwalder等在阿尔卑斯山冰川变化研究中首次引入。随后，度日模型广泛应用于北欧、阿尔卑斯山、格陵兰冰盖等地区的冰雪消融研究中。随着研究的深入，考虑到度日因子的取值受多种因素的影响，如积雪表面状况、森林植被情况、积雪表面清洁度等因素的影响，在冰雪消融研究中对度日因子的取值根据实际情况选定合理的大小。Singh等在计算Himalayan区积雪融化时，考虑了干净的雪和表面被污染的雪消融时度日因子存在一定的差异。Arendt等在研究北极地区冰川消融的过程中，指出度日因子的变化取决于冰面反射率的变化。Marince等建议对于无植被覆盖区度日因子可根据积雪的密度确定，对于植被覆盖区要根据覆盖状况进行适当的调整。研究结果表明，与把度日因子看作常数相比，模型模拟效果有了显著提高。为提高融雪径流模拟的精度，现在一些复杂的度日模型融入了太阳辐射、风速等要素。Lang、Zuze等运用多元回归方法分析发现，度日模型在融入了太阳辐射和水汽压两个变量后，模型模拟效果比仅有气温这一变量时有显著提高。

随着GIS技术在空间数据的管理和计算能力方面的发展，国外学者提出空间分布式度日模型的概念，讨论融雪速率随高程以及不同坡度、坡向等的空间差异。Cazorzi F等基于数字高程模型（DEM）数据把研究流域划分为多个20m×20m的栅格，然后考虑气温和辐射的空间分布建立分布式度日融雪模型，取得很好的模拟结果。

度日模型计算相对比较简单，气温作为模型主要变量要素，相对于其他观测要素，气温易获得。基于这些特点，其已被广泛应用于冰川物质平衡、冰川对气候敏感性响应、冰雪融水径流模拟及冰川动力模型等的研究中。

度日概念性模型在应用时，也存在一定的局限，对于一些比较复杂情况下（例如，降雨情况下的融雪，某些区域气温不能作为雪盖能量获得的主要指标）的融雪状况就很难做到准确地模拟。相比而言，能量平衡模型能较好地解决这些问题。

1956年，美国陆军工程兵团（the U.S.Army Crops of Engineers）首次基于雪盖和环境的能量交换计算融雪量。随后Anderson，Male和Morris等人对其进行完善，形成了基于物理学的点尺度的能量平衡融雪模型。根据他们的研究，如果通过大气的相关数据可估算雪面的能量交换，那么就可以计算融雪量。

由于积雪多分布于山区，地形的复杂性和能量参数在空间上的差异非常大。而实际工作中，在地形起伏复杂的山区布置很多观测点，以期获得参数的空间差异性，可行性也不大。那么最适宜的方法是基于DEM数据，采用遥感和地理信息系统技术，根据少量观测点数据通过相关的模型来研究能量数据的空间分布。

Abbott等在SHE模型中采用分布式能量平衡模型来计算融雪部分。Dozier基于DEM数据建立了积雪覆盖的山区晴天太阳短波辐射的空间分布模型。Marks使用遥感数据对雪盖进行监测，提出了一个分布式融雪模型（ISNOBAL）。Ohara在建立分布式融雪模型时，借助GIS技术采用太阳几何法估算短波辐射的空间分布。

1997年，H.Haefner等借助GIS技术获取研究区不同的高程、坡度和坡向信息，并结合遥感信息获得研究区积雪信息，建立了研究区积雪覆盖信息系统，提出了一个名为SRM-ETH的融雪径流模型。通过在瑞士的阿尔卑斯山3个流域的验证，发现该模型能够较好、较合理地分析融雪径流过程，并能够模拟不同气候变化趋势下融雪径流的响应，但是该模型的不足之处是需要非常高精度的积雪信息。

2006年，Konstantinos M.Andreadis等借助遥感数据（MODIS）获取美国斯内克河（Snake Rive）流域的积雪信息，并以VIC模型为基础对美国斯内克河流域的融雪径流进行模拟，并取得了较好的效果。他们认为在山区受到观测条件的限制以及目前现有的水文模型的输入数据的不确定性制约了预测融雪径流量精度，而遥感信息与水文模型结合将会提高模拟精度使结果更加合理。

2007年，Sally L.Letsinger等提出一个分布式能量平衡模型，并将其用于模拟地形较复杂地区的积雪消融和变化过程。模型中运用解译的遥感影像数据来确定研究区积雪的分布情况。能量平衡模型模拟结果显示研究区融雪在融雪期初就发生，量较少，而快速的融雪出流直到研究流域平均能量差为正时才发生，大约在融雪期45天后。模型考虑了不同的坡度、坡向和地形对融雪的影响，模拟结果较好，能够反映山区融雪径流过程。研究结果对地形复杂山区融雪的研究具有重要的意义。

1.2.3.2 国内研究现状

国内在融雪融冰方面也做了大量的研究。分别应用能量平衡法、度日公式法、经验公式法以及借助卫星遥感技术在融雪融冰研究方面取得了较好的成效，为合理利用融雪融冰资源和水资源管理方面提供了一定的指导依据。

1992年，马虹等采用能量平衡法对中国西部天山山地季节性积雪的融雪速率进行了模拟。通过研究发现，净辐射是积雪消融过程中占主导作用的能量来源，其次是感热交换能量，再次之是潜热的净通量。天气过程对雪面的能量平衡各分量有很大影响。在晴天净辐射和感热通量明显增加，从而能加速积雪的消融；在阴雪天气，净辐射占能量输入的主导作用，而感热和潜热通量很小。风速在雪面-大气间的感热和潜热交换过程中起非常重要的作用，显著的感热和潜热交换常出现在气温高和风速较大的天气过程中。

1993年，马虹等采用能量平衡法模拟计算了中国西部天山山地季节性积雪的融雪速率。研究结果表明：在融雪期，净辐射和感热通量分别占融雪能量输入的75.3%和22.6%；用于融雪和雪面蒸发所消耗的能量分别占吸收能量的95.1%和4.9%。用能量平衡法所计算的融雪速率和实测的雪面数据吻合较好，表明用能量平衡法估算天山山地季节性积雪的融雪速率是可行的。

1998年，刘时银等应用度日物质平衡模式对天山乌鲁术齐河源1号冰川物质平衡及平衡线高度对气候变化的敏感性进行了研究。结果表明，位于大陆性气候区且具有暖季补给特征的乌鲁术齐河源1号冰川物质平衡对气候变化敏感性要小于海洋性冰川。气温与降水在物质平衡形成过程中的作用是不同的，气温引起物质平衡剖面以旋转方式变化；而降水可导致其平移方式的响应。若未来升温2℃时，即使降水增加30%，1号冰川向负平衡变化仍然不能得到遏制。

1999年，何春阳等以天山乌鲁木齐河源1号冰川为例，给出一种基于地理信息系统（GIS）的新型冰川变化计算方法，尤其是冰川体积变化的可视化计算方法。与传统的冰川物质平衡测量（花杆法）和计算方法（等值线法）相比，该方法是在遥感（RS）和全球定位系统（GPS）技术条件下可实现的快捷、直观的方法，在理论和实践上都具有很大优越性。

2000年，冯学智等以国家“九五”重点科技攻关项目为支撑，运用改进后的融雪径流模型（SRM），通过天山雪盖的卫星遥感监测和流域模型参数的研究，实现了对玛纳斯河肯斯瓦特水文站春季逐日流量的数值模拟。模拟结果较好，满足应用精度。

2002年，张学成等以物理机制和数学推导为基础，建立了黄河初始冰盖形成后冰盖厚度演变计算的数学模型。利用实测资料对模型参数进行率定，可以应用于黄河不同河段冰盖厚度的计算和预报。

2003年，马虹等为验证SRM融雪径流模型在内陆干旱气候环境条件下的适用性，在西天山巩乃斯河流域开展了模型的应用实验研究。模拟结果较好，显示了该模型在我国西部内陆干旱区的良好应用前景。在模型成功模拟融雪径流的基础上，利用SRM模型并结合气候情景进行了气候变化对积雪和融雪径流影响的模拟。

2004年，晋锐等以西藏朋曲流域为例，利用1970年中国冰川编目数据、2000/2001年ASTER遥感影像及数字高程模型，得到研究区两期冰川分布图，在GIS支持下统计分析冰川变化趋势。结果表明：近30年流域内冰川数量减少10%，面积退缩9%，冰储量减少8.4%；通过对不同规模的冰川分析，再次证实小冰川对气候变化更为敏感。

2005年，韩海东等利用能量平衡原理、热传导理论和通量传输理论建立了一个热量平衡参数的估算模型，对西天山的科奇喀尔冰川夏季消融区中部表碛区的热量平衡参数进行估算与分析。研究结果表明：净辐射是表碛面热量收支的主要热源，吸收的热量主要以潜热和感热的形式向大气输送水汽和热量，剩余部分用于表碛增温耗热。与消融区上部的冰面和表碛面相比，在消融区中部表碛面热量收入中感热输送减小，同时向上的地热输送增加。

2006年，张一弛等根据高山融雪特点和所在研究区域的地理特性对开都河流域融雪径流进行了模拟。考虑到山区受自然条件的限制测站稀少，河流主要以降雨与融雪混合补给为主以及较显著的局部降雨特征，分析了流域特征对SRM融雪径流模型参数变量的影响，并提出了相应的选取策略以提高融雪径流模拟预报精度，为相似流域融雪径流模拟提供一定的参考依据。通过研究发现，气温输入控制模拟径流的整体趋势，对模拟精度起决定性作用；由于雨量站稀少和局部降雨特征显著，计算各高程分带平均降水有一定的困难，从而影响到模拟精度。同年，刘俊峰等在长江源区冬克玛底河流域运用SRM融雪径流模型对不同分带数对融雪径流模拟效果的影响和不同测站气温分别作为气温驱动变量对融雪径流模拟效果的影响分别进行了模拟试验。结果表明：不同分带会对SRM模型融雪径流量模拟产生一定的影响；而不同的气温作为驱动变量对模拟的效果影响很大，SRM模型对气温驱动变量非常敏感。

2007年，赵求东等基于积雪层能量平衡原理建立融雪模型，利用正午过境的EOS/MODIS的Terra卫星遥感数据反演模型中的参数，结合气象数据获得瞬时的能量平衡信息，然后根据相关领域的研究成果推算日融雪量，改善了融雪模型的算法。另外采用遥感数据对雪盖进行实时监测，避免在进行融雪量估算时对无雪区的错误估算。同年，穆振侠等以新安江模型为基础借助EOS/MODIS积雪数据对天山西部山区融雪径流进行了模拟，取得了较好的结果。

国内在应用卫星遥感数据反演或提取积雪信息方面也做了大量的研究，并取得了一定的研究成果，对融雪方面的应用研究提供了一定的指导依据。