使用数学显着改进复杂景观中地表和地下水流的建模

了解地表和地下水如何受到干旱、火灾、变暖和人类需求增加的影响，需要能够代表复杂环境的计算机模型。对于科学家所说的有图案的土地覆盖，预测尤其困难。在北极永久冻土景观中，这种模式是由强烈的冻结和随后的解冻引起的。这也可以翻转土壤层，导致富含有机土壤和植被的凸起多边形图案，多边形之间有地表水。一组科学家开发了一种新的数学公式，使模型能够预测这些复杂多边形景观中的水径流。

大多数自然景观及其底层土壤结构都很复杂，这种复杂性难以衡量和模拟。这种新的数学公式恰当地捕捉了北极环境中多边形景观的复杂性及其潜在的土壤结构。这一提法也将推动研究人员的预测能力如何表层和次表层水流量将随着时间的推移在给定的分水岭改变。研究人员和当地利益相关者可以使用这些预测来帮助做出有关特定流域水资源使用的决策。

流域功能，包括提供清洁可用水的能力，通常受到当地地表和下伏土壤复杂性的显着影响。理解这种复杂性需要模型能够首先表示复杂性，然后准确有效地解决现实世界中的水情况。一个多机构科学家团队开发了一种新的数学公式，可以适当地捕捉这种复杂性，并在能源部 (DOE) 高级陆地模拟器 (ATS) 代码中实施。

ATS 的这一新功能使科学家能够准确预测水的流动方式景观的下方和表面，包括它如何在地下水和地表径流之间分配到溪流。研究人员针对一系列基准问题推导出并测试了该公式，发现它在表示具有复杂土壤结构的多边形景观方面比以前用于表示这些复杂景观的模型要准确得多。这一点，以及 ATS 的其他进步，现在使科学家们能够更准确地模拟复杂景观中的地表和地下水流，包括在给定空间区域内斑块状烧伤疤痕和基岩深度可变的火灾后风暴案例。这种新的建模功能为更好地预测流域中的可用水量和水质提供了重大进展。

该研究发表在《水资源进展》上。

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