水文模型大本营——陆面模式的伴侣

hillside

      水文模型与气候研究中逐步红火的陆面模式既有差异、又有紧密联系与适当重复。
     由于专业不同，气象类网友对于水文模型比较陌生，然而它在气候领域其实是具有丰富潜力的，只能说这方面目前尚缺跨学科的人才。曾见网友发帖讨论水文模型，现介绍一些常见的水文模型。
      目前堪称水文模型龙头老大的开放兼开源软件是SWAT（行业老大的SHE水文模型集群是商业软件，与ARCGIS在地理信息领域的地位相似），它在水文模拟、环境模拟、气候模拟领域已经大显身手，国内最近出版了SWAT模型从使用方法到理论文件的译作三大册。《中国气象报》甚至用《ＳＷＡＴ模型：让水资源评估“技高一筹”》进行了专题报道（http://www.zgqxb.com.cn/newspaper/news/200912/t20091201_2528.htm），现摘录如下（全文见附件）：
                                                         ＳＷＡＴ模型：让水资源评估“技高一筹”
                                                                   来源：     发布时间： 中国气象报2009年12月01日
　　  当我们盘点当今世界热点名词时，“气候变化”无疑会榜上有名。的确，气候变化正在并已经对人类的社会经济发展、生态系统、极端天气气候事件产生极其重要的影响。而水资源作为生态系统的重要组成部分，不可避免地受到气候变化的“关照”——气候变化将导致水资源时空分布格局改变、极端水资源事件频率增加等。近年来，特别是进入21世纪后，水资源问题越来越困扰全球的经济社会发展，中国亦不例外。因此，探讨研究气候变化和人类活动影响下的水资源问题，也就显得更为至关重要。
　　  在此背景下，气象部门相关专家学者经过长期努力，在水资源问题研究上取得显著成绩。SWAT（Soil and Water Assessment Tool)模型作为开展水资源评估影响的有效工具，已初显成效。该模型正日益被采纳应用，并推而广之。
        在众多水文模型中，SWAT模型经过不断改进和试验应用，正以其独特的优势脱颖而出，被越来越多国家的专家学者广泛采用。
        国家气候中心专家许红梅博士介绍说，水文模型是以水文系统为研究对象，根据降雨和径流在自然界的运动规律建立数学模型，通过电子计算机快速分析、数值模拟、图像显示和实时预测各种水体的存在、循环和分布，以及物理和化学特性。水文模型可以帮助人们理解复杂的水循环系统，通过对观测资料的分析，使看不见、摸不着的水资源系统量化、直观化、连续化，从而为决策者提供科技支撑，为水资源利用奠定基石。　  
　　                                       聚焦：SWAT模型脱颖而出
　　 在众多水文模型中，SWAT模型经过不断改进和试验应用，正以其独特的优势脱颖而出，被越来越多国家的专家学者广泛采用。
　　  SWAT模型是一个基于物理过程的、连续事件的分布式流域水文模型。该模型由美国农业部于1993年研发而成，主要用于模拟大面积复杂流域的径流、泥沙负荷和污染负荷等的水文过程。此外，该模型还可以通过改变输入数据，进行情景设计与分析，研究气候变化、土地利用与土地覆盖变化对径流量、泥沙产量和污染负荷等的影响。
　　  自开发以来，SWAT模型已获得长足发展，成为一个相对完善的分布式流域水文模型。该模型经过参数调整，可以进行干旱区和湿润区的水文模拟；用于水资源的模拟，以及气候变化和土地利用变化对水资源影响的预估；模拟人类活动对水资源的影响；用于开展水文模型的不确定性评估等。
　　数百篇科研论文都已经证明，该模型作为一个活跃的、多学科交叉的流域模拟工具，已经获得广泛的国际认可。在SWAT模型里，根据地形特征和水文气象站点的分布情况，一个大流域被划分为若干个子流域；在子流域里，又根据土地利用和土壤特征情况，划分出若干“水文响应单元”——这成为SWAT模型计算水分平衡的基础。
　　  SWAT模型的气候输入主要包括逐日降水、最高和最低气温等。考虑到气象数据存在缺测现象，SWAT模型自带的“天气发生器”就具备完成气象数据差补的功能。通过对流域内长时间序列的逐日观测数据的统计，建立“天气发生器”统计特征值，缺失的气象数据就会得到很大程度上的“复制”。通过观测期的降雨—径流关系的再现，SWAT模型可以模拟出与此相关的蒸散量、土壤湿度、产水量等“难以观测”的水平衡变量的变化，从而为开展干旱评估、农业灌溉和水资源调配等提供科学指导。
　  未来30年黄河中上游花园口的流量有何变化，未来50年南水北调水源区水资源变化走势如何，西北干旱半干旱地区的生态水文过程对环境变化有何响应？……利用SWAT模型，相关专家学者似乎已成为解答气候变化背景下水文水资源问题的“先知”。
　　目前，在世界范围内，SWAT 模型已经在美国以及欧洲、亚洲及非洲等几十个国家得到了推广应用。近几年，在我国的研究和应用也越来越多。基于SWAT模型，我国气象部门已经开展了《气候变化对水资源影响预估》《水资源对气候变化的敏感性分析》等多项研究课题，成果颇丰。
　  在最新的研究成果中，SWAT模型正在实现“转型”，以便更加符合中国的水“情”水“势”。许红梅介绍说，经过长期研究，国家气候中心的相关专家学者已经建立起一套基于SWAT模型的水资源评估系统。该系统使SWAT模型具有了符合中国水情的方法和标准，实现了“本土化”；建立起SWAT模型与气象共享数据库和预估数据库的关联，使应用更加便捷化；实现了SWAT模型模拟结果的可视化操作，使用更加直观化；统一了SWAT模型的自动参数率定以及模型结果的解释应用问题，使操作更加规范化。
　  基于SWAT模型的水资源评估系统经过示范性案例研究，通过计算和模拟，能把无数的数据“融会贯通”，让水资源评估研究“技高一筹”，补缺过去，推测未来，并且操作简单，可以有效提升气象部门开展气候变化对水资源影响评估的业务服务能力。
　  目前，该评估系统已经在陕西、河南、湖北等许多地区应用，成效显著。SWAT模型及在此基础上的研究应用必将迎来更加广阔的发展前景。

SWAT模型下载网页：
官网：
http://swat.tamu.edu/

现提供一位国内网友（http://swatmodel.blog.sohu.com/）关于SWAT从安装到使用的服务一条龙的综合页面。
SWAT新手安装指南
http://user.qzone.qq.com/94527257/blog/1222245869
做SWAT之前需要了解的事儿
http://user.qzone.qq.com/94527257/blog/1235467945
SWAT使用过程中遇到的问题收集
http://user.qzone.qq.com/94527257/blog/1229495700
SWAT官网下载链接汇总
http://user.qzone.qq.com/94527257/blog/1226740324
SWAT模型土壤数据库建立方法
http://user.qzone.qq.com/94527257/blog/1226409838
关于在SWAT中建立自己的土壤数据库的一些心得
http://user.qzone.qq.com/94527257/blog/1224664511
我为什么推荐用AVSWAT做论文——对校准过程的记录
http://user.qzone.qq.com/94527257/blog/1226032505
SWAT自带例子与自有数据目录的对比说明
http://user.qzone.qq.com/94527257/blog/1225883547
SWAT中水文部分的校准
http://user.qzone.qq.com/94527257/blog/1225029951
气象数据库文件各个参数的说明
http://user.qzone.qq.com/94527257/blog/1224670119
SWAT数据整理工具——pcpSTAT
http://user.qzone.qq.com/94527257/blog/1222314826

     水文模型、陆面模型、海岸模型等地学模型世界
第一门户（模型总数已达166个，提供源程序下载链接或者内容介绍，堪称地学模型超级仓库）  
http://csdms.colorado.edu/wiki/Model_download_portal                                         

          水文模型国内展览馆（寒旱所建设，提供安装程序直接下载及有关链接）：
                                                               http://www.cryosphere.csdb.cn/html/modelList.jsp

                         BASINS流域模型系统——水文模型大套餐
        官方下载网址：http://water.epa.gov/scitech/datait/models/basins/index.cfm
        美国环保署的BASINS流域模型整合了HSPF、SWAT、PLOAD、AGWA等水文模型，在非点源污染等领域有广泛的应用。国内已出版《流域水文水质模拟软件HSPF应用指南》。
                                                                                   SWIM水文模型（德国）

        官方下载网址：http://www.pik-potsdam.de/research/climate-impacts-and-vulnerabilities/models/swim/swim-description
        此模型国内已有一本应用类书籍出版。
   
                                          颇具特色然而难度系数较高的大尺度VIC水文模型
                                                             （兼具水文模型与陆面模式之特点）
        VIC水陆两用模型由华人梁旭女士读博期间牵头开发，其内核与原理与河海大学早年出生的国际名模—新安江模型据称有密切的关联，可惜新安江未能以电子化产品占领国际市场，遂至美人迟暮，近年主要现身于国内水科学研究舞台。VIC模型的版权属于美国华盛顿大学等。
       VIC在国内运用的典范之作当属河海大学吴志勇博士的全国百篇优秀博士论文《定量降雨与实时洪水预报研究》，可惜目前知网尚未提供下载（相关报道见http://www.edu.cn/gao_xiao_zi_xun_1091/20101125/t20101125_544683.shtml，《河海大学再获一篇全国优秀博士学位论文》）。不过，在吴志勇博士论文的基础上，他与其导师合作撰著的《水文循环过程及定量预报》已经由科学出版社2010年出版。据该书提要称：本书详细介绍了流域水文循环关键要素大气水、降水、蒸发的计算、预报、估算的技术与方法，并分别给出了大气水分析计算实例、定量降水估算、预报技术与方法的应用实例、蒸发估算方法及其在干旱监测预测中的应用实例等；探讨了陆面过程模型和大尺度水文模型应用中的技术问题。
      VIC水文模型由C语言编写，linux系统运行（可用CYGWIN等进行仿真），命令行操作，不太方便。

VIC模型官网下载网页：http://www.hydro.washington.edu/Lettenmaier/Models/VIC/

                 与VIC同出一门的区域尺度水文模型—DHSVM
DHSVM模型官网下载网页：http://www.hydro.washington.edu/Lettenmaier/Models/DHSVM/index.shtml

                比较小巧的TOPMEDEL水文模型
        TOPMEDEL水文模型属于比较概化的水文模型，常被称作半分布式水文模型。

            常用于计算不透水面水文影响的LTHIA水文模型
        LTHIA目前作为ARCVIEW GIS的一个模块进行运行。

                                          暴雨水文模型SWMM

         官网下载网址：http://www.epa.gov/nrmrl/wswrd/wq/models/swmm/
                                 http://www.chiwater.com/Software/SWMM/swmmdownload.asp
        在城市内涝日益引起注意的今天，SWMM将得到广泛的重视。

                                                     HBV水文模型
       下载网址：
                               http://amir.eng.uci.edu/education.html  
                                http://people.su.se/~jseib/HBV/HBV_light.html

附1：转一个2008年的老帖：常用水文模型链接

SWAT

http://www.brc.tamus.edu/swat/soft_model.html

VIC

http://www.hydro.washington.edu/Lettenmaier/Models/VIC/VIChome.html

The BROOK Hydrologic Models

http://users.rcn.com/compassbrook/brook90.htm

Hydrus1D

http://www.tu-harburg.de/rzt/tuinfo/software/sim/Hydrus1D.html

TOPMODEL模型

http://www.es.lancs.ac.uk/hfdg/freeware/hfdg_freeware_top.htm

SRM-融雪径流模型

http://hydrolab.arsusda.gov/cgi-bin/srmhome

PRMS模型

http://water.usgs.gov/software/PRMS/

HBV模型

http://www.smhi.se/foretag/m/hbv_demo/html/welcome.html

modflow

http://water.usgs.gov/nrp/gwsoftware/modflow.html

DHSVM模型

http://www.hydro.washington.edu/Lettenmaier/Models/DHSVM/index.shtml

附2：                                                    德克萨斯农工大学提供的诸多水文模型介绍                                                                          http://hydrologicmodels.tamu.edu/models.htm

Precipitation-Runoff Models

Distributed Models

·         3D-Catchment Conceptual Multilayer Model (ArcEGMO)

·         Bochum Water Balance Model (BWBM)

·         CASCade of Planes, 2-Dimensional (CASC2D)

·         CEQUEAU

·         Central Valley Groundwater and Surface water model (C2VGSM)

·         Dynamic Watershed Simulation Model (DWSM)

·         Hydrological River Basin Environment Assessment Model (HydroBEAM)

·         Hydrospheric Atmospheric Sciences Model (IHAS)

·         Integrated Water Flow Model (IWFM)

·         Kinematic Runoff and Erosion Model, Version 2 (KINEROS2)

·         Physically-Based Distributed Erosion Model (MEFIDIS)

·         MIKE SHE

·         MIKE SWMM

·         Object Watershed Link Simulation (OWLS)

·         One-Dimensional Numerical Model (SVAT-HYCY)

·         Storm Water Management Model (SWMM)

·         TOPographic Kinematic Approximation and Integration (TOPIKAPI)

·         WASH123D

Lumped and Parametric Models

·         Agricultural Policy/Environmental eXtender (APEX)

·         FHAR

·         Geomorphology-Based Hydrological Model (GBHM)

·         Hydrologic Modeling System (HEC-HMS)

·         Hydrologic Simulation Model (HSIMHYD)

·         Integrated Hydro Meteorological Model (IHMM)

·         Illinois Urban Catchment Runoff Simulation (ILUCAT)

·         Large Basin Runoff Model (LBRM)

·         MIKE 11 RR (Rainfall Runoff)

·         PARCHED-Thirst

·         Rainfall-Runoff Modeling Toolbox (RRMT) & Monte-Carlo Analysis (RRMT&MCAT)

·         Soil Conservation Service Curve Number Model (SCS-CN)

·         SIRMODII

·         Soil-Plant-Air-Water System (SPAW)

·         Hydrograph Simulation Model (SYN-HYD)

·         Utah Energy Balance Snowmelt Model (UEB)

·         Hydrological Model and Forecasting System (WATFLOOD)

·         Watershed Bounded Network Simulation Model (WBNM)

·         Mathematical Model for Rainfall-Runoff Transformation (WISTOO)

Environmental Models

·         Agricultural Non-Point Source Pollution Models (AGNPS 98)

·         Areal Nonpoint Source Watershed Environmental Simulation (ANSWERS)

·         Continuous Annual Simulation Model (CALSIM)

·         Erosion Productivity-Impact Calculator/ Environmental Policy Integrated Climate (EPIC)

·         Hydrologic Simulation Program-Fortran (HSPF)

·         LOAD ESTimator (LOADEST)

·         One-dimensional Transport with EQuilibrium chemistry (OTEQ)

·         Illinois Least-Cost Sewer System Design Model (ILSD)

·         Illinois Urban Storm Runoff Model (IUSR)

·         Water Quality/Solute Transport (OTIS)

·         Soil Water Assessment Tool (SWAT)

·         Large Scale Catchment Model, formerly CALSIM (WRIMS)

Monthly Water Balance Models

·         Two-Parameter Water Balance Model (TPWBM)

·         Truckee - Carson Water Operations Model

·         Water Balance Simulation Model (WASMOD)

Real Time Flow Forecasting Models

·         National Weather Service River Forecast System (NWSRFS)

·         Watershed Bounded Network Model (WBNM2007)

Hydraulic Models

·         Branched Lagrangian Transport model (BLTM)

·         Diffusion Analogy Flow Model (DAFLOW)

·         Full Equations Model (FEQ)

·         Illinois Hydrodynamic Watershed Model III (IHW-III)

·         MIKE 11

·         Two-Dimensional Alluvial River and Floodplain Model (MIKE21 CHD & CST)

·         Two-Dimensional Floodplain Model (MIKE21 HD)

·         Urban Drainage and Sewer Model (MOUSE)

·         Physical Habitat Simulation System (PHABSIM)

·         Pennsylvania Runoff Simulation Model (PRSM)

·         RootCanal

River and Watershed Management Models

·         Hydrologic River Operations Study System (HYDROSS)

·         Interactive River-Aquifer Simulation Program (IRAS)

·         Water Demand Management Suite (IWR-MAIN)

·         MIKE BASIN

·         Generalized River Basin Network Flow Model (MODSIM)

·         NETSTORM

·         Model for Analysis of Sportfishery Management Policy (RIOFISH)

·         RiverWare

·         Water Rights Analysis Package (WRAP)

GIS Application in Hydrology and Hydraulics

·         Automated Geospatial Watershed Assessment Tool

·         eCoastal Program

·         BASINS version 4.0

·         GIS Weasel

·         HAZUS-MH

·         HEC-GeoRAS

·         HEC-GeoHMS

·         MapWindow

·         NHDPlus Append Tool

·         NRCS Geo-Hydro_ArcGIS

·         NRCS Geo-Hydro_ArcView

·         StreamStats

·         Soil and Water Assessment Tool (SWAT)

Regional and Global Hydrology Models

·         Global Hydrologic Evaluation Model (GHEM)

·         Regional Hydro-climate Model (Reg-HCM)

Stochastic Models

·         Stochastic Analysis, Modeling and Simulation (SAMS)

·         Stochastic Event Forecasting Model (SEFM)

Parameter Analysis Models

·         Multi-Model Analysis (MMA)

·         Universal Inversion Code (UCODE)

附3：为了使网友对水文模型的全貌有一个总体性的认识，现摘录重量级水文模型著作《水文模型》（北师大徐宗学等著，科学出版社，2009）的内容简介与目录：
        《水文模型》在介绍水文模型发展概况、分类以及主要研究与应用领域的基础上，将内容分为3篇：第一篇主要讲述流域水循环与水文过程模拟，从流域与流域水循环基本概念开始，分为降水过程模拟、地表截留和人渗过程模拟、蒸散发过程模拟、地下水过程模拟以及产汇流过程模拟等，并以水文模型评估作为本篇的结束；第二篇主要论述概念性水文模型，从国内外常用的几十种概念性水文模型中选择了具有一定代表性、且以国外模型为主的6个概念性水文模型，包括新安江模型、水箱模型、SWMM模型、PRMS模型、HSPF模型以及HBV模型；第三篇主要讨论分布式水文模型，介绍了分布式与半分布式水文模型共7个，包括TOPMODEL、SHE模型、SWAT模型、VIC模型、TOPKA—PI模型、数字新安江模型以及PDTank模型。
　　《水文模型》可以作为水文学及水资源、环境科学、生态科学、气象科学、水利工程、土地管理等专业的高年级本科生、研究生以及相关领域教学、科研与工程技术人员的参考书和工具书。
丛书序
序一
序二
前言
第一篇　水文模型基础
绪论
第一节　水循环与水文模型
第二节　水文模型发展回顾
第三节　水文模型的分类、应用及发展前景
第四节　小结
第一章　流域与流域水循环
第一节　流域和水系
第二节　流域水循环
第三节　流域特征
第四节　流域数字高程模型
第五节　数字流域与水文模型
第六节　本章小结
第二章　降水过程模拟
第一节　降水及其分类
第二节　降水要素及其时空分布特征
第三节　平均降水量计算方法
第四节　降雪与降雨量划分
第五节　融雪积雪过程模拟
第六节　本章小结
第三章　地表截留和入渗过程模拟
第一节　植物截留与填洼过程
第二节　下渗物理过程
第三节　天然条件下的下渗过程
第四节　经验下渗曲线
第五节　本章小结
第四章　蒸散发过程模拟
第一节　蒸散发及其影响因素
第二节　流域蒸散发
第三节　潜在蒸散发量估算
第四节　实际蒸散发量估算
第五节　本章小结
第五章　地下水过程模拟
第一节　地下水运动基本概念
第二节　含水层分类与特性
第三节　地下水运动模拟
第四节　地下水运动数学模型与解法
第五节　本章小结
第六章　产汇流过程模拟
第一节　径流形成过程
第二节　径流组成
第三节　流域产流过程模拟
第四节　圣维南方程组及其简化
第五节　流域汇流过程模拟
第六节　河道洪水演算
第七节　本章小结
第七章　水文模型评估
第一节　模型选择
第二节　模型率定
第三节　模型验证
第四节　模型评价
第五节　本章小结
第二篇　概念性水文模型
第八章　新安江模型
第一节　二水源新安江模型
第二节　三水源新安江模型
第三节　新安江模型改进
第四节　新安江模型应用实例
第九章　水箱模型
第一节　水箱模型基本原理
第二节　湿润地区的水箱模型
第三节　干旱和半干旱地区的水箱模型
第四节　融雪积雪过程模拟
第五节　模型参数优选
第六节　水箱模型在牧马河流域的应用
第七节　本章小结
第十章　SWMM模型
第一节　概述
第二节　模型基本结构
第三节　模型输入参数
第四节　应用研究进展
第五节　计算实例
第六节　本章小结
第十一章　PRMS模型
第一节　概述
第二节　日径流模拟
第三节　次洪过程模拟
第四节　参数优化与灵敏度分析
第五节　应用实例
第六节　本章小结
第十二章　HSPF’模型
第一节　模型基本功能
第二节　模型基本原理
第三节　模型改进与功能扩展
第四节　应用实例
第五节　本章小结
第十三章　HBV模型
第一节　概述
第二节　模型基本原理
第三节　HBV模型在径流模拟中的应用
第四节　HBV模型应用实例
第五节　本章小结
第三篇　分布式与半分布式水文模型
第十四章　TOPMODEL
第一节　概述
第二节　TOPMODEL基本结构
第三节　BTOPMC
第四节　改进的TOPMODEL及其功能
第五节　GIS技术在TOPMOODEL中的应用
第六节　TOPMODEL应用实例
第七节　本章小结
第十五章　SHE模型
第一节　概述
第二节　SHE模型基本结构
第三节　SHE模型基本功能的扩展
第四节　模型参数与数据需求
第五节　模型应用实例
第六节　本章小结
第十六章　SWAT模型
第一节　概述
第二节　模型基本原理与结构
第三节　模型输入与输出
第四节　主要模块简介
第五节　模型率定与不确定性分析
第六节　应用实例
第七节　本章小结
第十七章　VIC模型
第一节　引言
第二节　模型基本原理
第三节　参数率定与移植
第四节　陆地尺度流域水文模拟及应用
第五节　本章小结
第十八章　TOPKAPI模型
第一节　概述
第二节　TOPKAPI模型概念与推导
第三节　TOPKAPI模型应用的尺度问题
第四节　分布式TOPKAPI模型应用实例
第五节　ArcTOP：TOPKAPI与GIS耦合的分布式水文模型系统
第六节　本章小结
第十九章　考虑植被作用的新安江模型
第一节　概述
第二节　数字流域水系
第三节　考虑植被作用的新安江模型基本原理
第四节　考虑植被作用的新安江模型应用实例
第五节　本章小结
第二十章　PDTank模型
第一节　概述
第二节　PDTank模型基本结构
第三节　PDTank模型中基本方程式的差分解法
第四节　PDTank模型应用实例
第五节　本章小结
参考文献

letsdo8

占上沙发先，{:3_48:}

letsdo8

VIC模型也是公开的，可用性如何？

hillside

letsdo8 发表于 2013-4-13 08:41

                               
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VIC模型也是公开的，可用性如何？

我正准备介绍VIC模型，相比SWAT的菜单界面，VIC需要LINUX系统，命令行操作，难度系数较大。

letsdo8

太给力了，谢谢分享！

letsdo8

你说的“SWAT模型从使用方法到理论文件的译作三大册”，麻烦你给出三本书名吧。

还有，ArcGIS下可装一个ArcHydro模块的，那个怎样？

hillside

letsdo8 发表于 2013-4-13 09:18

                               
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你说的“SWAT模型从使用方法到理论文件的译作三大册”，麻烦你给出三本书名吧。

还有，ArcGIS下可装一个 ...

ArcHydro模块是一个用于水文分析扩展的程序，对于专门的水文研究是有价值的，对于一般的气候研究作用不显著。
《SWAT 2009输入输出文件手册》
《SWAT2009理论基础》
《ArcSWAT 2009用户指南》

letsdo8

hillside 发表于 2013-4-13 09:35

                               
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ArcHydro模块是一个用于水文分析扩展的程序，对于专门的水文研究是有价值的，对于一般的气候研究作用不 ...

谢谢山边的回答，

kongfeng0824

感谢分享！！！！！！！！！！！！

letsdo8

hillside 发表于 2013-4-13 09:35

                               
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ArcHydro模块是一个用于水文分析扩展的程序，对于专门的水文研究是有价值的，对于一般的气候研究作用不 ...

LZ，这三本书京东上都脱销了。