典型寒区流域水文过程模拟及分析

西北高山区寒区流域在全球变化背景下,河川径流发生了明显的变化,定量分析和评估径流变化对制定西部水资源可持续利用有着重要的意义.在VIC模型(含有冻土计算方案)的框架基础上,成功了耦合能量-物质平衡方案,改善了其在寒区冰川流域的水文过程模拟的效果.选择新疆阿克苏河流域作为研究区,验证表明改进后的模型取得比较理想的模拟结果.基于模拟的径流和观测数据,分析了阿克苏河两大支流径流组成及其变化特征.结果表明:1)托什干河冰川区径流占总径流的29.2%,昆马力克河冰川区径流占总径流的58.7%;2)两大支流总径流量近38a均呈增加趋势,托什干河径流增加了43.1%,平均年增加幅度为25.95×106 m3.a-1,昆马力克河径流增加13.1%,平均年增加幅度为14.09×106 m3.a-1;3)低冰川覆盖率的托什干河径流增加完全由于非冰川区径流的增加,高冰川覆盖率的昆马力克河径流增加是冰川区径流和非冰川区径流增加共同作用的结果,其中,总径流增加量中42%是来自于冰川区径流,58%来自于非冰川区径流.

融雪模型研究进展

介绍了国内外融雪模型的研究现状,阐述了现今流行的两大融雪模型(度-日模型、能量平衡模型)的结构、特点以及模型中存在的一些关键问题,并对国内外进展做出总结,指出GIS、RS技术与融雪模型研究有机结合、高时空分辨率分布式融雪模型以及融雪过程中的水热耦合过程将是今后融雪模型研究的重要发展方向。

基于EOS/MODIS遥感数据改进式融雪模型

在中国西部的中纬度干旱和半干旱山区,融雪水是极其重要的水资源,融雪径流对河流的补给量在春季甚至可达75%以上,但是急剧的融雪也容易引发洪水,所以从水资源的有效利用和洪水预警方面看,有必要了解大范围的积雪消融状况。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B.Sequin、B.ltier和谢贤群的研究推算日融雪量,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候对无雪区的错误估算。

唐古拉山区Geonor T—200B雨雪量计日降水观测误差修正

降水观测资料的准确性对气候、气象及水文研究至关重要,因此2005-2011年在青藏高原唐古拉山中段开展了中国标准雨量计(CSPG)和Geonor T-200B自动雨雪量计(下称T-200B)的降水对比观测试验,以CSPG人工观测的日降水修正值作为真实的日降水量,通过数学统计分析,提出T200B的固态、液态及混合态日降水修正公式,并对其进行验证。结果表明,T 200B日降水观测值经过修正后,与CSPG日降水修正值基本相符,试验时段三种降水类型的降水总量的T-200B修正值与CSPG修正之间的平均相对误差为2.3%,平均绝对误差为13.7 mm,该修正方案提高了T 200B降水观测效率,修正精度能够满足实际应用需求。

2001-2015年天山山区积雪时空变化及其与温度和降水的关系

采用2001-2015年MODIS积雪和陆表温度数据、中国高时空分辨率降水数据,基于趋势分析和相关分析方法,分析了天山山区积雪时空变化及其与温度和降水的关系。结果表明:(1)年内积雪面积变化受海拔影响,海拔≤4 000 m,呈单峰型分布,积雪面积冬季大,夏季小;海拔介于4 000~≤5 000 m,积雪面积分别在春季和秋季出现两次峰值;海拔>5 000 m,积雪面积变化与低海拔相反,在夏季达到最大,冬季最小。就年际变化而言,全区积雪面积呈略微减少趋势,其中秋季略微增加,春季变化不大,冬季和夏季明显减少。(2)积雪覆盖频率受水汽来向和地形影响,呈西高东低、北高南低分布格局,与海拔呈正相关。山区大部分区域积雪覆盖频率呈减少趋势,其中海拔介于3 600~≤4 600 m的积雪覆盖频率减少最为显著。(3)在春、夏季,温度是决定积雪面积变化的主要因素,与积雪面积呈负相关;在秋、冬季,降水对积雪面积变化的贡献大于温度,与积雪面积呈正相关。(4)积雪覆盖频率整体上与年均温度呈负相关,与降水呈低度正相关,相关程度及显著性水平在空间分布上存在差异,温度对积雪覆盖频率变化的贡献大于降水。

天山山区降水量的空间分布及其估算方法

利用天山山区及周边31个国家基本站1998～2008年期间的逐月降水资料结合TRMM卫星月平均降水资料,使用卫星结合雨量计的降水估算方法,得到天山山区逐月降水空间分布,并运用交叉检验方法对降水估算精度评估,Nash-Sutcliffe效率系数在0.5以上,相关系数高达0.9以上。结果表明,TRMM卫星对西北山区的降水活动有一定的探测能力,能够较好的反映天山山区降水时空变化特征,为山区降水数据稀缺条件下的降水空间分布估算提供方法,为相关的水文、气象等研究提供数据支持。

遥感和GIS支持下的分布式融雪径流过程模拟研究

基于遥感(RS)和地理信息系统(GIS)技术,设计和构建了一个分布式融雪径流模型,整个分布式融雪径流过程的模拟计算基于能量平衡和水量平衡,由分布式栅格融雪过程、分布式栅格产流过程以及分布式栅格汇流过程组成,融雪以及产汇流过程全部基于栅格尺度,全面实现了融雪过程的分布式模拟。分布式栅格融雪过程中对"度日法"加以改进,引入了"单元时段"的概念,从而得到了"度分融雪模型";针对融雪过程中颇为复杂的冻融反复性难题,提出了旨在解释积雪冻融反复性物理机制的"冻融系数"的重要概念,对于准确把握融雪过程的物理机制具有重要意义。同时基于G IS开发了分布式融雪径流模拟系统,为分布式融雪径流模型的运行提供了平台和技术支持,二者均为融雪洪水预警决策支持系统的核心模块部分。基于由MODIS等遥感数据得到的积雪信息、地表温度等下垫面信息,基础地理信息数据如DEM及其空间分析数据和大量野外同步观测数据(积雪信息、气象数据),对典型研究区新疆军塘湖流域2006年春季典型融雪期(2006-03-06,11:00—2006-03-10,11:00)内的洪水过程进行了模拟,模拟结果精度较高,平均精度0.82,达到了融雪洪水预警预报的业务需求标准。

利用GRACE重力卫星监测祁连山水储量时空变化

利用经过高斯平滑滤波处理的2003年1月～2010年12月逐月的GRACE卫星时变重力场数据反演得到祁连山山区水储量变化,其空间分辨率为1°×1°,结合同时间段该区域35个国家气象台站逐月降水资料,采用趋势分析方法研究了祁连山山区近8 a来的水储量时空变化特征。结果表明:祁连山山区水储量变化从空间分布上来看具有明显的空间差异性,总体表现为东少西多,南多北少的空间分布格局。在时间上,水储量变化与降水一样具有明显的季节变化规律,两者变化过程基本一致。祁连山山区平均水储量变化趋势的年内分布总体上为1～12月水储量趋势呈由高到低的递减变化。1～11月份,变化趋势为正增长,最大正增长为47.8 mm/a,出现在6月份。12月变化趋势呈负增长,负增长趋势为-2.5 mm/a。2003-2010年祁连山山区水储量总体上呈逐年上升趋势,平均上升速度为0.72 mm/mon,8 a间水储量增加约13.6×108m3,其主要原因一方面是由于气候转暖使该区冻土退化,活动层加厚,导致蓄水增加,另一方面是由于近些年该地区加大山区水源涵养林建设,增加了山区蓄水功能。

长江源区植物群落特征与环境因子的关系

分析了长江源区冬克玛底流域典型多年冻土区植物群落特征与环境因子的关系.结果表明:1)TWINSPAN将112个植被样方划分为5个主要植物群落,物种生活型组成以多年生草本为主(87种),其次是1～2年生草本(19种);2)植物群落特征与环境特征累计解释量高达88.5%,盖度和生物量对环境梯度变化响应较明显,其次是Patrick、Shannon-Wiener和Simpson指数,而Pielou指数对土壤环境变化响应不明显;3)冻土活动层厚度较小时,土壤有机质和全氮等养分含量较高,植物生物量、盖度及物种多样性较高;反之则具有降低趋势.这说明冬克玛底流域植被盖度、生物量和物种多样性分布格局是各环境因子综合作用的结果,但土壤有机质含量和冻土活动层厚度是影响其变化的关键环境因子.

积雪变化特征及与气候之间的关系——以乌鲁木齐地区为例

本文研究和探讨了乌鲁木齐地区积雪的变化特征,利用1990年—2004年遥感气象卫星积雪监测资料和地面观测点信息,一方面对积雪的时间变化进行回归分析,提出了雪盖和雪深的增长和衰减模型;另一方面与气候因子(气温与降水)进行复合分析,提出雪盖和雪深的气温降水复合模型。从而加深对乌鲁木齐积雪的认识,其定性和定量分析可为农牧业、水利部门提供有益参考。

基于GRACE重力卫星数据的黄河源区实际蒸发量估算

利用GRACE卫星数据反演得到黄河源区唐乃亥流域2003—2008年流域水储量变化,结合同时间段黄河源区降雨及径流资料,根据水量平衡方程,估算流域逐月实际蒸发量.结果表明:估算的结果与20cm蒸发皿观测值和SiB2模型模拟的结果具有较好的一致性和相关性.黄河源区2003—2008年年平均实际蒸发量约为506.4mm,其中,春季(3—5月)为130.9mm,约占全年的25.8%;夏季(6—8月)为275.2mm,约占全年的54.3%;秋季(9—11月)为74.3mm,约占全年的14.7%;冬季(12月至翌年2月)为26.2mm,约占全年的5.2%.2003—2008年源区降水基本保持不变,蒸发呈减少趋势,径流略有增加,径流峰值期提前,黄河源区水储量增加速率为0.51mm.month-1,相当于82.6×104 m3.a-1,总增加水量约496.6×104 m3.降水平均增加速率为0.019mm.month-1,水储量增加速率为0.51mm.month-1,而蒸发的下降速率为0.52mm.month-1,径流的增加速率为0.034mm.month-1.因此,在降水量变化不大的情况下,蒸发的下降和冻土消融导致水储量的增加明显,这也是引起地表径流增加的原因.

CMADS数据集及其在流域水文模型中的驱动作用——以黑河流域为例

大气驱动场的质量一直是影响水文模型模拟结果的重要因素之一,较差的大气驱动场数据通过误差传递,使得水文模型输出结果的不确定性增加。我国幅员辽阔且地形复杂,而气象观测站点却相对稀缺,现有观测站点已不能满足大尺度水量、能量平衡过程的模拟研究工作。引入中国陆面同化系统强迫场CLDAS,建立CMADS数据集,以祁连山黑河流域为典型研究区,利用CMADSV 1.0版本数据集驱动SWAT模型,并对CFSR及传统气象站驱动SWAT的结果进行对比分析。通过对黑河流域3个水文控制站(莺落峡,祁连山及扎马什克)径流量进行率定与验证后发现:CMADS+SWAT模式径流输出结果总体优于CFSR+SWAT模式及TWS+SWAT模式的模拟结果,利用CMADS+SWAT模式亦可很好地反映黑河流域各类地表分量(如土壤湿度、融雪等)时空分布特征,表明CMADS数据集较传统气象站驱动大中尺度水文模型拥有更明显的优势,该数据集将为我国地面气象站缺乏区及无站区(如中国西部及我国大部分高寒山区等)的大气-水文耦合研究提供重要的气象数据保障。

基于随机森林算法的中国西南地区林火发生预测模型构建及驱动因子

林火直接破坏森林资源,改变森林的结构与功能,影响局地甚至全球气候状况并威胁人类生命和财产安全,在气候变暖背景下林火将更加频发,因此开展林火预测/预报研究至关重要。利用MODIS(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)的温度异常/火产品(MOD14A1)获取逐日林火数据,分析了2001—2018年中国西南地区林火时空分布特征;采用随机森林算法,综合考虑气象、地形、可燃物状况及植被等林火驱动因子,构建了中国西南地区干、湿季林火发生预测模型,系统分析了西南地区干湿季林火发生的主要驱动因子。结果表明:(1)中国西南地区林火主要集中分布于云南大部、四川西南部及贵州南部地区,并呈集聚分布特征;林火多发于干季,占林火发生总次数的96.5%,年林火发生次数呈阶段性变化特征,2001—2014年呈现显著增加趋势,随后表现为不显著减少趋势;(2)构建的干、湿季林火发生预测模型能较准确地模拟林火发生状况:训练期模型准确率分别处于82.94%—83.99%与85.12%—90.31%之间,AUC(Area Under Curve)值分别处于0.908—0.914与0.922—0.965之间;测试期模型准确率分别为79.73%和83.27%,AUC值分别为0.886和0.855;(3)海拔是西南地区林火发生最关键的限制因子,林火多集中于中海拔区,而在低海拔和高海拔地区林火不易发生,这与人类活动密切相关。当日的气象条件是干季林火发生次重要的驱动因子,可燃物的温湿度状况则是湿季林火发生次重要的驱动因子。FWI系统指标(Fire Weather Index)在西南地区有较好的适用性且对于区域干湿季林火发生均有重要的影响,因此在西南地区林火预测/预报工作中有必要引入FWI系统指标。

祁连山西段老虎沟流域消融季径流变化特征研究

基于祁连山西段老虎沟流域断面的径流数据与大本营气象站的气象资料,对冰川区径流与气象要素之间的相关性进行了分析,并建立了多元指数非线性回归方程对径流进行重建以弥补缺失径流,此外,对冰川区径流的年际、季节、日尺度的变化特征进行了分析。结果表明:(1)冰川区径流量与气温的相关性最高0.86,其次是水汽压(0.81)、相对湿度(0.46)、降水量(0.27),径流受气温影响最大。(2)21世纪观测资料显示日平均径流量为2.10 m3·s-1,较20世纪50年代末的1.65 m3·s-1有所增加,主要因消融季气温上升0.75℃所致,强消融期(7、8月)径流量的年际变化较大,消融期初(5、6月)和末(9月)年际变化较小。消融季5—9月产流占比分别为5.3%、16.1%、37.3%、35.1%、6.2%。(3)多元指数非线性回归方程可以较好地模拟日径流量(纳什效率系数平均为0.70),补充缺失径流后,对于径流的日变化,消融期初和末日变化较小,而强消融期径流的日变化较大。对于径流的时滞效应,老虎沟流域消融季各月径流呈现“谷-峰”的日变化特征,消融期初和末气温达到最大值与径流达到最大值的时间间距较大,而强消融期较小,在消融期初的6月两者相差最大为3 h。明晰冰川融水变化特征对干旱区水资源管理,生态保护及社会经济可持续发展具有重要意义。

近58年天山降雪/降水量比率变化特征及未来趋势

降雪/降水量比率(S/P)能够反映不同形态降水特征,对气候变化十分敏感。该文基于天山及周边49个气象台站观测数据和IPCC-CMIP5气候情景数据,分析了近58 a来中国天山山区冷季(10-4月)降雪量、降水量和S/P时空变化特征,并预估在RCP4.5排放情景下各指标的未来变化趋势。结果表明:天山山区冷季S/P受地形影响,呈山区大于盆地,北坡大于南坡的分布格局,与海拔显著正相关。1961—2018年天山山区平均冷季降雪量、降水量均显著增加,S/P变化不大,在0.35~0.67之间波动,以-0.016%/10a的速率呈微弱减少趋势;平均气温变化是引起S/P变化的重要因素。在RCP4.5气候情景下,天山山区未来冷季降雪量缓慢减少,降水量显著增加,S/P显著减少。相比基准期(1986—2005年),到2050s冷季降雪量平均减少8.9%,降水量增加10.1%,S/P减少14.7%。该研究对科学认识全球变暖背景下天山地区水文响应以及区域水资源调控具有重要意义。

高寒山区地表温度反演算法对比——以疏勒河上游流域为例

针对高寒山区地表温度遥感反演误差较大的问题,对比了三种地表温度算法在疏勒河上游流域的适用性。利用2009-2011年9景Landsat-5TM影像和气象数据,对疏勒河上游高寒山区的地表温度进行了反演。地表实测数据与三种地表温度算法及三种比辐射率计算方案下的反演结果进行对比检验的结果表明：辐射传输方程和普适性单通道算法的反演结果均高于实测值,单窗算法的误差最小,采用单窗地表温度算法结合覃志豪等的比辐射率计算方案反演的地表温度与实测结果的一致性最好。对2010年6月9日的不同下垫面类型的地表温度的空间分布分析结果表明,优化组合的地表温度算法反演的地表温度能够反映疏勒河上游山区不同地物的地表温度差别。

新疆地区季节性融雪洪水模拟与预报研究

新疆春季积雪融化极易引发融雪性洪水,给当地的农牧业生产和人民生活都带来严重影响和财产损失.融雪中包含复杂的水-热耦合过程,融雪水产流机制受冻土影响,融雪洪水模拟与预报十分复杂,一直是水文研究的难点.新疆大学刘志辉研究团队长期开展季节性融雪洪水模拟与预报研究,在积雪特性监测、冻土融雪水产流机制、分布式融雪径流模型以及融雪洪水预警等方面进行了深入研究.首次提出冻土条件下的融雪水的三个产流机制,即冻土未融化时的超渗产流、冻土部分融化时的饱和产流以及冻融期的交替产流;基于热量平衡和水量平衡研制出分布式融雪径流模型,耦合WRF(Weather Research and Forcasting model)模型实现融雪洪水预报;研制出新疆融雪洪水预警决策支持系统,实现融雪洪水预警系统的应用.研究成果有助于融雪洪水模拟的进一步研究,也为政府部门融雪洪水预警决策提供科学依据.

天山北坡呼图壁河流域积雪水文过程对气候变化的响应

积雪是干旱区水资源的重要组成部分,气候变暖引起的降水形态和积雪消融的改变势必会对流域径流过程及其组分变化产生重要的影响。选取天山北坡呼图壁河流域作为干旱区积雪补给典型流域,利用站点气象数据及IPCC CMIP5气候情景数据,驱动改进雨雪划分方案、融雪径流计算模块的VIC模型,以观测径流和MODIS积雪面积数据进行模型多目标参数优化,定量解析呼图壁河流域径流组成、变化特征及对气候变化的响应机理。结果表明:(1)呼图壁河径流呈暖季集中的单峰型分布,融雪径流、降雨径流和冰川径流分别占径流总量的27.7%,66.1%,6.2%。1978—2010年呼图壁流域在气温、降水量显著增加,降雪量变化不大,降雪占降水比例显著下降的背景下,总径流和降雨径流显著增加,融雪径流微弱增加。(2)RCP4.5情景下,预估未来呼图壁河流域气温将显著升高,降水缓慢增加,而降雪明显减少;流域总径流将缓慢增加,其中降雨径流显著增加,而融雪径流将显著减少;径流年内分配亦将改变,将表现为春季径流和峰值流量的下降,枯水期流量增加,融雪径流峰值前移。(3)春季融雪径流的占比最高,其变化直接决定着总径流的丰枯变化;预估未来融雪径流显著减少将导致3—6月灌溉期总径流减少,在现有农业生产模式下将进一步加剧灌溉用水矛盾。

中国西北干旱区降雪和极端降雪变化特征及未来趋势

降雪是中国西北干旱区水文系统中关键的组成要素,同时也是对气候变化极为敏感的因子。利用中国西北干旱区的89个气象站点逐日气象资料结合IPCC-CMIP5气候情景数据,研究了该区域降雪和极端降雪的时空变化特征,并分析了其对气候变化的响应机理及未来变化趋势。结果表明:1971-2010年,我国西北干旱区年降雪量显著增加,但降雪次数却明显减少;年极端降雪发生次数占总降雪次数的比例不足3%,但其对年降雪量的平均贡献可达1/4,且极端降雪量和发生次数的增加是近40年西北干旱区降雪总量增加的主要原因。极端降雪发生时的气温要比非极端降雪发生时的气温平均高3.3℃;当气温在1℃以下,降雪强度随气温升高而增大,该变化特征基本符合克劳修斯-克拉伯龙方程理论,气候变暖是导致极端降雪显著增加的主要原因。在RCP4.5气候情景下,我国西北干旱区未来年降雪次数将大幅减少,年降雪量将在(2040±5)年前后达到峰值随后下降,年极端降雪量和发生次数预计(2060±5)年左右达到峰值;相比基准期,2050s西北干旱区所有站点的年降雪发生次数都将明显减少,区域平均年降雪量将减少5%,而年极端降雪量和发生次数有微弱的增加,分别增加约2%和4%。

天山南坡高冰川覆盖率的木扎提河流域水文过程对气候变化的响应

木扎提河是天山南坡冰川面积覆盖率最大(48.2%)的河流,流域径流过程对气候变化极为敏感,为了合理管理和规划水资源,确保水资源的可持续利用,亟需定量评估气候变化对该流域水文过程的影响。以VIC-CAS分布式水文模型为计算平台,利用实测的径流和两次冰川编目间的冰川面积变化数据开展了模型的多目标参数化校正和验证,有效提高了模拟结果的"真实性",然后通过数值模拟结果结合观测数据定量解析了流域径流的组成、变化特征及对气候变化的响应机理。结果表明:木扎提河总径流集中在暖季(5-9月),占全年总径流量的77.9%,冰川径流、融雪径流和降雨径流分别占总径流量的66.6%、26.4%和7.0%。1971-2010年木扎提河流域气温和降水呈显著增加趋势,由于降水的增加,降雨和融雪径流均呈增加趋势,但冰川径流呈现明显减少趋势,导致总径流呈现下降趋势。在RCP4.5情景下,未来该流域气温呈现明显升高趋势,降水表现为微弱下降趋势;气候变暖后,更多降水以降雨形式发生,未来降雨径流将明显增加,降雪和融雪径流已于20世纪90年代达到峰值,随后明显减少;冰川面积将持续萎缩,冰川径流于21世纪10年代达到拐点,随后明显减少,导致河道总径流量也将明显减少。