度日模型在冰川与积雪研究中的应用进展

度日模型是基于冰川与积雪消融和气温,尤其是冰雪表面的正积温之间的线性关系建立的.度日模型已广泛应用于北欧、阿尔卑斯山、格陵兰冰盖、青藏高原等地区的冰雪消融、冰川物质平衡及对气候敏感性响应、冰川动力模型以及冰雪融水径流模拟等的研究中.度日模型尽管是对冰雪表面消融能量平衡这一复杂过程的简化描述,但在流域尺度上,通常可以获取类似于能量平衡模型的输出结果.度日模型也有其不足之处,仍需进一步的改进与完善.

度日模型与简化型能量平衡模型的时空推广性分析——以乌鲁木齐河源1号冰川为例

以乌鲁木齐河源1号冰川为试验对象,对目前在区域尺度广为应用的2种物质平衡模型度日模型(DDM)与简化型能量平衡模型(s EBM)在时间与空间上的推广性进行分析。结果表明,在试验设定的条件下,s EBM唯有时间推广性较好,而DDM的时空推广性皆较差。通过理论分析得到相同的结论,且发现冰川表面气温直减率与降水垂直梯度取值的准确性,对提升2种模型的空间推广性具有重要意义。

两类度日模型在天山科其喀尔巴西冰川消融估算中的应用

采用辐射传输参数化方案估算太阳入射短波辐射,并以小时气温作为输入数据,在200、100和50 m3种海拔梯度下,分别应用传统度日模型和改进度日模型对科其喀尔巴西冰川2008年夏季消融区非表碛覆盖区消融进行了模拟分析。研究表明:太阳小时入射总辐射计算与实测结果具有较好的一致性;科其喀尔巴西冰川度日因子存在明显的时空差异性;随着空间分辨率提高,2类度日模型的模拟效果都变好;在200和100 m海拔梯度下,改进度日模型的模拟结果优于传统度日模型,而在50 m海拔梯度下,无明显改进。

基于VIC_glacier模型的拉萨河水文模拟及冰川径流研究

拉萨河作为青藏高原南部雅鲁藏布江最大的支流,冰川融水是其径流的重要组成部分。本文基于VIC模型和度日模型构建的VIC_glacier模型,模拟了1990—2010年拉萨河流域径流过程。结果表明:(1)与VIC模型相比,VIC_glacier模型在研究区的径流模拟效果更好,日径流模拟值与观测值的相关系数接近0.8,纳什效率系数在0.75以上;(2)从上游到下游,冰川融水对径流的贡献率分别为21.4%(旁多站)、17.7%(唐加站)、14.5%(拉萨站),呈逐渐减少趋势;(3)冰川径流和非冰川径流年内变化均呈现“单峰型”形态,且在8月份达到峰值;(4)1990—2010年间,年冰川径流量整体呈现上升趋势,与同期气温上升的变化规律一致;年冰川融水对径流的贡献率与年降水量呈反比关系。研究成果可为拉萨河流域的水资源管理提供参考。

改进双层积雪模型在澜沧江上游的应用

采用改进的双层积雪模型,以澜沧江上游积雪区为例进行了模型的应用,并从模型原理、模型适用条件、模拟效果等方面与传统的度日模型进行了对比分析。结果表明:以能量平衡和质量平衡为基础的双层积雪模型,在融雪物理机制上更加完善;模型不仅能模拟积雪区融雪产流量,还能模拟融雪过程中冠层对降雪的截留量、蒸发中的汽化和升华损失量、冠层对地面的二次降水量、积雪层中融雪水再结冰量等各个子物理过程;通过对双层积雪模型的改进,使融雪产流模拟结果更符合实际情况,可为寒区冰雪水文过程的研究提供借鉴。

基于改进abcd模型的黄河源区径流变化与归因

为改进模型对高寒地区融雪径流模拟不足的缺陷,将融雪模块耦合到传统abcd模型。利用1980—2018年逐月实测的径流数据和通过AnuSpline方法插值的格网气象要素,驱动改进后的abcd模型,分析三江源生态保护措施实施前后(1980—1999年和2000—2018年)黄河源区径流的动态变化,并量化关键气象因素与人类活动对径流变化的影响程度,即相对贡献。结果表明:耦合融雪模块的abcd-snow模型完善了高寒地区水文过程的模拟,提高对径流的模拟性能,在黄河源区表现出较好的适用性;整个研究时段黄河源区的实测径流呈不显著减少趋势(-0.80 mm/a,p>0.05),但2000年前径流则呈现显著下降趋势(-4.12 mm/a,p<0.05),2000年后径流则呈显著增加趋势(3.16 mm/a,p<0.05);归因分析表明气候变化是源区径流变化的主导因素。2000年前,气候变化对径流减少的相对贡献率为62.8%,人类活动对径流的贡献为37.2%;2000年后,气候变化对径流增加的贡献率达到120.0%,人类活动对径流的贡献为-20.0%。其中:降水的变化是决定径流变化主导因素;其他气候因素的相对贡献较小;以人类活动为主的生态恢复可显著降低河川径流。本研究有助于理解气候变化和下垫面变化对黄河源区水资源变化的系统驱动机理,并为流域水资源合理配置提供科学参考依据。

高亚洲冰川区度日因子空间分布数据集

基于冰雪消融与气温之间线性关系建立的度日模型是冰川研究中应用较为广泛的模型。度日因子是该模型的重要参数,反映了单位正积温产生的冰雪消融量,其空间变化对于该模型模拟冰雪消融过程的精度影响较大。然而,高亚洲地区有长期观测的冰川数量较少,无法为应用度日模型开展区域冰川消融模拟提供必要的参数。本研究基于高亚洲不同地区40余条冰川的考察和观测资料,构建了冰川冰与雪度日因子的转换公式,获取了高亚洲冰川区度日因子的空间分布格网数据集(GeoTIFF格式,32位浮点型),空间分辨率为0.5°,同时本数据精度已在典型区域的冰川物质平衡模拟应用中得到了验证。本数据集可为开展高亚洲区域冰川消融过程及其对水资源变化与相关灾害影响研究提供模型参数,为进一步分析高亚洲地区冰川变化与气候变化、水资源变化及其灾害效应提供必要的数据支撑。

天山南坡阿克苏流域冰川物质平衡及其融水径流对气候变化的响应研究

冰川融水是西北干旱区水资源重要组成部分,定量评估其变化对中、下游生态环境保护和工农业经济可持续发展具有重要意义。本文基于国家气象台站日降水和气温资料、数字高程模型(DEM)以及第一次冰川编目数据,利用度日模型模拟了天山南坡阿克苏流域1957—2017年冰川物质平衡及其融水径流变化,分析了融水径流组成及其对气候变化的响应。结果表明:1957—2017年流域年平均物质平衡为-94.6 mm w.e.,61年累积物质平衡为-5.8 m w.e.。流域冰川物质平衡线呈显著上升趋势,年均上升速率为1.6 m/a。研究区年均融水径流量为53.1×10^(8)m^(3),融水增加速率为0.24×10^(8)m^(3)/a,融水径流及其组成分量均呈显著增加趋势。在气候暖湿化背景下,流域降水的增加使得冰川区积累量增加,在剧烈的升温作用下,冰川消融加剧,气温对融水径流的作用增大,因此冰川物质平衡亏损产生的水文效应增强。研究结果可提升区域冰川水资源效应变化及其影响的认识。

屋面材料对雪层持水量及积雪滑落的影响

为揭示屋面材料对屋面积雪滑落的影响规律,考虑混凝土、钢、膜与玻璃等常用屋面材料,对不同材料屋面上雪层的最大持水量及屋面-雪层剪切强度展开试验研究,并引入度日模型,建立屋面积雪滑落的判定方法,分析了屋面材料对屋面积雪滑落的影响。结果表明屋面积雪的最大持水量随屋面材料粗糙度的增大而增大;除玻璃外,屋面积雪滑落的临界温度也随屋面材料粗糙度的增大而增大。研究的结果为进一步探索屋面积雪滑落的机理提供重要参考依据。

冰川径流量变化对塔里木河流域河流径流量的影响研究

为了研究冰川径流量变化对塔里木河流域河流径流量的影响,通过度日模型,分析塔里木河流域的冰川质量平衡和冰川径流量特征。结果表明,1961-2006年间,整个冰川质量呈现下降趋势,各子流域的年度冰川径流均逐渐增加,冰川对河流流量的贡献率上升至49.1%,冰川径流对河流流量的影响增加。研究成果可为塔里木河流域径流量变化分析提供参考。

河西内陆河流域冰川融水近期变化

基于第一次中国冰川编目数据库,以国家气象台站的月降水与月气温资料为驱动数据,利用度日模型重建了河西内陆河流域各水系1961～2006年冰川物质平衡和融水径流序列,并与短期观测资料的对比验证表明,模型具有较高的可信度。河西内陆河流域1961～2006年平均冰川物质平衡为-49.5 mm/a,从东段石羊河流域到西段疏勒河、党河流域,物质平衡由强烈的负平衡向微弱的负平衡状态过渡。整个河西内陆河流域1961～2006年平均冰川融水径流量为10.2亿m3,冰川融水补给比重为14.1%。各流域冰川融水补给比重差异较大,西段的疏勒河、党河融水补给比重超过30%;北大河流域为22.9%;黑河流域各支流的融水补给比重在5%～15%之间;东段的石羊河流域融水补给率不到10%。46年冰川融水径流与其补给率均呈显著的增加趋势。

1961—2006年叶尔羌河上游流域冰川融水变化及其对径流的影响

叶尔羌河是塔里木河的主源之一,发源于喀喇昆仑山北坡,冰川融水是其主要补给.以叶尔羌河流域库鲁克栏杆水文站以上流域国家气象台站的月降水与月气温资料、90 m分辨率的数字高程模型(DEM)以及1970年代的冰川分布矢量数据为基础,利用冰川度日因子融水径流模型重建了叶尔羌河上游流域平均冰川物质平衡、冰川融水径流序列,分析了叶尔羌河上游流域冰川融水径流变化的特征、趋势及其对河流径流的影响.结果表明:1961—2006年流域冰川平均年物质平衡为-163.1 mm,累积物质平衡为-7.5 m,平衡线平均海拔为5 395.7 m.1991年之后流域冰川物质平衡呈显著负平衡,平均年物质平衡为-301.2 mm,1991—2006年与1961—1990年相比平衡线平均高度上升了64.2 m.1961—2006年流域年平均冰川融水径流深为807.7 mm,冰川融水对河流径流的补给比重为51.3%;2000年之后冰川融水对河流径流的补给比重增大到63.3%,与多年平均值相比冰川融水对河流径流的贡献在2000年后明显增大.

祁连山七一冰川物质平衡及其对气候变化的敏感性研究

依据2010年6月30日-9月5日考察期间获得的七一冰川物质平衡和气温降水等气象资料,运用度日物质平衡模型模拟了七一冰川的物质平衡变化状况.结果表明:七一冰川考察期间物质平衡为-856.2mm w.e..受气温、降水等气候因素的强烈影响,物质平衡过程明显分为"微弱积累-强烈消融-微弱消融"3个阶段.度日物质平衡模型模拟的冰川物质平衡与实测值的变化趋势基本一致,整体反映了冰川物质平衡随海拔上升而增大的空间分布特征.物质平衡的气候敏感性实验表明,物质平衡对气温升降的变化非常敏感,气温是影响冰川物质平衡的主导因素,当气温持续升高时,降水量的少量增加对物质平衡的影响将变得很小.

北极Svalbard、斯堪的纳维亚与挪威南部冰川物质平衡对比及其气候意义

利用1946—2005年北极Svalbard、斯堪的纳维亚及挪威南部冰川物质平衡资料,分析了冰川物质平衡的变化特征及其对气候变化的响应.结果表明:北极Svalbard地区冰川物质平衡具有较低的年振幅和较小的年际变化;环北极的斯堪的纳维亚地区和挪威南部地区冰川物质平衡则具有较高的年振幅和较大的年际变化;20世纪80年代末90年代初,3个地区冰川物质平衡均达极大或较大值,之后呈加速向负平衡发展之势.冰川物质平衡对气候变化的敏感性与其物质平衡状态有关:物质平衡越是趋向正平衡发展的冰川,其敏感值较高,反之亦然;海洋性冰川较大陆性冰川对平衡线高度变化(气候变化)敏感.平均而言,三个地区冰川物质平衡在观测期内的亏损量相对于零平衡状态而言,相当于气温上升了0.32℃.冰川净物质平衡对1℃升温的敏感性变化范围为-0.42～-0.99mw.e..a-1,对10%降雪增量的敏感性为+0.01mw.e..a-1～+0.57mw.e..a-1;平衡1℃升温导致的冰川净物质平衡消融需要降雪量增加24%.冰川物质平衡对气候变化的敏感性与其所处气候环境背景(大陆度)相关性,越是趋向海洋性的冰川其敏感性越高.

干旱区降雨、融雪混合补给下的径流模拟研究——以博尔塔拉河上游流域为例

降雨和高山融雪是博尔塔拉河河源区重要的产流方式,以博尔塔拉河上游流域为例,综合分析流域近50 a气温、降水和径流变化趋势,引入度日模型,探索干旱区降雨和融雪混合补给径流下SCS-CN模型应用方法。为提高模型模拟精度,采用国产"高分一号"卫星数据,结合RS/GIS平台,为SCS模型参数计算提供大尺度高精度基础数据。利用流域2013-2014年实测降水数据,开展径流模拟,结果表明:修正后降水量参数可满足模型降水量的边界条件;SCS模型模拟值与实测值参数率定期和检验期相对误差系数RE分别为7.3%、12.8%,表明该方法在博尔塔拉河上游具有适用性。

气候变化条件下降雨-融水型泥石流流量预测方法

全球气候变化背景下,目前唯一的冰川泥石流流量经验模型无法定量反映雨热耦合变化的影响。根据度日模型冰雪融水当量和泥石流流量雨洪计算方法,提出了考虑雨热耦合条件下降雨-融水型泥石流流量的计算模型。通过统计51 a降雨和温度观测资料的变化趋势,建立了帕隆藏布流域降雨-融水型泥石流流量计算重现期标准,并通过对典型降雨-融水型泥石流流量的实测资料进行验证,表明该方法准确性相比经验模型明显增加。进一步以帕隆藏布流域15条典型降雨-融水型泥石流为例,开展气候变化条件下泥石流流量的计算和预测。结果显示:该方法可量化雨热耦合条件对泥石流流量的影响,可为气候变化条件下冰川泥石流的防治关键参数计算和预测提供参考依据。

新疆南疆周边高山冰川融化及其未来水资源安全风险

高山冰川的季节性融水是中国新疆南疆地区重要的水资源补给。全球变暖使得冰川持续退缩、冰川融水增加,显著影响南疆生态环境和社会经济。当前冰川变化研究仅对南疆少数流域山区的融水径流进行了预测,缺乏对冰川融水峰值的精确预测,不能精确确定流量拐点出现的时间范围,且受限于数据精度,存在模拟结果不准确的情况。本研究应用月尺度的度日模型,估算1961—2019年南疆主要流域的物质平衡和冰川融水径流,并基于研究区范围内各流域的历史气候变化趋势设置情境,预估和分析未来60年各流域内可能的冰川物质平衡和融水径流的变化趋势,预测冰川融水可能出现拐点的时间节点。结果表明:(1)阿克苏河、渭干河和叶尔羌河流域自1961年开始,冰川长期保持物质亏损状态,而和田河和克里雅河流域则在20世纪90年代之前冰川物质正平衡,略有积累,90年代以后物质亏损严重,2000年之后为各流域物质亏损最严重的时期。(2)各流域60年来累积物质平衡分别为-17.5 m、-12.4 m、-14.2 m、-5.0 m和-0.9 m。(3)各流域冰川持续融化,但融水径流增加趋势不一致,预测阿克苏河流域冰川融水在2050—2060年将达顶,叶尔羌河流域冰川融水径流量在2070年后呈现逐步减少的趋势,其他三个流域在2080年之前冰川融水一直稳定增加,但增加趋势逐渐趋于平缓。研究结果有助于指导南疆地区水资源管理与合理利用、有效预防自然灾害。

天山南坡科契卡尔巴西冰川物质平衡初步研究

基于2003—2005年考察期间观测的气温与降水资料,运用度日物质平衡模型模拟了天山南坡科契卡尔巴西冰川近期的物质平衡变化状况.结果表明:度日物质平衡模型模拟的冰川物质平衡值与实测值的变化趋势基本一致,模型模拟结果较为理想;2003/2004年度和2004/2005年度两个物质平衡年的平均物质平衡值分别为-494和-384 mm,平衡线高度(ELA)比20世纪70年升高了300 m左右.由此可见,在由暖干向暖湿转型的气候背景下,尽管降水增加显著,但强烈的升温导致科契卡尔巴西冰川处于强烈的物质亏损状态.

雅鲁藏布江奴下站以上流域冰川融水变化

为探究雅鲁藏布江奴下水文站以上流域在气候变化背景下的冰川融水规律,基于研究区数字高程模型(DEM)、冰川资料和气温数据,采用虚拟冰川法概化流域冰川,分析冰川面积沿高程分布规律,再利用度日模型分析冰川融水量的时间、高程变化。结果表明:(1)海拔5000~6300m之间是研究区内冰川的集中发育带,气温和山地面积对冰川面积的影响分别体现在6500m以下和5700m以上。(2)选取区域度日因子9.1mm·d^(-1)℃^(-1),气温直减率0.75℃/100m,1976~2015年冰川融水量呈现出小幅增加-小幅减少-大幅增加的趋势,年均冰川融水量为79.58×10^(8)m^(3)。(3)各高程处的冰川融水量受到气温和冰川面积的共同影响,海拔5300m处的多年冰川融水量最大。

基于实测与模拟的青海湖冰厚时空变化特征

湖冰厚度是湖泊在封冻期的重要物理参数,明晰其时空变化特征对于认识气候变暖背景下的湖冰响应规律具有重要的理论价值和现实意义.基于ERA5 Climate Reanalysis气温数据集、MODIS MOD09GQ数据产品和2019年湖冰钻孔测厚数据及雷达测厚数据,重建2000-2019年青海湖冰厚时间序列并分析其时空变化特征.结果表明:①2019年3月实测青海湖湖冰厚度平均增长速率为0.30 cm/d,高于2月份(0.12 cm/d).基于度日法湖冰生长模型模拟的2018年11月-2019年3月青海湖冰厚平均增长速率为0.34 cm/d,与实际观测数据相比,模拟冰厚误差为±2 cm,但在河流入湖口处和湖区南侧误差较大,且冰厚模拟数值在3月中旬前高估而之后有所低估.②青海湖多年平均冰厚介于32~37 cm,其中2008-2016年湖冰厚度年际变化剧烈,呈现先增大再稳定后减小的趋势.冻结初期湖冰厚度增长迅速,12月和1月湖冰增长速率分别为0.45和0.41 cm/d,2月后冰厚增长速率放缓,2月和3月分别为0.29和0.14 cm/d.③2000-2019年冰厚整体呈现北厚南薄、东厚西薄的空间格局,多年冰厚变化幅度湖区西部较东部稳定,湖冰平均厚度与完全封冻时长及封冻期呈正相关.