不同降水产品及WRF-Hydro模式在黄河源区的适用性分析

黄河源区是黄河流域主要的产流区和水源涵养区,研究和探索该区域陆面水文过程对理解陆面过程及水文循环特征,揭示陆面—水文耦合过程具有重要的科学意义。本研究基于2009~2018年中国区域高时空分辨率地面气象要素驱动数据(China Meteorological Forcing Dataset,简称CMFD)、全球高分辨率降水数据集(Climate Prediction Center Morphing Technique,简称CMORPH)、热带降雨测量卫星(Tropical Rainfall Measuring Mission,简称TRMM)及全球陆地数据同化系统(Global Land Data Assimilation System,简称GLDAS)降水,评估了四类降水产品在黄河源区的降水精度,在此基础上,利用最优降水数据驱动独立运行的天气研究预报及水文耦合模型系统(Weather Research and Forecasting Model Hydrological modeling system,简称WRF-Hydro),探究该模式在黄河源区径流模拟的适用性。结果表明:四类降水产品均能够反映出降水的分布特征,但在量值及细节捕捉上存在显著差异。CMFD在不同时空尺度上都能很好地捕捉到降水的演变特征,其与日观测降水的相关系数达到0.99,均方根误差仅为0.25 mm。在表征降水能力方面,四类降水产品总体表现为CMFD>CMORPH>TRMM>GLDAS,CMFD的平均探测成功率(Critical Success Index,简称CSI)在0.93以上。经参数率定后的WRF-Hydro模式在黄河源区月径流模拟方面表现较好,率定期纳什系数(Nash-Sutcliffe efficiency coefficient,简称NSE)均在0.92以上,而验证期丰水年模拟结果明显好于枯水年(NSE=0.15),这与降水和径流的非线性程度有关。本研究方案和结果为亚寒带半干旱气候区大尺度流域水文模拟及径流预测提供了一定的参考价值。

黄河源区土壤温湿和大气参量变化特征

利用中国科学院西北生态环境资源研究院玛曲土壤温湿观测网2008—2009年、2013—2014年数据验证了3套再分析资料ERA-Interim,CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)和JRA-55(Japanese 55-year Reanalysis)在黄河源区的适用性,结合中国气象数据网玛曲气象站1980—2014年观测资料与CLM4.5(Community Land Model4.5)进一步分析了黄河源区近35年气候变迁、土壤温湿分布和变化,结果表明:CFSR能够较好地描绘黄河源区土壤湿度变化,ERA-Interim对于土壤温度刻画能力更强,JRA-55效果较差;35年来气温、土壤温湿总体呈上升趋势且发生突变;近年来10 crm土壤温湿有暖干化趋势,降水量稍有增加,土壤冷季冻结周期变短,暖季持续时间拉长;CLM4.5模拟精度高,能够较好地刻画源区土壤温湿变化细节,两湖及黄河周边暖季为冷湿中心,冷季为暖干中心。

基于生态系统服务视角的生态风险评估及生态修复空间辨识——以长江源区为例

辨识生态修复空间是进行生态恢复与重建的重要前提。在流域尺度,以长江源区为研究对象,构建了青藏高原生态修复空间辨识框架,以定量方法为主、定性方法为辅,依次开展了区域主导生态系统服务评估、生态风险评估、植被退化评价,识别了生态修复优先区,提出了系统保护与修复建议。结果表明:(1)2000年、2015年长江源区生态系统服务呈现从西北部向东南部增加的趋势,单位面积水源涵养量、土壤保持量分别下降18.06%、22.9%,单位面积防风固沙量增加8.84%,NPP未发生显著变化。(2)生态风险以1、2、3级中低风险为主,面积占比共计74.41%;4级区面积占比19.35%;5级区面积占比仅6.24%,集中分布于称多、玉树和唐古拉山。不同风险等级呈圈层递减的分布格局。(3)2000—2015年NDVI增长率为0.013%/a。绝大部分草地未发生退化,轻度退化草地面积占比0.82%;中重度退化草地面积占比1.09%;(4)严格施行划区轮牧和草畜平衡管理,坚持以自然修复为主、辅以人工修复,治理黑土滩、沙化土地、水土流失。对于昂日曲、麻多乡北、加巧曲等9个地块(393.75 km^(2)),严格封禁,针对性地实施沙化地修复、黑土滩修复、草原有害生物防控工程等人工干预和保护措施。研究结果能为青藏高原生态系统服务功能维护和提升、退化生态系统的修复治理提供理论依据和技术支撑。

黄河源区鄂陵湖湖面和湖边草地对流边界层湍流结构特征的大涡模拟研究

为研究黄河源区边界层湍流特征及其对物质和能量输送的影响,本文首次采用大涡模拟的方法,对比分析了黄河源区两种不同下垫面上(鄂陵湖和湖边草地)对流边界层(CBL)中精细的湍流结构特征。使用资料为2012年夏季黄河源区鄂陵湖流域野外观测实验的GPS探空资料、涡动相关观测资料。分析表明,模拟的黄河源区草地和湖上CBL的平均结构与实测结果吻合较好,但草地和湖上CBL的湍流结构特征差异较明显。模拟结果显示,草地CBL内湍能收支、湍流特征量的时空分布和湍涡结构特征均与陆地上热力驱动CBL的研究结果一致;湖上CBL顶部存在明显的对流卷特征,且夹卷层的湍流强度比草地的强,而草地近地面湍强则更大。通过改变水平分辨率的模拟试验,发现两个不同下垫面上模拟结果对模式分辨率的敏感性不同,湖面CBL的模拟要选择较高的水平分辨率(50~100 m),以提高近湖面和夹卷层对湍流动能和湍流通量模拟的精度,也充分模拟出各种尺度的波对湍流通量的累积贡献。考虑到计算时间等影响,模拟草地边界层精细的湍流结构时建议选择网格距为100~200 m。

黄河源区冬季冷云催化降雪过程的物理特征研究

无人机催化撒播具有机动灵活、起降方便、成本低等优势,是潜在的空中水资源开发利用技术.基于2019年冬季在黄河源区开展的无人机播撒试验,利用地基Ka/Ku雷达、微波辐射计、微雨雷达、风廓线雷达等监测设备获得了催化撒播试验过程中云和降水的物理监测数据,分析冬季冷云催化撒播过程中云层和降水的宏观和微物理特征.分析表明:黄河源区无人机有效作业高度位于-5℃高度层(1090~1400m),高空中较强的水平风与上升气流,有利于碘化银核有效混合到云层中进而达到催化效果.试验过程中,降水粒子下落速度(V)增大,大于自然降水场次同等粒径等级下对应的V;撒播试验后雷达反射率因子(Radar reflectivity factor,Z)明显增加,差分反射率因子(Differential Reflectivity Factor,Z_(DR))变化显著,表明催化作业使得粒子形状变化明显;粒子数浓度(Particle number concentration,N(D))、粒径(Particle diameter,D)亦出现增大;Z在0~25dBz的值在各高度层的概率密度(Probability Density,PD)增加,在无人机撒播高度以下区域增加最显著;大气积分液态水含量(Integrated Liquid Water Content,LWC)增加0.166mm、积分水汽含量(Integrated Moisture Content,MC)增加0.226cm、可降水量(Precipitable Water Vapor,PWV)增加0.09cm.该研究构建的地基综合气象监测体系可以定量评估无人机作业全过程中云物理参量变化、识别撒播目标云层,对高原高寒、低空气密度等气象条件下开展无人机精准撒播提供了可借鉴的实践案例.