WaSSI-C模型在焉耆盆地的适用性改进与应用

【目的】为缓解干旱区日益突出的水碳矛盾,进而为其水碳资源综合管理提供有效的工具和决策支持.【方法】选取典型干旱区焉耆盆地为研究对象,基于WaSSI-C模型(water supply stress index-carbon model)的理论框架和运行机理,针对研究区的自然地理和环境特征,增加冰川融化计算模块,对WaSSI-C模型进行适用性改进.以2000~2009年作为率定期,2010~2015年作为验证期,对研究区实测径流、MODIS蒸散(ET)和总生态系统生产力( GEP )数据进行统计分析,利用决定系数(R^2)和效率系数(NS)评价模型的模拟精度,应用GIS空间分析技术探讨研究区水碳资源的空间分布特征.【结果】 1)研究区率定期和验证期总径流对比验证的R^2分别为0.80 和0.77 , NS为0.77和0.69;ET对比验证R^2分别为0.82和0.79, NS为0.80和0.76;GEP 对比验证R^2分别为0.88和0.84 , NS分别为0.87和0.82;2)径流空间分布呈现“西高东低、北高南低”的特点;ET和GEP 均呈现“中间高,四周低”的特点.【结论】改进后的WaSSI-C模型在焉耆盆地具有良好的适用性,且模拟结果显示焉耆盆地的水碳资源具有明显的空间异质分布特征.

塔里木河干流上游区WaSSI-C生态水文模型的适用性评价

水碳耦合模型能够为干旱区水碳资源综合管理提供重要的工具支持。以塔里木河干流上游区为研究对象,在深入分析WaSSI-C模型(Water Supply Stress Index-Carbon model)理论方法和运行机理的基础上,结合研究区自然地理环境特征,补充冰川融化计算模块,以增强模型在研究区的适用性。在此基础上,将研究时段划分为率定期(2000-2009年)和验证期(2010-2015年),利用实测的径流数据和MODIS数据产品的蒸散(ET)和总生态系统生产力(GEP)数据,以相关系数(R^2)和效率系数(NS)为主要统计指标,探讨了不同时期WaSSI-C模型在研究区的适用性。流域总径流在率定期和验证期对比验证的R^2分别为0.72和0.68,NS为0.71和0.67;ET在率定期和验证期对比验证的R^2分别为0.60和0.64,NS为0.60和0.56;GEP率定期和验证期对比验证的R^2分别为0.68和0.61,NS为0.66和0.69;除ET在验证期的NS为0.56以外,模拟结果的2个评价指标均保持在0.6及以上,可见模型能够很好地模拟塔里木河干流上游区水碳资源的动态变化。

WaSSI-C模型GIS可视化模拟系统的设计、实现与验证

为实现WaSSI-C(Water Supply Stress Index-C)模型地理信息系统(GIS)可视化模拟系统,为区域水碳资源分析和模拟决策提供模型工具,在解析WaSSI-C模型理论框架和运行机理的基础上,对模型计算过程进行模块化分解和结构化设计;采用C/S模式构建软件体系架构,基于时空数据模型设计E-R模型图,并应用Geodatabase空间数据库与SQLite关系型数据库联合管理模型参数和时空数据;在.Net开发环境下,基于ArcGIS Engine二次开发组件,使用C#语言进行Scilab.Net混合编程,实现WaSSI-C模型GIS可视化模拟系统的功能,进而以焉耆盆地为试验对象进行应用验证。结果表明:系统同时支持文本和空间数据格式输入,能够在GIS可视化环境下自动化输出研究区月尺度蒸散、径流和总生态系统生产力等水碳耦合过程变量的模拟地图,系统模拟结果率定期R2和NS均值分别为0.83和0.81,验证期两指标均值分别为0.8和0.76,总体上显示出良好的模拟效果。系统具有简单易用、运算效率高、普适性强等特点,可为相关领域研究提供有力工具支撑,也可为生态学、水文学等专业领域模型可视化研究提供借鉴思路。

流域水碳过程耦合模拟——WaSSI-C模型的率定与检验

在复杂的气候变化条件下,利用水碳耦合模型进行生态水文学研究成为主要的研究手段和途径。该文以杂谷脑河上游流域为例,在确定生态水文模型WaSSI-C模拟尺度的基础上,探讨水碳耦合模型在中国西南湿润地区的适用性。杂古脑河上游流域位于岷江上游,隶属于长江流域。在分析和讨论了模型结构和机理的基础上,分别对模型蒸散和融雪计算进行了补充改进,以提高模型的适用性。将1988–1996年作为模型的率定期,1997–2006年作为模型的验证期,分别在率定期和验证期利用实测的径流数据和中分辨率成像光谱仪数据的总初级生产力、蒸散(ET)数据,对模拟结果进行对比验证。并利用决定系数(R2)和Nash-Sutcliffe效率系数(NS)两个指标对模拟效果进行评价。流域总径流率定期和验证期对比验证的R2分别为0.86和0.78;NS分别为0.82和0.67。总生态系统生产力和ET验证期的R2分别为0.89和0.78。可见模型模拟结果的两个评价指标都处于较为理想的区间内,说明WaSSI-C模型在研究区内具有较好的适用性。并对模型的蒸散计算方法进行了讨论,在此基础上提出了模型中存在的问题和改进的方向。

基于WaSSI模型的珠江流域水-碳耦合模拟

流域水循环和碳循环通过植物光合作用与蒸散发(ET)过程紧密相联,两者在流域尺度上的耦合模拟研究是实现水、碳资源综合管理的重要基础。本研究通过对WaSSI(供水压力指数)生态水文模型进行适当改进,建立并验证了珠江流域水-碳耦合模拟模型(WaSSI-PRB),将珠江流域划分为1715个子流域,选定1980—2004年为率定期、2005—2016年为验证期,并对径流、蒸散发和总初级生产力(GPP)等3个关键水-碳通量的模拟结果进行验证。结果表明:西江、北江、东江的水文控制站,径流模拟纳什效率系数(NSE)和决定系数(R^(2))在率定期均达0.80以上,在验证期均达0.75以上;相较于MODIS、PML、SSEBop、VPM等大尺度遥感数据产品,WaSSI-PRB模型能更好地模拟ET和GPP的时空分布特征。总体而言,WaSSI-PRB模型在珠江流域具有较好的适用性,可作为量化分析流域水-碳平衡及其对变化环境响应关系的一种有效工具。

干旱对鄱阳湖流域植被生态系统GEP的影响

总生态系统生产力GEP(gross ecosystem productivity),是生态系统固定的碳总量,作为碳循环研究的重要组成部分,有着不可估量的生态价值和极为重要的人文社会意义.在全球气候变暖背景下,干旱对陆地生态系统GEP造成了一定影响.该文以鄱阳湖流域为研究区,利用生态耦合模型估算2000—2016年间每月GEP,计算干旱指数SPI(standard precipitation index)探究干旱在时间和空间分布上对GEP的影响.通过对模型模拟的GEP与MODIS的GEP产品进行对比分析,发现两者具有较好的相关性,且在GEP低值区间两者表现几乎完全一致.研究结果表明,干旱对鄱阳湖流域植被生态系统GEP存在抑制效应,随着干旱程度的加剧,GEP显著减少;两者不仅在时间上存在一致协同变化趋势,在空间分布上也表现出强烈的一致性.通过该研究,有助于管理部门了解干旱对GEP产生影响的作用机制,为流域生态环境保护提供科学支撑.

分布式水文模型研究进展

该文介绍了分布式水文模型的研究现状,以及分布式水文模型的构建,并对存在问题及发展方向进行了总结和展望。

不同土地利用类型阈值对水文响应单元划定的影响

为了在焉耆盆地应用WASSI模型,须在焉耆盆地划定水文响应单元。通过ARCGIS软件引用适度指数法划定子流域后,增加了不同土地利用分类阈值,对比分析后叠加了合理阈值,通过土地利用图划定出水文响应单元。结果表明,采用土地利用分类阈值为18%时划定水文响应单元为佳,此时水文响应单元数划定为11个。在水文响应单元的划定中主要影响因素是子流域划分以及土地分类利用图阈值,采用合理土地利用分类阈值所得的水文响应单元应同时具有利于计算和阈值适中两大优点。

川西亚高山流域水碳平衡研究

森林生态系统的产水量与固碳效益之间存在着一种可交易的平衡关系。基于Wa SSI-C水碳耦合模型和趋势分析,研究了1982–2006年川西杂古脑河上游22个子流域内不同植被类型空间分布对水碳平衡的影响并分析了其水碳耦合关系,发现:1)针叶林主导的流域在生长季增加土壤水分入渗的功能明显高于其他植被类型,但不足以补偿其高蒸散带来的水分消耗,因而其年平均土壤含水量明显低于高山草甸和混交林类型;且森林土壤含水量随着森林覆盖率的升高而降低。2)25年的土壤水分蓄变量的平均值,高山草甸流域为–44 mm,混交林为–18 mm,针叶林为–5 mm,说明川西亚高山植被的整体维持稳定产水量及其潜力在下降,其中高山草甸流域下降趋势尤为显著。3)流域产流量和净生态系统生产力具有显著负相关性,且不同植被组成对固碳和产水效益的转化具有重要影响:高山草甸主导的子流域具有较高的产水量和较低的固碳能力,常绿针叶林主导的子流域具有较高固碳能力和较低产水量,且森林覆盖率越高,产水量越低。三种植被类型的净生态系统生产力在研究期间均呈现上升趋势,且高山草甸的上升趋势显著。