寒区典型下垫面冻土水热过程对比研究(Ⅰ):模型对比

冻土水热传输和水热耦合过程是寒区水循环的核心环节和重要组成部分,土壤温度和湿度(含水量)的观测和模拟是冻土水热过程分析的基础.以中国科学院寒区旱区环境与工程研究所黑河上游生态-水文试验研究站葫芦沟试验小流域为依托,选取季节冻土区的高寒草原、高寒草甸和多年冻土区的沼泽化草甸、高山寒漠等4种典型寒区下垫面,分别布设自动气象站,并调查相关土壤和植被参数,利用SHAW和CoupModel模型对试验点的土壤水热条件进行模拟计算.结果表明:4个试验点多层土壤含水量和地温SHAW模型计算值与实测值对比平均相关系数R2分别为0.65和0.90;CoupModel模型计算值与实测值对比平均R2为0.72和0.93.总体上,地温的模型估算结果略好于含水量;相对于SHAW模型,CoupModel模型是更适合寒区各种下垫面的一维SVATs模型.

中国高寒区水文学中的一些认识和参数

针对中国高寒区水文数据和参数缺乏、机理不清的现状,应用祁连山葫芦沟寒区水文小流域观测数据及相关研究成果,率定并获取了高寒区水文模拟中的几个关键参数:①降水观测误差校正系数及公式;②固液态降水分离的临界气温;③高寒灌丛降水截留参数;④土壤完全冻结温度;⑤积雪消融的临界气温。认识到若全球变暖引起植被带上移,则山区流域蒸散/降水比例增大、径流系数必然减小;现有降水数据难以满足高寒区水文模拟的需要,降水截留模拟有待改进,冰川、积雪消融缺乏高精度简单估算方法;长时间水文模拟中必须考虑风吹雪、冻土类型演替及冻结深度变化,以及冰川运动和体积变化;需加强冻结层下水、积雪升华和冰川汇流观测试验研究。

寒区典型下垫面冻土水热过程对比研究(Ⅱ):水热传输

依托中国科学院寒区旱区环境与工程研究所黑河上游生态-水文试验研究站葫芦沟试验小流域,选取4种典型寒区下垫面,利用CoupModel模型对试验点的土壤水热传输过程进行模拟计算.结果显示:冻土对土壤水热传输影响为开始冻结时,冻结作用导致土壤水向上运动,往冻结锋面集结;稳定冻结期,土壤水运动微弱,接近零通量;解冻期,土壤水运动与上下层水势有关.冻融阶段的土壤水相变会带来热量的急剧变化.不同下垫面土壤水迁移差异主要体现在冻结过程中土壤水向上运动期间.沼泽草甸试验点因土壤含水量较大,吸水过程较长且吸水量大于其他3个试验点;高山寒漠试验点因为土壤孔隙较大,成冰作用会使土壤中毛细孔增加,导致冻结过程中出现多次土壤水向上运动状态.植被覆盖、土壤性质、土壤含水量和冻土类型等是寒区不同下垫面冻土水热传输过程差异的主要原因.

冰川水文模型研究进展

定量评估冰川变化对干旱区流域/区域水资源管理、海平面上升以及冰川自然灾害预防等十分重要。从冰川产流(消融)和汇流两个水文物理过程出发,介绍了国内外冰川水文模型的研究进展,对目前应用最广的两类消融模型——基于气象因子的统计模型和基于物理机制的能量平衡模型进行了分析和讨论;从冰川表面、内部以及下部汇流3个方面阐述了冰川汇流模型所取得的成果。表明冰川产流(消融)模型已相对较为成熟,而冰川汇流过程目前仍处于探索阶段。构建适合不同规模和类型冰川的、包含冰川运动信息的分布式冰川水文物理模型是今后的研究重点。

寒区灌丛与积雪关系研究进展

在气候变化的背景下,寒区灌丛与积雪的相互关系成为寒区水文循环研究的重要环节.综述近几十年来寒区灌丛-积雪相互关系的国内外研究现状,并对未来研究提出了展望.寒区灌丛过去几十年来覆盖面积和生物量等呈现增加趋势,灌丛的增加可截留积雪,改变积雪重分布,影响积雪消融过程;积雪可增加灌丛区地温,制约灌丛区融雪时空变化过程,影响寒区灌丛的生理生态过程.灌丛与积雪同为寒区自然生态系统和环境的重要组成部分,二者相互作用使地面太阳辐射和地表水分分配过程复杂化,从而间接地影响寒区冻土环境变化.最后,指出了未来研究需要重点关注的几个问题:寒区灌丛区积雪分布的精确估计;灌丛-积雪-冻土连续体的研究;耦合灌丛-积雪作用的寒区水文模型的构建.

生态-经济系统对冰冻圈变化的适应能力评价——以玉龙雪山地区为例

以玉龙雪山地区为例,基于关联性、全面性与合理性、可操作性原则,结合玉龙雪山地区冰冻圈变化的特点与主要影响,从生态、水资源、经济与社会系统4个方面遴选了20个指标,构建了生态-经济系统对冰冻圈变化的适应能力评价体系,运用层次分析法和多目标线性加权函数法建立了冰冻圈变化适应能力指数模型,对玉龙雪山地区冰冻圈变化适应能力进行了综合评价.结果表明:就子系统而言,1980-2008年除水资源系统的适应能力呈下降态势外,生态、经济与社会系统对冰冻圈变化的适应能力均呈上升趋势.水资源总量减少是水资源系统适应能力降低的主要影响因素.玉龙雪山地区冰冻圈变化的综合适应能力增强,经济系统对综合适应能力的贡献达到37%,居首位,其次为社会系统,为29%.旅游业发展驱动下的生态环境保护,地区经济实力增强,交通设施建设,居民收入增加共同助推了该地区综合适应能力的提升.

基于MODIS双卫星积雪遥感数据的积雪日数空间分布研究

结合Terra和Aqua卫星的积雪产品,获取2001—2006年全国新的逐日积雪覆盖数据,并利用此数据通过两种方案获取了全国积雪日数分布,对比发现3大稳定积雪区中,新疆地区积雪稳定性及连续性最好,东北其次,而青藏高原地区最差;通过595个气象台站年积雪日数数据分区分不同植被类型修正MODIS获得的年积雪日数.结果表明:我国稳定积雪334.4×104 km2,不稳定积雪区490.6×104 km2.东北-内蒙古地区、青藏高原和新疆地区稳定积雪面积分别为117.9×104 km2、153.7×104 km2和56.8×104 km2.

基于相机摄影测量的冰面反照率反演方法研究

雪冰反照率是冰川与积雪能量平衡计算的关键参数,也是观测的难点.为测量冰面反照率,试验采用相机摄影测量技术,在祁连山十一冰川开展了自动拍摄、并利用共线方程进行冰川正射制图,在此基础上于2012年7月28日-8月18日在冰川表面开展了不同海拔梯度的反照率观测.通过统计分析晴天与阴天观测反照率与对应点相机拍摄获取的RGB归一化指数之间的关系,对十一冰川进行冰面反照率参数化方法研究.结果表明:晴天冰面反照率与RGB归一化指数存在明显的指数关系,拟合R2达到0.79;而阴天的统计关系较差,线性拟合R2仅为0.52.据此尝试利用晴天的拟合公式对整个冰面进行反照率参数化,计算表明:在晴天冰川表面地形阴影区的反照率存在低估现象,而无阴影区的反照率估算结果可信度较高.利用2013年的反照率观测数据进行了参数化方案的验证,结果表明:观测值与模拟值平均误差仅为0.037,表明利用RGB影像对反照率参数化具有一定的可用性和可靠性.

黑河高山草甸冻土带水热传输过程

以黑河源区高山草甸冻土带的基本气象参数、植被参数和土壤水热性质参数为输入条件,利用CoupModel模型计算了试验点两个完整年度日尺度上的各种基本水热状况,计算结果较符合实测值(7层地温和土壤液态含水量平均R2分别为0.95和0.83)。利用模型输出的土壤热通量和土壤水迁移分析了试验点季节性冻土区的水热传输过程:在土壤层开始冻结期,下层土壤液态水向冻结锋面集结,集结期向上的地热通量急剧增加;在冻结期,土壤热传导主要与上下层的土壤温度有关,土壤水迁移基本处于零通量状态;在融化期,在融化锋面未出现液态水分集结现象,融化层土壤水热传输过程迅速改变并与非冻结土壤一致,向下的地热通量急剧增加。

中国积雪时空变化分析

结合2001—2010年Aqua与Terra卫星MODIS积雪影像,分析了新疆、青藏高原和东北-内蒙地区积雪的空间稳定性,并探讨了这三大积雪区积雪季节和年际变化特征。结果表明,三大积雪区中新疆积雪空间稳定性最好,东北-内蒙地区次之,青藏高原较差,其稳定性指数分别为0.58、0.38和0.29。三大积雪区积雪年内分配存在显著的季节特征,2001—2010年新疆和东北-内蒙积雪区积雪面积最大值一般出现在1月,偶尔出现在12月,到7月和8月积雪面积很小;青藏高原积雪面积最大值则有可能出现在11—2月,其中以11月出现频率最高,10—3月的积雪面积差异相对其他两个积雪区的变化较小。从年际变化上看,2002年以来三大积雪区及全国稳定积雪面积无明显变化。

高山寒漠带水文、生态和气候意义及其研究进展

高山寒漠带在青藏高原和天山地区的面积比率约为20％～30％，在高海拔山区面积分布广阔，是山区流域降水的高值区，下渗迅速，产流系数高，是山区流域的主要产流区。由于其海拔高、气温低、地形陡峭、植被稀疏，是重要的水文功能区和极端寒区生态脆弱区，附生在其中的稀疏植被和低温微生物是高山生命带的重要组成部分，对气候变化也有指示意义，但国内相关研究很少。人类活动对高山寒漠生境植被的影响比低海拔区要小，因而为我们提供了一个可以进行气候变化效应比较监测的机会。提出高山寒漠带在我国冰冻圈水文、生态和气候等方面的重要性，并对相关进展进行初步总结．建议将高山寒漠带作为一个特殊的生态、气候和水文功能区．专门进行研究．

基于TRMM降水数据的山区降水垂直分布特征

选择天山和祁连山区为典型区,利用台站降水数据验证以上两区多卫星降水数据（TRMM）精度的基础上,借助TRMM数据分析了所选山区年降水梯度效应,并探讨了天山及祁连山最大降水高度带。结果表明,多卫星降水数据在天山和祁连山区精度较高,天山及祁连山年降水量都明显受到海拔影响,降水随海拔升高而增加,但天山降水与海拔正相关关系最好,南、北和西坡相关系数分别为0.90、0.81和0.58,多年平均降水直减率分别为11.0mm/100 m、6.3 mm/100 m、7.4 mm/100 m,最大降水高度带则分别位于海拔2 200-3 500 m和3 200-3 700 m和3 000m左右;祁连山东、中、西段降水随海拔有增加趋势,但降水梯度效应在祁连山东段明显高于祁连山中西段地区,梯度效应由东向西呈现递减趋势,其最大降水带主要分布在东段4 000-4 500 m的高山带。

固液态降水分离方法探讨

降雨径流和融雪径流在水文循环中是截然不同的,当前大多数水文模型采用临界气温法来分离降雨和降雪,但这个临界值是用户自定的,没有统一的临界值.根据1961-1979年全国643个基本和基准气象站日平均气温和降水数据(1980年以后数据库中未标记降水形态而无法应用)来统计降雨和降雪的临界气温值.选取单站降雨和降雪均为98.5%的保证率所对应的日平均气温值,作为固液降水分离的临界气温值,绘制我国范围的临界气温等值线图.同时,引进月降雪比率分离法,判断流域内某月是否有降雪,降雪量多少,但该方法易受站点分布的影响.两种方法可结合使用,后者可以作为前者的辅助.

多卫星遥感降水数据精度评价

利用中国650个台站降水数据,在日、月、年尺度上,分析了多卫星降水分析数据(TMPA 3B42)在中国大陆50°N以南地区的适用性,并利用MODIS逐日积雪数据评估了冬季TMPA数据在以青藏高原为主体区的精度。结果表明:TMPA日降水数据精度存在时空不稳定性,且随着时间尺度的增加,TMPA降水数据的精度提高;在同一时间尺度上,TMPA数据精度在降水量大的地区要明显好于降水稀少地区,但年尺度降水大于2500 mm地区存在明显低估;TMPA数据冬季区域降水空间误差平均水平在15%,当只考虑积雪区时的降水空间误差平均水平在40%,这说明TMPA对冬季降水空间量较差,但同时这也意味着可以利用MODIS积雪数据修正TMPA冬季降水数据。

黑河上游山区草地蒸散发观测与估算

蒸散发是水循环的重要组成部分,但高海拔山区的观测难度导致对于该区实际蒸散发以及蒸散发对山区水循环影响的认识相对缺乏.利用两个小型称量式蒸渗仪(micro-lysimeter)对黑河山区2009年7月至2010年6月的草地日蒸散发进行实地观测,结合实测结果,对FAO-56 Penman-Monteith(F-P-M)、Priestley-Taylor(P-T)和Hargreaves-Samani(H-S)3种蒸散发估算方法在山区的适用性进行分析,并讨论试验点的蒸发皿系数.结果表明:观测期间,试验点总蒸散发439.9mm,占同期降水量的96.5%,且蒸散发呈现明显的季节分配:5—10月的蒸散发为389.3mm,占全年蒸散发的88.5%.3种估算方法都能较好计算山区夏季蒸散发,且适用性顺序依次为P-T>F-P-M>H-S,但3种方法都不能有效估算山区冬季的蒸散发.试验点夏季日蒸发皿系数在0.7～0.8,而冬季无稳定的日蒸发皿系数.

祁连山典型灌丛降雨截留特征

基于2010年6月至10月的野外试验数据,研究了祁连山金露梅、高山柳、沙棘和鬼箭锦鸡儿灌丛降雨截留特征,分析了降雨量和雨强对灌丛降雨截留过程的影响。结果表明:试验期间共降雨298.6 mm,在降雨量<2.1 mm时,降雨被全部截留,实际发生穿透和茎流的降雨为283.1 mm;金露梅灌丛穿透雨量、茎流量和截留量分别为175.8 mm(62.0%)、9.5 mm(3.4%)和62.0 mm(34.6%),高山柳为179.8 mm(63.5%)、9.1 mm(3.2%)和63.5 mm(33.3%),沙棘分别为148.1mm(52.3%)、22.5mm(8.0%)和52.3 mm(39.7%),鬼箭锦鸡儿分别为170.4 mm(60.2%)、11.8 mm(4.2%)和60.2 mm(35.6%);灌丛穿透雨量、茎流量和截留量均与降雨量呈显著线性正相关(P<0.001);穿透率、茎流率和截留率与降雨量呈指数函数关系(P<0.05);平均雨强与截留率关系以指数函数拟合最好(P<0.05)。在降雨性质相同的情况下,植被形态特征是影响灌丛降雨截留的重要因素。

实际地形下30min太阳辐射模拟及误差分析——以祁连山马粪沟流域为例

借鉴国内外实际地形条件下的太阳辐射计算方法,基于数字高程模型,建立了任意地形实际天气下30min太阳辐射估算模型。在此基础上利用2008年9月—2009年6月祁连山高山区马粪沟流域实测辐射资料对模型精度进行了验证,并分析了模型误差来源。结果表明,由于DEM数据误差造成30min太阳辐射模型计算的遮蔽度与实际的遮蔽度存在一定差异,导致模拟结果在靠近日出后和日落前误差较大,利用实测的日照时数计算的遮蔽度,能明显改善模拟精度。总体来说,模型整体精度较高,流域内3点验证结果R2均达到0.9以上。

基于数字摄影测量的雪盖制图方法探讨

受地形、植被、太阳辐射以及分吹雪等因素影响,山区积雪时空分布差异性很大,人工观测和卫星遥感手段很难获取高时空分辨率的雪盖信息.2010年3—5月在祁连山葫芦沟一级小支流开展了相机摄影试验,并应用摄影测量技术将野外拍摄影像转化为正射积雪空间分布图像,以此获取小流域高时空分辨率的积雪分布信息.结果表明:20次摄影测量后方交会解得到的摄影中心与实测摄影中心误差ΔX分布在-9.27～25.51m之间,而ΔY分布在-33.53～18.2m,ΔZ区于-3.33～9m之间.单张积雪制图误差分析表明,ΔX分布在-9.27～25.51m之间,而ΔY分布在-33.53～18.2m,ΔZ区于-3.33～9m之间,边缘处积雪制图误差大于中心位置.进一步分析表明,高程数据精度、摄影距离和摄影倾角等因素影响数字摄影测量雪盖制图的精度.随着地形数据精度的提高,正射积雪制图的精度有很大的提升空间,相机摄影测量也将成为小流域尺度、坡面尺度雪盖信息获取的有效手段之一.

高寒山区地表温度测算方法研究综述

地表温度直接影响高寒山区冰川、积雪消融,冻土分布、消融和产汇流过程,蒸散发以及植被分布和演替等过程是寒区地表陆面过程、水文过程以及生态—水文过程研究的重要参数。系统总结了高寒山区地表温度的主要影响因素以及不同获取方法。研究结果认为海拔、地形和植被覆盖是影响高寒山区地表温度的主要因素。地面实测、遥感反演和模式估算是目前获取地表温度的主要手段,但在高寒山区三者均具有一定局限性:地面实测局限于实测点,难以反应区域坡面的地表温度;遥感反演受限于物理机制、地面验证和时空分辨率等,难以满足高寒山区地表生态—水文过程研究的高精度需求;模式估算试验点尺度地表温度精度较高,但在区域尺度上精度有所下降。未来的工作应加强高寒山区地表温度观测并提高模式精度,构建和发展普适性的山区任意地形和不同植被覆盖条件下的高精度地表温度计算公式,满足山区相关研究的需求。

东北—内蒙古地区基于MODIS单、双卫星积雪数据及常规积雪观测结合的积雪日数研究

结合Terra和Aqua卫星的积雪产品,获取2001～2008年东北—内蒙古地区逐年积雪日数分布,并利用此数据对比Terra卫星积雪数据获取的逐年积雪日数。结果表明随海拔的升高,双星与单颗卫星积雪日数差异呈现明显增加的趋势。整个东北—内蒙古地区双星积雪日数平均高出单颗卫星积雪日15 d,但与台站积雪日数对比发现,双星积雪日数平均仍然偏低27 d。这说明,利用Terra和Aqua双卫星积雪监测数据能明显改善山区云对遥感监测的影响,同时也可以减少降雪初期和消融期由于积雪消融较快带来的积雪漏测,但不足以消除云等因素的影响。考虑到获取的2001～2006年台站年积雪日数与MODIS年积雪日数与有良好的统计关系,利用两者建立的线性统计关系修正整个东北—内蒙古地区的MODIS积雪日数,能够很好地消除云等因素带来的MODIS双卫星积雪日数偏小的问题,修正后台站与双星积雪日数之间的绝对误差由原来的27 d减小到18 d。