天山南坡科契卡尔巴西冰川消融期雪面能量平衡研究

根据2005年6～9月的野外观测资料,计算了天山南坡科契卡尔巴西冰川积雪表面的能量平衡各分量,其中感热和潜热采用空气动力学-梯度方法计算得到,净辐射由观测获得.结果表明,消融期净辐射是雪面最主要的能量来源,占能量收入的81.4%,平均值为63.3 W·m^-2;其次为感热供热,占18.6%,为14.4 W·m^-2.吸收的热量主要通过融化和蒸发两种方式消耗,融化和蒸发耗热分别为54.0 W·m^-2和23.0 W·m^-2,占能量总支出的69.5%和29.7%,剩下的0.8%由感热消耗.在积雪表面的能量组成中,感热值在6月和9月较大而8月较小;对于潜热来说,6月潜热交换绝对值最大,蒸发最强烈,这与6月风速大且天气晴好有关.另一方面,净辐射值较大的6月和9月融化热较多,说明此时段冰川消融较为强烈.     

基于模块化建模方法的寒区水文过程模拟——在中国西北寒区的应用

中国西北高山、 高原广泛分布着冻土和积雪, 春季融雪和冻土融化是该地区重要的水文过程.基于模块化的寒区水文建模环境CRHM, 根据流域水文过程特征和观测数据约束, 选取描述不同寒区子水文过程的模块构建寒区水文模型, 并基于长期观测的两个典型寒区小流域来验证模块化的寒区水文模型.在冰沟流域, 主要模拟雪的积累/消融、 雪的升华、 融雪下渗和融雪径流过程. 结果显示: 冰沟流域积雪升华占降雪量(145.5 cm)的48%, 其中风吹雪引起的升华损失量(35 cm)占积雪升华(69 cm)的一半, 风速和辐射引起的积雪升华是该地区积雪物质平衡的重要组成; 构建的寒区水文模型可以再现春季积雪消融引起的径流过程.在左冒孔冻土流域, 主要模拟冻土下渗过程、 冻土坡面产流过程和土壤冻融对径流的影响. 结果显示: 构建的寒区水文模型可以捕捉到春季主要的冻土融化径流过程.两个流域的验证结果揭示: 模块化的建模方法在搭建模型结构的时候减少了模型的不确定性, 所以在未经率定的情况下, 具有在无资料和资料缺少地区模拟寒区水文要素和水文过程的能力.     

祁连山七一冰川暖季能量平衡及小气候特征分析

利用2007年7月1日至10月10日安装在七一冰川消融区的自动气象站资料,计算和讨论了能量平衡方程中的净辐射、感热和潜热通量、冰雪的热传输和降雨加热项.结果表明:净辐射是七一冰川的主要能量来源,其次是湍流感热.消融期消融耗热是主要的能量耗散,到消融末期,潜热耗热的比重开始增加.冰雪的热传导量值较小.同时还分析了暖季七一冰川区的小气候特征.     

积雪升华过程对高寒湿地陆气相互作用的影响

利用青海玉树隆宝地区2014年12月积雪升华过程的观测资料,分析了积雪升华过程中高寒湿地陆气相互作用特征及积雪深度对陆气相互作用的影响。结果表明：在降雪和积雪升华过程中,高寒湿地浅层土壤温度在短时期内有所升高,而深层土壤温度和土壤体积含水量对降雪过程的响应不敏感。积雪升华过程中净辐射、感热通量和潜热通量的日平均值增加,向上短波辐射的日平均值减少。积雪逐渐升华导致地表吸收的能量增加,同时地表向大气传递的能量也随之增加。随着积雪的逐步升华,感热占比和潜热占比逐渐升高,而土壤热通量占比和热储存占比逐渐降低。积雪深度增加会导致地表反照率和地表比辐射率增大,感热输送系数减小。     

能量平衡融雪模型在乌鲁木齐河源区的应用

山区融雪是内陆河流域重要的径流补给来源,融雪径流模拟是干旱区水文预报的研究热点。针对山区积雪消融的不确定性过程,根据能量平衡原理,以乌鲁木齐河源区融雪性洪水多发期为研究时段(2010年3月14日~4月12日),结合MODIS积雪产品和气象观测数据,采用GIS空间分析平台,阐述了融雪过程中能量平衡各收支通量变化的计算过程,并分析了融雪水量空间分布特征。模拟计算结果表明:乌鲁木齐河源区显热通量和潜热通量的日空间变化波动相似,但方向相反;日融雪量数值波动不大,但日融雪量空间分布不均,日平均融雪水量约为8.6 kg/m~2;融雪产流模拟结果和同期出山口水文站监测结果相吻合,Nash-Sutcliffe系数(R~2)和径流体积差分析(D_v)分别为0.76和6.72%,满足精度要求。该研究结果对干旱区内陆河流域融雪型洪水预报具有参考意义。     

黑河上游冰沟流域典型积雪期水文情势

综合研究了黑河上游祁连山冰沟流域2008年积雪期水文情势,以积雪-冻土-径流为框架详细分析了该地区积雪水文特征.采用物质平衡计算了冰沟流域雪蒸发和融水值,并分析了冻土水热变化过程和融雪径流变化特征.积雪期降水总量达到204.6 mm,雪而蒸发为140.8 mm,雪面蒸发在积雪期水文循环中占有重要的位置.3月12日融雪开始,引起3次人规模的融雪峰值;整个融雪季,冰沟流域融雪径流总嚣为3.98×106m3.冻土解冻始于4月12日左右,随着气温升高,土壤含水量变化明显.地形和风速相巨作用,造成积雪的大规模重新分布.     

用VIC模型模拟黑河上游流域水分和能量通量的时空分布

受地形起伏影响, 山区流域的水分和能量通量时空分布差异很大. 利用水文模型VIC (variable infiltration capacity)对黑河上游流域的水文和能量时空分布进行了模拟, 并通过观测对模拟结果进行了验证. 结果表明:VIC模型能够较合理地模拟研究区径流过程, 对净辐射的计算也较准确, 模拟得到的部分水分通量和能量通量(感热、潜热和土壤热通量)在趋势上较一致, 但在数量上存在偏差. 积雪过程对研究区的水文和能量循环有重要影响, VIC模型对积雪的模拟偏差较大, 导致了每年4月左右的模拟径流偏低, 也没有模拟出积雪融化导致的土壤含水量上升; 同时, 积雪模拟的不准确也明显影响到能量通量的模拟. 在研究区, 土壤水分变化受土壤冻融影响明显, VIC模型对气温较高、不发生冻融过程的7-9月土壤水分变化模拟较好, 但是在其他月份, 对积雪及表层土壤消融导致的土壤水分迅速增加和土壤冻结导致的土壤水分迅速减少两个过程的模拟比较差; VIC模型能够给出水分和能量各通量的时空分布, 较好地揭示研究流域各个通量的空间异质性及相互影响.     

祁连山区风吹雪对积雪质能过程的影响

风吹雪是山区积雪水文过程的重要组成部分. 采用祁连山区冰沟流域2008年积雪期观测数据, 通过对风吹雪实地观测分析、风吹雪的发生概率、风吹雪迁移以及风吹雪升华等分析, 从野外观测、计算模拟两个方面对祁连山区风吹雪质能过程进行了详细探讨. 结果表明: 位于流域海拔较高处(海拔4 146 m)的研究区垭口站, 风吹雪现象较为显著, 因之造成的积雪重新分布极为严重. 垭口站风吹雪频发于冬季及初春融雪未发生时, 积雪在风速作用下迁移量较大; 而进入融雪期之后, 因气温上升、雪面融化以及再冻结, 风吹雪发生概率急剧减小. 风吹雪在积雪升华中占有较大比重, 2008年积雪期, 垭口站风吹雪升华估算值约占积雪升华(包括雪面升华)的41.5%.     

基于NoSREx实验的积雪演化及微波辐射分析研究

在被动微波雪水当量反演中,积雪物理参数随时间的变化特征影响着反演精度,为理解积雪随时间演化的特征及其对微波辐射亮温的影响,本研究选用2009—2013年北欧积雪实验（Nordic Snow Radar Experiment, NoSREx）积雪地面观测和微波辐射测量数据,通过雪深和温度把雪期分为积累期（10月—次年2月）、稳定期（2—4月）和消融期（4—5月）,发现各个雪期的积雪演化特征为：雪颗粒形状在积累期前期以融态颗粒（Melt Forms, MF）为主,积累期后期和稳定期以圆形颗粒、片状颗粒、深霜为主,消融期以MF为主;整个雪季底层雪粒径从小变大再变小的过程,粒径最大值出现在稳定期的2至3月,约为2.5~4.0 mm,均出现在近地表雪层,而表层粒径较小且较为稳定。通过雪深和微波亮度差（18~37 GHz）的关系分析,表明亮温差在不同雪期对于雪深的依赖关系不同,在积累期和稳定期,雪深变化与亮温差变化具有明显的正相关;在消融期由于积雪融化的影响,其相关性较差;基于多层积雪微波辐射模型（MEMLS）构建了一维微波辐射模拟环境,模拟表明MEMLS模型在3个雪期的垂直极化10.65 GHz和18.7 GHz模拟结果较37 GHz和90 GHz更好;10.65 GHz V极化在入射角为50°且稳定期时,微波亮温模拟均方根误差（RMSE）结果最小,为2.49 K。3个雪期90 GHz模拟结果水平极化优于垂直极化,由于受表层积雪变化影响,90 GHz模拟结果较不稳定,尤其是消融期时,RMSE最小也达到了42.7 K。本研究有助于理解积雪随时间演化的特征及其对微波辐射模拟的影响,表明在被动微波雪水当量反演算法中,针对不同积雪期需要考虑积雪演化动态过程。     

额尔齐斯河源区森林对春季融雪过程的影响评估

春季积雪融水是额尔齐斯河河源区最重要的水资源. 为探索森林对春季融雪过程的影响, 于2014年融雪期在额尔齐斯河河源区的卡依尔特斯河流域, 选择草地、林中空地和林下三种不同地貌条件, 分别观测积雪消融过程. 结果显示: 积雪消融过程中, 积雪深度和雪水当量的变化并不是同步的; 积雪深度的减小是持续发生的, 是新雪密实化作用的结果; 而雪水当量仅在日均空气温度高于 0 ℃ 时才出现快速的下降. 森林具有显著调节空气温度的功能, 三种类型观测点1.5 m处的日平均空气温度表现为草地>林下>林中空地, 其中, 消融期内草地的平均空气温度(-2.5 ℃)远高于林下(-5.4 ℃)和林中空地(-6.1 ℃); 森林的存在显著减小了空气温度的日较差. 草地、林中空地和林下积雪消融持续期分别为20 d、43 d和35 d, 消融期平均积雪消融速率分别为2.1 mm·d^-1、1.5 mm·d^-1和 1.2 mm·d^-1, 即: 草地>林中空地>林下. 另外, 单棵树对积雪的消融速率有极其重要的影响: 树冠外一定距离内积雪的消融速率约为树冠下积雪消融速率的2倍以上; 但由于树冠超过70%的降雪截留效应, 树冠正下方的积雪消融结束时间仍提前树冠外侧约10 d. 积雪的消融由空气温度和辐射强度共同决定: 当日平均空气温度<0 ℃时, 辐射强度对积雪消融影响较大, 消融过程可由空气温度和辐射强度共同描述; 当温度>0 ℃时, 单独的空气温度可直接反映消融速率的变化. 研究还发现, 该流域内积雪的消融主要发生在每天的14:00-19:00, 该时段内积雪消融量约占全天消融总量的50%以上, 这对流域内积雪洪水预报和水资源利用及管理具有重要的指导意义.     

祁连山七一冰川消融期间的能量平衡特征

冰川表面的能量平衡可以描述冰雪消融与气候响应之间的物理机制,利用2006年6月9日至9月28日在祁连山七一冰川消融区中部自动气象站(AWS)的观测资料,对七一冰川表面的能量平衡进行了估算.结果显示:在冰川消融期,净辐射、湍流热通量和冰川消融耗热是能量平衡的主要组成部分,能量收入方面主要是净辐射和感热通量,分别约占总能量收入的82.4%和17.6%;而支出方面主要是冰雪消融耗热和潜热释放,分别约占总能量支出的87.2%和12.8%.2006年7月31日至8月6日进行了为期近7 d的冰面径流场观测,基于能量平衡原理,对冰川表面的消融进行了模拟,模拟的消融速率和实测的冰面消融数据吻合的较好.     

2009/2010年黄河源区高寒草甸下垫面能量平衡特征分析

以青藏高原黄河源玛多为实验区, 基于TRM-ZS1气象生态环境监测仪2009年11月1日至2010年10月31日辐射及能量通量观测数据, 采用波文比能量平衡法, 进行了该区域潜热和感热通量的估算, 分析了黄河源区高寒草甸下垫面辐射收支, 潜热、 感热和土壤热通量在不同季节的分配, 对该区域冬季地面加热场强度的变化进行了研究.结果表明: 该区域总辐射、 净辐射较强, 总辐射平均日积分值为18.06 MJ·m^-2·d^-1, 净辐射平均日积分值5.95 MJ·m^-2·d^-1, 曾观测到高达979.5 W·m^-2的净辐射通量.全年地表平均反射率为0.30, 接近于荒漠和半荒漠下垫面的反射率.植物生长季土壤湿度和冬、 春季地面积雪是影响该区域地表反射率的两个最主要因素.该区域感热通量年积分值为742.68 MJ·m^-2·a^-1, 潜热通量年积分值为1 388.58 MJ·m²·a^-1, 全年中地表以潜热方式传递热量为主.分季节分析, 冬季感热潜热强度相当, 春季以感热为主, 夏秋季则以潜热为主.土壤热通量年积分值为38.06 MJ·m^-2·a^-1, 全年热通量在热量平衡中约占1.8%, 但季节分配不平衡, 在冬季, 有|G|>H+LE, 土壤热通量是热平衡最大的分量.该区域地表全年向大气释放热量, 地表对大气而言是热源.     

祁连山老虎沟12号冰川表面能量和物质平衡模拟

采用HOCK的分布式能量物质平衡模型对老虎沟12号冰川消融期的物质平衡进行了模拟,时间步长为1 h,空间分辨率为30 m. 模型结果利用物质平衡观测数据和气象站观测数据验证,模型模拟时期为2012年6月1日-9月30日. 模型模拟结果表明,地形因子对太阳辐射影响相当显著;散射辐射在总辐射中的比例较大为39%,模拟期冰川表面物质平衡为-506 mm w.e.. 在模拟期整个冰川平均上净辐射占能量收入的84%,感热通量占有16%;消融耗热则是能量的主要支出占有62%,潜热通量占有能量支出的38%.     

科奇喀尔冰川夏季表碛区热量平衡参数的估算分析

利用能量平衡原理、热传导理论和通量传输理论建立了一个热量平衡参数的估算模型,对西天山的科奇喀尔冰川夏季消融区中部表碛区的热量平衡参数进行估算与分析.结果表明:净辐射是表碛面热量收支的主要热源,吸收的热量主要以潜热和感热的形式向大气输送水汽和热量,剩余部分用于表碛增温耗热.与消融区上部的冰面和表碛面相比,在消融区中部表碛面热量收入中感热输送减小,同时向上的地热输送增加.热平衡支出项中,感热交换、蒸发耗热和地热通量的比例分别为39.1%、39.9%和21%,其中感热通量与蒸发耗热的比例比消融区上部有所提高,蒸发耗热的增加比较显著.在总的热量支出中,平均只有7.8%的热量可以用于表碛下部的增温和向深层传导.     

黄河源鄂陵湖地区辐射收支和地表能量平衡特征研究

利用2010年6-7月鄂陵湖野外试验的近地层观测数据,分析了在不同天气条件下黄河源鄂陵湖地区辐射分量、地表能量分量、土壤温度和反照率的变化特征. 结果表明：不同天气条件下,辐射和地表能量各分量日变化差异较大,晴天、阴天和雨天的地表反照率依次递减,平均反照率约为0.21;观测期内,平均辐射贡献从大到小依次为向上长波、向下长波、向下短波、向上短波,日积分值分别为31.4 MJ·m^-2、25.6 MJ·m^-2、22.4 MJ·m^-2、4.2 MJ·m^-2,净辐射(12.5 MJ·m^-2)占向下短波辐射的55.7%;平均地表能量和土壤温度的变化幅度较晴天小,感热、潜热、0 cm土壤热通量的平均日积分值分别占净辐射的21.2%、43.1%、8.2%;平均土壤温度变化幅度随深度增加逐渐减小,浅层土壤温度峰值较晴天低2 ℃,深层土壤温度相差不大. 云和降水的扰动削弱了向下短波辐射,导致平均感热通量和0 cm土壤热通量的峰值比晴天小,而平均潜热通量的峰值大于晴天. 由于湖泊水体巨大的热容量和水分供应,鄂陵湖地区的气温日较差较小,地表温度变化幅度变小,附近地表温度升高缓慢. 鄂陵湖区的地表能量平衡中,潜热通量占主导,感热和地表土壤热通量次之. 研究结果有助于理解气候变化背景下黄河源区湖泊的能量水分循环过程,为促进该地区光热资源的合理利用和畜牧业的可持续发展提供数据支持.     

黑河中游间作灌溉农田的能量平衡

利用布设在黑河流域中游的张掖绿洲区的一套自动气象观测系统在2004年作物生长期内的完整资料,分析了黑河中游春小麦和玉米间作农田生态系统的辐射收支,在此基础上选用波文比能量平衡法(BREB)进行了能量平衡计算.结果表明:间作作物-土壤系统截获的太阳短波辐射占太阳总辐射的比例从生长初期的0.81持续增加到生长末期的0.86;净辐射在生长初期较小,生长中期第一阶段增幅大,至第二阶段达到最大,生长末期降低;净辐射占太阳总辐射的比例与净辐射的变化相似.能量平衡中,净辐射的消耗以潜热为主,占70%左右,感热能量占20%,土壤热通量占净辐射总值的10%.不同生长阶段的能量平衡差异较大,能量平衡在不同生长阶段呈现出不同的日变化特征.     

天山乌鲁木齐河源1号冰川东支能量-物质平衡模拟研究

基于天山乌鲁木齐河源1号冰川东支海拔4025 m处自动气象站的观测数据和同期物质平衡花杆观测数据,采用COSIMA模型,对该冰川东支2018年消融期单点能量-物质平衡进行了模拟.结果显示:物质平衡模拟值为(-0.67±0.03)m w.e.,与实测值有非常好的一致性,相关系数达0.96.造成冰川消融的能量来源于净短波辐...