中国科学院新疆生态与地理研究所在气候模式不确定性对水文评估的影响研究方面获进展北大核心CSCD

全球变暖已成为不争的事实。气候变化对流域水文过程的影响评估成为当前研究的热点问题,理解水文过程对未来气候变化的响应对地方水资源规划尤为重。利用多个气候模式与水文模型耦合来分析未来气候变化对水文过程的影响研究是最重的手段,     

分布式水文模型在黄河流域的应用

流域的水资源规划和管理都离不开水资源的定量化评估。而准确评估流域的水资源量,尤其是在大流域,必须明晰不同气候、地形、土地利用等自然条件下的水文循环过程。同时农业灌溉及水库调节等人工的直接取水和调控使水文过程变得更为复杂。仅依靠气象及水文观测数据,已很难拟合出单一的降雨-径流关系来模拟和预测流域水资源的时空分布。这时就需要一种新型水文模拟手段,它可以利用地理信息来描述流域的空间不均一性,并基于物理控制方程来描述水文过程,这就是分布式水文模型。作者介绍了这种模型及其在黄河流域的应用。     

湿地生态水文过程及其模拟研究进展

在明确生态水文学相关概念的基础上,概述了湿地生态水文的研究历程和目前的研究热点。总结和分析相关文献发现,湿地关键水文过程在不同时空尺度的变化规律、湿地生态过程和水文过程的耦合作用机制、多尺度湿地生态水文过程的模拟与调控是目前湿地生态水文学的热点研究内容。总体而言,湿地生态水文研究已经由关注单一类型湿地水文过程向研究多类型湿地之间的水文连通维持机制转变,重点在于揭示不同时空尺度湿地水文与湿地生态系统之间的相互作用规律,阐明水文情势与生物群落、生态系统之间的作用与动态反馈原理;发展多维时空尺度的水文情势与湿地生态系统格局与过程交互作用的生态水文模型,旨在为湿地生态系统结构与功能修复提供理论与技术支撑。     

SWAT模型在伊犁河上游缺资料区的应用

 在分布式水文模型中,探索产生分布式降水数据的方法是该领域研究的热点之一,发展基于水文物理过程的模型校准方法是实践PUB的热点与难点。基于SWAT分布式水文模型,以资料稀缺的伊犁河上游为研究区域,针对流域的水资源评价关键问题,首先准确描述区域的降水空间分布特征,并基于流域水文过程采用综合流域特征、多时间尺度、多变量和多站点的适宜性模型校准新方法,取得了满意的模拟结果,表明模型较好地再现了流域的水文过程。另外,完善水文机理研究,提高降水及下垫面相关参数的观测水平是改善模型模拟的有效途径。     

塔里木河源流山区径流模拟及不确定性研究

自然环境恶劣、站点稀少、观测困难是干旱区水文系统研究面临的基本问题。特殊的自然地理条件给水文过程带来了极大的复杂性和不确定性,也阻碍了干旱区水文过程和机理研究的发展。选取塔里木河源区开都河流域为研究区,采用分布式水文模型MIKE SHE模拟大尺度资料稀缺地区水文过程,将流域内气象、水文站点数据与遥感数据相结合,利用气象、土壤类型、土地利用和地表覆盖、数字高程(DEM)和降雨等资料,模拟流域水文过程;在出山口径流数据的基础上对模型进行率定和验证;分析了模型中的不确定性的来源,探讨模型优化方法。结果表明,MIKE SHE模型能在水文、气象站点稀少,土壤及水文地质数据缺乏的条件下,模拟开都河流域的日径流过程,但精度仍有待提高;通过分析识别出了隐含于模型结构、输入及参数等3个方面的8种不确定性来源。     

多源降水数据的小流域水文模拟效用评估

小流域是研究小微尺度水文水资源系统演变规律的理想对象，是用于计算河流产水产沙 的最小单元，是水文及水土流失研究与管理的最佳地域尺度。通过遥感技术，气候模式获得降水 数据，并驱动分布式水文模型，模拟和预测水文过程，是流域水文水资源研究的必然趋势。以 NO? AA-CPC-US 降水作为参照，在美国不同地区的 9 个小流域，评估卫星降水产品 PERSIANN，PERSI? ANN-CDR，TRMM-3B42V7，GPM-IMERG，雷达降水 StageIV 以及气候模式 ERA5 降水产品的精度， 并用这 7 种降水产品驱动 CREST 分布式水文模型，评估了 7 种降水产品的水文模拟效用。研究表 明：各降水产品与 NOAA-CPC-US 降水吻合程度从高到低，依次是 StageIV 雷达降水，PERSIANN- CDR 和 GPM-IMERG 次之，再次是 PERSIANN 和 ERA5，最后是 TRMM-3B42V7。各降水产品在美 国北部高纬度地区和西部山地等区域的小流域降水估算精度略低，在美国中部，南部，东部的小流 域有较好的降水精度。在水文模拟效用评估中，设定相同率定期，分别使用 7 种降水产品率定 CREST 模型参数，得到率定参数集后，在相同验证期对流域日径流过程进行模拟。结果表明：NO? AA-CPC-US 和 Stage IV 雷达降水在各小流域水文模拟中效果较好，在美国北部和西部地区，使用 PERSIANN，PERSIANN- CDR，GPM- IMERG，ERA5 降 水 进 行 水 文 模 拟 时 需 要 谨 慎 。 TRMM- 3B42V7 的小流域水文模拟效果不理想。     

生态水文过程观测与模拟的发展与展望

中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心是管理CERN陆地生态系统台站水环境长期监测的专业分中心,也是从事生态水文学研究的一个学术团队.长期以来,CERN水分分中心致力于先进的生态水文观测方法和技术的引进与研究,先后在大型蒸渗仪、涡度相关技术、实验遥感方法、大孔径闪烁仪和同位素技术应用于生态水文过程的观测方面做了许多卓有成效的工作,对生态水文过程野外观测方法先进技术的应用在国内起到引领作用.CERN水分分中心也开展了以陆面蒸散过程机理与模拟的研究,围绕华北农田作物蒸散过程模拟方法,从早期的经验模型,到具有物理基础的模型,发展到基于水碳耦合机理的蒸散过程模拟方法.未来的发展,需要进一步深入推进新技术新方法在生态水文过程观测中的应用,并构建不同生态系统生态水文过程机理模型,为流域和区域水资源管理及生态系统管理提供科学数据和科学工具.     

流域生态水文模型研究进展

流域生态水文模型是全球变化下流域生态水文响应研究的重要工具,通过定量刻画植被与水文过程的相互作用及全球变化对流域生态水文过程演变的影响机制,为流域水资源管理和生态恢复提供科学支撑,是生态水文研究的前沿和热点.基于植被与水文过程相互作用规律,流域生态水文模型一方面要充分描述植被与水文过程相互作用和互为反馈机制,另一方面要...     

流域生态水文过程与功能研究进展

 探讨流域生态系统与水文过程耦合关系及水文机理是当今水科学的前沿问题。通过阐述流域生态水文过程与生态水文功能的国内外研究进展,同位素技术在生态水文研究方面的应用进展。提出了应用同位素技术、水化学方法与景观格局分析法相结合来研究流域不同景观带水文过程及生态水文功能,来探讨不同生态系统与水文过程的耦合关系及水文机理,开展流域地下水-土壤-植被作用层水文过程研究。最后展望了今后的研究趋势和重点研究工作,指出了未来的发展方向。     

SWAT模型参数敏感性分析及应用

地理信息系统(GIS)支持下的SWAT(Soil and Water Assessment Tool)分布式水文模型以流域离散化空间参数来描述流域水文变化特性,从物理意义上表达流域内的水文过程,但众多不确定的参数影响了模型的应用效果,因此有必要对参数进行敏感性分析。将SWAT模型应用到祁连山黑河上游山区流域,进行了11年(1990-2000年)逐日径流模拟,通过一个简便的敏感性分析方法,将模型影响水文过程的参数分成4类敏感级别,最后确定模型的参数。在11年的逐日模拟中,1990-1995年为参数敏感性分析期和模型率定期,1996-2000年为模型的检验期,模拟结果显示,在黑河山区流域,丰水年逐日出山径流的模型效率系数R2达到0.8以上,平水年和枯水年R2在0.51~0.79之间。     

基于水热变化的青藏高原土壤冻融过程研究进展

青藏高原近地层土壤冻融过程是高原地表最显著的陆面特征之一,也是判断冻土发育、存在以及反映气候变化的重要指标。近地层土壤昼夜、季节性的冻结、融化会导致青藏高原陆—气间能水平衡的变化甚至异常,从而显著影响高原地表水文过程、生态环境、碳氮循环以及高原及其周边区域的天气和气候系统。论文从观测、模拟以及对气候的影响3个角度来探讨1990年以来青藏高原土壤冻融过程的最新研究进展。结果表明：① 在一个完整的年冻融循环过程中,近地表各层土壤大体都经历了夏季融化期、春秋季融化—冻结期、冬季冻结期4个阶段。受局地因素的影响,不同站点的冻结或消融起止时间、速率、类型均有差异。② 多年冻土区和季节冻土区的日冻融循环过程差异较大,主要体现在日冻融循环持续时间上。③ 不同陆面模式都可以很好地抓住冻融过程中物理量的时空变化,但都需要针对高原陆面过程的特点进行参数化改进。④ 规避不稳定的迭代计算并根据热力学平衡方程确定冻融临界温度可以改进不合理的冻融参数化方案。基于已有研究回顾,发现增加高质量的观测站,利用卫星遥感等多种手段来反演高原土壤冻融过程以及加强陆面模式与区域气候模式和全球气候模式的耦合,并立足于高原冻融过程的特点发展相适应的参数化方案以及模拟结构的调整,能够有助于高原冻融过程的模拟。     

1960-2004年新疆地区地表水热过程的数值模拟研究 Ⅰ. 以观测资料为基础的陆面过程模型大气驱动场的发展

 近20 a来,中国西北地区尤其是新疆降水显著增加、温度持续上升,冰川萎缩、冰川融水量持续增加、河川径流量增加、湖泊水位上升面积扩大、植被覆盖有增加迹象等等,这些事实都充分说明该地区的气候水文过程正在发生着重大的变化,但目前由于与水热过程有关的各个分量,如潜热、感热、蒸散、土壤湿度和径流等变量都缺少长时间、大范围的观测数据,因此,现有的研究还不能从整体上认识西北地区水热过程在全球增暖大背景下的变化特征和规律,无法客观地估算该地区水热过程的可能变化趋势。为了能够进一步深入研究这个问题,我们考虑以新疆地区108站1960—2004年气象站的观测数据为基础,并结合其他大气驱动场中结果检验的辐射数据来建立了一个长达45 a,时间分辨率3 h,空间分辨率0.5°×0.5°针对新疆区域的陆面模型大气驱动场,主要的变量包括降水、气温、风速、气压、比湿和辐射。最后得到的产品能够提供一个长期的、区域内具有良好均一性的近地面气象变量数据集,它可以用于驱动陆面、水文、生态过程模式,为研究整个新疆地区年际、年代际,甚至月季到日的连续水热过程变化奠定坚实的基础,并可以作为评估耦合模型以及其他陆面预测计划的初始化条件。     

农业物候动态对地表生物物理过程及气候的反馈研究进展

地表过程对全球变化的响应和反馈是地球系统科学研究的核心课题之一,目前的研究多关注全球变化对地表过程的影响,而地表动态过程对地表生物物理过程及气候的反馈研究较少。系统认识地表物候动态对生物物理过程及气候的反馈对深化地球系统科学研究有着重要的意义。本文从农业物候动态的事实、农业物候动态在陆面过程模型中的参数化表达、农业物候动态对地表生物物理过程及气候的反馈等方面进行综述,发现在气候变化和管理措施影响下,以种植期和灌浆期为代表的农业物候期发生了显著的规律性变化;耦合农业物候动态,改善了模型对地表动态过程、生物物理过程和大气过程的数字化表达;农业物候变化对地表净辐射、潜热、感热、反照率和气温、降水、环流等过程产生了影响,并表现出以地表能量分配为主的气候反馈机理。针对农业物候动态对地表生物物理过程及气候效应的时空重要性,需要继续开展以下方面的工作：① 加强全球变化对地表物候动态的影响及其反馈的综合研究;② 不同光谱波段地表反射率与农业物候动态的关系研究;③ 农业物候动态引起的作物生理学特征变化在地表生物物理过程中的贡献;④ 重视不同气候区物候动态对气候反馈效应的差异。     

水文学研究进展与展望

水文学是研究地球上水的起源、存在、分布、循环运动等变化规律,并运用这些规律为人类服务的知识体系。水文学研究经历了由经验到理论、由简单过程到复杂系统、由定性描述到定量模拟的发展历程,其学科体系演进与科学技术进步及社会发展需求紧密联系,并由此衍生出诸如生态水文学、气象水文学、冰冻圈水文学、遥感水文学、同位素水文学、城市水文学、社会水文学等多种交叉研究领域与分支学科。当今水文学研究在水文多尺度观测、陆面—水文—社会耦合模拟及多源观测—模型同化技术等领域取得显著进展,水文学研究的广度和深度不断拓展。未来水文学研究将面向陆地水文循环的变化规律及其效应,重点关注水文循环变化特征和机理、水文循环变化趋势预估及水文循环变化的自然和社会影响等前沿课题;从原有就水论水研究思路转向在自然地理综合分析框架下以水循环为纽带开展的多尺度、多过程集成研究。     

Review on simulation of land-surface processes on the Tibetan Plateau

The Tibetan Plateau(TP) has powerful dynamics and thermal effects, which makes the interaction between its land and atmosphere significantly affect climate and environment in the regional or global area. By retrospecting the latest research progress in the simulation of land-surface processes(LSPs) over the past 20 years, this study discusses both the simulation ability of land-surface models(LSMs) and the modification of parameterization schemes from two perspectives, the models' applicability and improved parameterization schemes. Our review suggests that different LSMs can well capture the spatiotemporal variations of the physical quantities of LSPs; but none of them can be fully applied to the plateau, meaning that all need to be revised according to the characteristics specific to the TP. Avoiding the unstable iterative computation and determining the freeze-thaw critical temperature according to the thermodynamic equilibrium equation, the unreasonable freeze-thaw parameterization scheme can be improved. Due to the complex underlying surface of the TP, no parameterization scheme of roughness length can well simulate the various characteristics of the turbulent flux over the TP at different temporal scales. The uniform soil thermodynamic and hydraulic parameterization scheme is unreasonable when it is applied to the plateau, as a result of the strong soil heterogeneity. There is little research on the snow-cover process so far,and the improved scheme has no advantage over the original one due to the lack of some related physical processes. The constant interaction among subprocesses of LSPs makes the improvement of a multiparameterization scheme yield better simulation results. According to the review of existing research, adding high-quality observation stations, developing a parameterization scheme suitable for the special LSPs of the TP, and adjusting the model structures can be helpful to the simulation of LSPs on the TP.     

全球及区域模式中陆面过程的地表植被覆盖分类方法

全球和区域尺度上陆面生态系统与气候密切相关。全球和区域模式的发展对于我们认识气候与陆地生态的变化起到重要作用。在这些模型中,植被覆盖是影响大气-植被间热量、水分和CO2等交换的重要陆面参数。在分析了陆地植被覆盖分类原理基础上,介绍了目前全球不同植被覆盖分类方案,包括基于地基观测的植被分布、基于生物气候特征的分类方案（如：Holdridge的方案）;特别近年来陆面过程试验表明,各种遥感数据源（如：NOAA—AVHRR,EOS—MODIS,Landsat—TM）等为我们提供了有利的工具来监测全球植被动态,完善植被分类,并且采用高时空分辨率的全球土地覆盖状况特征,在不同时空尺度揭示植被-大气相互作用。本文分析了代表性的3种基于卫星遥感技术的陆面植被分类方案,分别是BATS（18类）、SIB（9类）、SIB2（12类）和BIOME—BGC（31类）陆地模式的植被覆盖分类方案．最后分析了目前可用于全球植被覆盖分类的新的遥感数据库。     

新时代自然地理学发展的思考

自然地理学是地理学的基础学科,也是地理学综合研究的基石。本文在梳理自然地理学主要研究进展的基础上,思考了新时代自然地理学的发展方向。在全球环境变化驱动下,自然地理学及其分支学科在传承中得到新的发展。自然地理学近年来的研究进展主要表现为自然地理过程综合与深化、陆地表层系统集成、陆海相互作用和区域生态环境管理应用等方面。自然地理学及其分支学科的发展需要面向全球环境变化和人类需求,探索应用新技术新方法,开展多要素多过程集成研究,发展并完善地理模型,模拟和预测环境变化与可持续发展,服务于国家重大需求和政府决策。在发展过程中,亟待关注以下前沿领域与方向：①地貌学需要重点加强地貌学与全球环境变化及人类活动关系研究;②生物地理学有待深化属性地理学、全球变化生物地理学等前沿领域的探索,连接变化背景下的生物地理空间分布与人类需求;③水文学需要开展多要素、多过程、多尺度的综合集成研究,发展生态水文学、社会水文学、水文形态学等新兴学科领域;④自然地理学有待全方位介入气候变化研究,在气候变化国际重大研究计划、气候变化框架公约等方面发挥更加积极的支撑功能;⑤综合自然地理需要面向国家重大需求,聚焦人地系统耦合研究,在资源环境承载力评估、生态安全格局与生态文明建设等领域作出积极贡献;⑥自然地理学需深化耦合自然与人文要素及过程研究,建立发展复杂系统模拟模型,分析和模拟变化环境下的自然、人文要素耦合机制和陆地表层系统动态变化规律。     

农业物候动态对地表生物物理过程及气候的反馈研究进展（英文）

Response and feedback of land surface process to climate change is one of the research priorities in the field of geoscience. The current study paid more attention to the impacts of global change on land surface process, but the feedback of land surface process to climate change has been poorly understood. It is becoming more and more meaningful under the framework of Earth system science to understand systematically the relationships between agricultural phenology dynamic and biophysical process, as well as the feedback on climate. In this paper, we summarized the research progress in this field, including the fact of agricultural phenology change, parameterization of phenology dynamic in land surface progress model, the influence of agricultural phenology dynamic on biophysical process, as well as its feedback on climate. The results showed that the agriculture phenophase, represented by the key phenological phases such as sowing, flowering and maturity, had shifted significantly due to the impacts of climate change and agronomic management. The digital expressions of land surface dynamic process, as well as the biophysical process and atmospheric process, were improved by coupling phenology dynamic in land surface model. The agricultural phenology dynamic had influenced net radiation, latent heat, sensible heat, albedo, temperature, precipitation, circulation, playing an important role in the surface energy partitioning and climate feedback. Considering the importance of agricultural phenology dynamic in land surface biophysical process and climate feedback, the following research priorities should be stressed:(1) the interactions between climate change and land surface phenology dynamic;(2) the relations between agricultural phenology dynamic and land surface reflectivity at different spectrums;(3) the contributions of crop physiology characteristic changes to land surface biophysical process;(4) the regional differences of climate feedbacks from phenology dynamic in different climate zones. This review is helpful to accelerate understanding of the role of agricultural phenology dynamic in land surface process and climate feedback.     

社会水文学和城市水文学研究进展

进入人类纪尤其是近数十年来,人类活动对水文过程的影响愈来愈突出,愈来愈强烈,许多新的问题用传统水文学理论难以给出合理的分析和解释,因此,作为两个关注人类活动影响的水文学分支学科,社会水文学和城市水文学受到越来越多的关注。随着人水互动关系的增强,水文系统和人类系统逐渐演变为一个耦合系统,为研究其互馈关系和协同演化过程,社会水文学应运而生。城市是人类活动与自然系统相互影响最剧烈的部分之一,城市区域水循环问题日趋复杂,由此诞生了城市水文学。这两个学科的研究,对水资源和与其相关的经济社会发展的中长期规划和管理,指导城市规划建设、增强城市水安全和改善城市水环境具有重要意义。本文梳理了两个学科的发展规律,总结了研究特点。分析了两个学科的研究现状和发展趋势,包括社会水文学对社会因子的研究、典型流域的案例研究、不同案例的对比研究、模型模拟研究;以及城市水文学中城市化对降水和洪涝灾害的影响研究,城市化与生态环境响应关系的研究。本文探讨了两个学科的重点研究领域,如社会水文学中的本构关系研究、比较社会水文学研究、交叉学科研究等;城市水文学中的城市化对水文过程影响机理及模拟研究、城市暴雨洪水监测与预测预警技术研究、城市雨洪管理和资源化利用技术研究等。