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.     

次网格积雪参数化在祁连山区斑状积雪带模拟中的应用

运用中尺度大气模式MM5,积雪参数化分别采用简单的积雪参数化方案以及考虑次网格积雪分布和雪密度变化的复杂积雪参数化方案,对黑河流域上游祁连站附近气温和降水进行模拟,与祁连站的观测值对比,检验积雪参数化方案中次网格积雪分布和雪密度变化在该地区气温和降水模拟中的作用.结果表明:简单积雪方案对网格积雪的非0即1描述在斑状积雪带是不合理的,尤其在黑河流域海拔3 300 m以下积雪多为斑状或片状,网格内积雪非均匀性的处理是非常必要的;通过耦合简单和复杂积雪方案的大气模式对气温模拟和观测值比较发现,新方案模拟的气温比旧方案模拟值更接近观测值,在气温低于0℃时改进尤其明显,说明使用复杂积雪/融雪方案可改进斑状积雪带气温的模拟.耦合复杂积雪方案的大气模式模拟的降水与观测值绝对误差低于耦合简单积雪方案模拟结果,复杂积雪方案的模拟结果降水错报率为使用简单积雪方案结果的一半,证明了耦合复杂积雪方案可以提高大气模式对该地区春季降水模拟的准确性.与积雪面积变化相对应,耦合复杂积雪方案模拟出了融雪产流量,而使用简单积雪方案则没有模拟出来.综上所述,耦合考虑次网格积雪分布和雪密度变化的复杂积雪参数化方案比耦合“非0即1”积雪方案可以更准确地模拟祁连山区冬、春季气温和降水.     

基于能量平衡对额尔齐斯河流域融雪过程的研究

为定量描述额尔齐斯河流域积雪的消融过程,建立了利用基于能量平衡的积雪模型,对流域内库威积雪站2014年1月4日-3月28日积雪的积累和消融过程进行了模拟.结果表明:模型能够很好的模拟出融雪期净辐射能量的变化过程,对雪水当量的模拟结果也非常好,雪水当量的观测值和模拟值之间的Nash系数达到了0.989.在积雪的积累期,雪表的净辐射、感热、潜热通量的绝对值以及地表热通量明显低于积雪的消融期.在积累期,感热和潜热通量以及土壤热通量受到雪层厚度的影响.当雪水当量小于10 mm时,感热和潜热通量的绝对值偏高,土壤热通量的波动性也偏大.在积累期积雪的物质损失全部为升华损失,升华量为2.74 mm;在消融期,积雪的融化量为66.26 mm,升华量为2.04 mm.净辐射对积雪物质损失的贡献达到了83.1%,湍流通量对积雪物质损失的贡献达到16.9%.由于在融化期土壤热通量为正值,因此土壤热通量对融雪没有贡献.     

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.     

基于多源遥感数据的疏勒河上游山区流域VIC-CAS模型积雪模拟效果评估

积雪积累和消融过程是冰冻圈水文模型的重要组成部分,利用多源遥感数据对水文模型模拟的积雪分布和深度进行评估是进一步增强融雪过程模拟的物理基础,也是提高模拟可靠性的重要手段。基于2002—2013年疏勒河上游山区流域MODIS地表反射率数据集和中国雪深长时间序列数据集,对VIC-CAS模型模拟的逐日积雪覆盖度和雪深进行了综合评估。结果表明：从不同降雪年份来看,VIC-CAS模型可以较好地模拟多雪年（2008年）疏勒河上游山区流域积雪的覆盖度,在平雪年（2004年）和少雪年（2013年）模型模拟精度相对较低。从不同海拔的模拟结果来看,在流域占比最高的4 000~5 000 m高程带精度最高,2 000~3 000 m高程带精度最低;对比模拟雪深与中国雪深产品发现,多雪年的一致性较高,平雪年和少雪年的一致性较低。这表明VIC-CAS模型对疏勒河上游日尺度的积雪覆盖度和雪深的模拟精度相对较低,特别在低海拔处和薄雪情况下,其原因可能是对积雪再分布和风吹雪过程的模拟算法和参数化存在较大的不确定性,需要进一步改进。     

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。     

SRM融雪径流模型在黑河流域上游的模拟研究

以黑河流域上游作为典型干旱区流域, 探讨了SRM(Snowmelt Runoff Model)融雪径流模型的可操作性. 在论述模型结构、参数意义的基础上, 重点研究以MODIS雪产品为基础的积雪面积衰减曲线的获取方法, 细化了退水系数的获取, 并分析了其中存在的问题. 通过利用WinSRM1.10版本对黑河上游2004年融雪期进行径流量模拟, 结果表明: SRM模型在以融雪水为主要补给的黑河流域上游有着较好的径流量模拟精度, 拟合优度确定系数R2为0.020, 体积差Dv为7.124%. 在实际应用中应最大限度利用已有的气象水文资料, 以更为准确地描述融雪径流过程. 针对数据稀缺的问题, 需要加强小流域的观测, 改进SRM模型以更适用于以融雪为主的我国西北山区流域.     

黑河上游山区典型站的水热过程模拟研究

Noah LSM陆面过程模型在国际上被广泛应用于陆面的水热过程模拟, 但在高寒山区的适用性研究并不充分, 目前还没有在黑河上游高寒山区应用的案例. 利用Noah和黑河上游两个典型站(大冬树山垭口站和阿柔站)2008-2009年的观测数据, 对两站的水热过程进行了模拟. 通过比较模拟结果和实测的地温和液态水含量, 表明Noah能够较真实地反映该地区的水热过程. Noah对观测站的地温模拟较好, 但冬季存在一定偏差; 液态水含量的模拟总体偏低, 表层液态水含量在春季土壤融化期的模拟偏差较大. 以上现象与该地区土壤异质性较大、 春季融化期土壤冻融过程中土壤含冰量判定存在偏差、 冬季降水量观测不准等有关. 此外, 结合模拟结果, 讨论了观测数据的质量问题.     

基于延时数字摄影测量的积雪过程4D监测技术研究北大核心CSCD

为实现4D(时间+空间)多目标、高精度的积雪监测,本次试验研究采用单台相机延时拍摄结合运动结构重建算法(Structure from motion,SfM),分别获取了祁连山黑河上游站裸露山坡坡面尺度单次降雪的雪深、逐日积雪空间分布和面积,以及祁连山八一冰川1.5m×1.5m的斑块尺度全年雪深及雪面特征数据。坡面尺度积雪观测研究表明:本方法可以准确获取积雪分布信息,但其雪深空间分布获取精度较差。斑块尺度雪深监测研究表明:本方法能够很好地获取连续的雪面特征信息和雪深,且获取雪深与SR50观测雪深的绝对误差小于3.4cm。在不同季节,本方法对积雪监测能力略有差异:春季快速积累期雪面纹理少,照片组对齐并获取点云数据和DEM数据的成功率较低,而冬季和消融季雪面纹理丰富,相应的对齐成功率比例和精度较高。本研究表明基于单台相机的4D摄影测量方法能够实现小范围、连续、高精度、多目标的积雪监测,未来应用前景广泛。     

积雪水文模拟中的关键问题及其研究进展

针对近年来积雪水文模拟研究的发展趋势, 在简要评述积雪模拟基本方法的基础上, 分别就各类方法的不同着眼点展开讨论, 从模拟方案的简繁、 积雪面积等重要状态变量在模型中如何体现等角度进行了叙述.针对我国青藏高原积雪特征, 提炼出现阶段空间分布式积雪水文模拟中的3个关键问题: 网格尺度积雪空间异质性的模拟、 风吹雪的空间参数化、 季节性冻土下垫面的融雪模拟. 分别就这些问题, 回溯了国内外最新研究进展, 强调了发展积雪衰减曲线在网格尺度积雪模拟中的重要性, 讨论了山区环境中具有操作性的风吹雪空间参数化方案, 分析了冻土下垫面融雪研究存在的一些具体问题.     

Advances in the Measurement and Calculation Results and Influencing Factors of the Sublimation of Ice and Snow

As an important exchange process of water and heat between the cryosphere and the atmosphere, snow and glacier sublimation is a principal pathway of moisture content loss of cryosphere. The observations and simulations of snow and glacier sublimation for the process and influencing factors were conducted earlier in the Antarctic and the Arctic Pole, North America and northern Europe, and had made great progress. Based on the analysis of the sublimation of ice and snow and the latent heat of sublimation in different regions and climatic conditions, the influencing factors to sublimation of ice and snow were analyzed. Although sublimation of ice and snow is an important part of regional hydrological process and energy budget balance, under humid climate conditions, sublimation of ice and snow is inhibited. it is greatly affected by local topography(elevation, slope and aspect), vegetation and meteorological elements, resulting in large differences in reported sublimation of ice and snow. However, there are many factors that affect the sublimation, resulting in the obvious spatial and temporal differences of research results. The researches lack of long-term, systematic observation and research, and which has contributed to the lack of understanding in the water-heat process of snow and glacier. There are still great uncertainties and difficulties in this study that need to be overcome.     

新疆阿勒泰地区积雪变化特征及其对冻土的影响

依据新疆阿勒泰地区气象台站观测的1961-2011年最大积雪深度、 积雪日数资料与安装在库威水文站的雪特性站观测的积雪密度资料, 讨论了新疆阿勒泰地区积雪的变化特征. 结果表明: 阿勒泰地区近50 a来最大积雪深度变化均呈显著增加的趋势, 且西部最大积雪深增加趋势大于东部. 积雪日数变化较为复杂, 在空间分布上有差异, 位于最东面的富蕴和青河50 a来积雪日数呈减少趋势, 其余各站均为增加趋势, 且东部历年平均积雪日数略高于西部, 积雪日数的增加趋势比最大积雪深度增长得平缓. 2011年8月-2012年9月在阿勒泰额尔齐斯河上游库威水文站架设的雪特性站观测资料表明, 在额尔齐斯河源头高山区冬季积雪主要是空心化的密实化过程, 升华可能是其主要的物质损失过程, 引起升华的主要气象要素是气温、 风速和水汽压. 各站月最大冻结深度与海拔关系较为密切, 随海拔的增加而增大. 积雪20 cm厚是积雪对下伏土壤冻结影响的一个界限, 积雪厚度超过20 cm就有一定的保温作用; 积雪超过40 cm时, 气温变化对下伏土壤冻结的影响保持稳定, 冻结深度也达到稳定值; 但当积雪厚度超过70 cm之后, 冻结深度会再次发生变化, 可能是由于地温从下向上的影响或地温不能与气温交换而产生的又一次变化.     

基于MODIS的祁连山区积雪时空变化特征

利用2000-2003年日资料经8 d合成的500 m分辨率MODIS卫星反演积雪资料和数字高程模型, 借助于GIS空间分析技术, 以积雪频率和积雪盖度为监测指标, 研究分析了祁连山区整体的积雪空间分布状况及其年内变化特征, 地形对积雪的分布和季节变化的影响. 结果表明: 祁连山区的积雪分布极不均匀, 积雪主要沿山系走向成条带状分布, 呈现西段多, 东段次之, 中部和南部少, 山脊多, 山谷少的特征, 且海拔越高、 山势越陡、阴坡积雪的范围越大、持续时间越久. 累积降雪时间, 就全区而言为9月至翌年5月, 但不同高度、坡度和坡向带有所差别. 海拔4 000 m以上区域存在春、秋季两个时段的积雪补给, 而海拔4 000 m以下仅有中秋至中冬一个时段的积雪补给;坡度较平缓的区域冬季和春季为主要积雪补给期, 而坡度较陡的区域则为秋季和春季;平地和南坡积雪补给主要发生在冬季和春季, 而其它坡向为春季和秋季.     

天山季节性积雪稳定期雪密度与积累速率的观测分析

利用Snow Fork雪特性分析仪测量的天山积雪雪崩站2009年2月21-26日及2010年1月26-31日雪特性数据,分析了季节性积雪稳定期内积雪垂直剖面密度的变化特征及其随降雪沉积时间和雪层深度的变化规律.结果表明:季节性积雪稳定期内,积雪剖面密度中部最大,表层和底层密度较低;新雪层密度随时间的推移增加速率逐渐增大...     

天山西部季节性积雪密度及含水率的特性分析

利用Snow Fork雪特性分析仪采集积雪物理特性(积雪深度、积雪密度、体积含水率)数据,分析了天山积雪雪崩站稳定积雪期和非稳定积雪期雪物理特性的时间变化特征及其在垂直剖面上的廓线分布.结果表明:1)稳定期积雪深度随时间缓慢减小,体积含水率垂直廓线随积雪深度变化呈单峰曲线,峰值距雪表面约33cm,雪密度垂直廓线为中部大、积雪表层和底部较小;2)非稳定积雪期积雪迅速沉陷,体积含水率相对于雪层温度的变化有滞后效应,滞后时间约为2h,雪密度垂直廓线与稳定期相同.整个非稳定积雪期的日平均雪密度与日平均含水率、日平均温度均呈显著正相关.