基于Forward-Modeling方法的黑河流域水储量变化特征研究

黑河流域陆地水储量变化对流域下游等周边区域水资源的合理利用以及经济和社会发展等有着重要的意义.本文利用2003年1月至2013年12月的GRACE RL05数据反演了黑河流域陆地水储量长时间序列的变化,并针对重力场模型和数据处理中产生的信号泄漏问题,采用Forward-Modeling方法进行了改正并恢复泄漏信号;将GRACE获得的泄漏信号恢复前后的黑河流域水储量变化结果与全球水文模型GLDAS和CPC进行比较分析,结果表明泄漏信号改正后的结果与水文模型结果的时间序列相关性均有明显提高,从其空间分布结果可以看出Forward-Modeling方法有效地恢复初始信号、增强被湮没的信号,泄漏信号误差减小;通过分析黑河流域水储量变化的长时间序列结果,发现其具有明显的阶段性变化特征,即2003—2006年呈明显下降趋势,约为-0.86cm·a-1,在2007—2010年趋于平衡状态,而2011—2013年则呈现缓慢上升趋势约为0.14cm·a-1;联合GRACE数据和GLDAS数据反演了黑河流域地下水储量变化,并与全球降雨数据GPCC进行了比较分析,两者相关性可达到0.88以上.     

基于随机森林模型的GRACE数据3种空间降尺度对比

陆地水储量是赋存在陆地上各种形式水的综合体现,研究其时空变化对认识区域水循环过程和水资源调控等具有重要意义。然而现有陆地水储量变化数据实际分辨率较低,限制了其在中小流域或地区中的应用。针对这一问题,本文基于GRACE重力卫星和其后续卫星GRACE-FO反演的陆地水储量变化数据,首先采用随机森林模型,分别基于格点、区域(流域)和区域(全国)3种空间降尺度思路将GRACE数据降尺度至0.25°×0.25°,后结合GLDAS模型数据,基于水量平衡原理计算得到地下水储量变化数据,最后基于降尺度模型模拟效果和实测地下水位数据评估3种降尺度思路在全国的适用性。结果表明:随机森林模型能够较好地模拟驱动数据(降水、气温、植被条件指数和土壤水储量)与GRACE数据的统计关系,验证期格点降尺度思路的平均相关系数总体在0.6左右,区域降尺度思路的平均纳什效率系数、相关系数和均方根误差分别>0.5、>0.75和<6.6 cm,3种空间降尺度思路的模拟精度均满足基本要求;2003—2021年间,GRACE数据、格点降尺度、区域降尺度(流域)和区域降尺度(全国)得到的我国陆地水储量亏缺量分别约为119.5×10⁸、62.4×10⁸、121.1×10⁸和121.8×10⁸ m³/a,地下水储量亏缺量分别约为230.0×10⁸、171.8×10⁸、235.6×10⁸和236.4×10⁸ m³/a,受制于样本数较少等原因,格点降尺度结果精度较差;两种区域降尺度思路得到的水储量变化速率均和原始GRACE数据基本一致,模拟结果均优于格点降尺度,且细化到流域的区域降尺度对地下水储量变化验证精度有一定的改善。区域降尺度具有适用性强、模拟精度高、计算效率高的优势,研究结果可为流域水资源可持续利用以及水资源规划等提供精细化的水储量变化数据。     

应用GRACE卫星重力数据计算陆地水变化的相关进展评述

GRACE重力卫星自2002年3月发射至今,已进行了十多年的连续观测,由此获得的重力场变化数据被广泛地应用于研究地表河流及地下水储量变化、南极和格林兰岛冰盖厚度以及全球海平面变化等.本文从GRACE重力卫星数据的处理方法入手,对其数据特点、限制条件和水文模型计算方法等问题进行了系统总结,并针对近年来利用GRACE卫星数据开展的相关研究,从估算全球水储量的变化、区域水储量变化、地下水变化以及陆地河流流域的水储量变化等方面对相关研究和应用进行了简要评述.最后,对使用GRACE卫星数据反演陆地水储量的验证方法和存在的问题进行讨论.本文对于全面了解近年来应用GRACE卫星数据研究陆地水储量变化方面的相关进展具有参考意义.     

活动褶皱地区横向河演化与风口形成的研究进展和案例分析

河流偏转和风口发育是横向河流域最显著的地貌现象,其形成体现着区域抬升和河流侵蚀间的平衡,并受控于断层侧向生长、连接与几何形态等构造过程以及影响河流侵蚀的气候和岩性要素。风口与横向河网的演化可用于评估相关断层活动的速率和方式,探索河流侵蚀与构造抬升之间的相互作用以及复杂环境下沉积系统的形态,研究成果对地貌学、地震灾害、油气储藏等学科领域具有重要的理论意义。文中围绕影响风口形成与保存的地质地貌过程,对过去20a活动褶皱区域的横向河演化研究案例进行了初步总结。最后以河西走廊地区的合黎山—金塔南山为例,探讨在褶皱隆起和水动力变化的条件下黑河在该区域的演化过程。分析认为现代黑河约1.1Ma BP穿过合黎山,而随着合黎山的生长、黑河水动力条件的变化,黑河偏转到达金塔南山区域;由于合适的水沙比与抬升速率,金塔南山区域早期抬升时处于夷平状态;约0.23Ma BP以来,大部分支流无法到达金塔南山区域,黑河在金塔南山与合黎山连接的区域下切,形成正义峡。     

中国西北地区典型流域冻土退化对水文过程的影响

本文利用河西走廊疏勒河、黑河、石羊河和黄河上游50多年来冬季径流以及气温变化的对比分析,通过空间和时间的变化认识多年冻土变化对径流的影响.从径流的时间变化上看,50年来,多年冻土覆盖率较大的河流冬季退水过程有明显的减缓,这一减缓过程与流域负积温变化较为一致,但这一影响在多年冻土覆盖率较小的流域则没有表现.这表明在多年冻土覆盖率较大的河流,多年冻土退化已经对流域的水文过程产生影响.多年冻土退化的这一水文效应主要是由于随着多年冻土退化,冻土的隔水作用减小,一方面使流域内有更多的地表水入渗变成地下水,造成流域地下水水库的储水量加大,导致冬季径流增加;另一方面,入渗区域的加大和活动层的加厚,使流域地下水库库容增加,导致流域退水过程更为缓慢.此外,多年冻土对气候变暖的响应是一个缓慢的过程,因此多年冻土退化对径流过程的影响也是一个渐变过程.     

祁连山西段疏勒河流域地貌特征及其构造意义

疏勒河流域盆地位于祁连山西段,跨越了该区多条不同方向和不同性质的活动断裂带,其所呈现的地貌特征反映了该区最新构造活动的信息。文中基于GIS空间分析技术,利用SRTM-3数字高程模型(DEM)数据,系统提取了疏勒河流域及其4个亚流域盆地的面积-高程积分曲线、疏勒河水系的Hack剖面以及河流坡降指标(SL),并对整个流域地形做了坡谱分析,获得了疏勒河流域的地貌特征。研究表明,疏勒河的流域地貌发育受到该区的阿尔金断裂、昌马断裂、托勒南山断裂以及疏勒南山断裂等强烈构造活动和区域岩性差异的影响,坡度以0°~35°的区段为主;整个流域盆地处于河流发育的"壮年期";构造活动是造成河流纵剖面发生改变的最主要因素,局部河段同时还受到岩性因素的控制和影响。这表明在活跃的造山带内部,河流地貌的发育过程中,活动断裂的构造作用是重要的控制因素。     

利用GRACE卫星监测近10年洞庭湖流域水储量变化

监测流域水储量的变化对研究流域水资源变化和水平衡具有重要意义,而GRACE重力卫星为流域尺度水储量变化的研究提供了新的手段.本文利用2003-2012年近十年来洞庭湖流域GRACE RL05时变重力场数据并结合30个气象站点的降水量数据,反演洞庭湖流域水储量时空变化特征及其与降水量之间的联系,并采取趋势分析法,揭示了该流域近10年来水储量变化趋势.结果表明:在空间上,洞庭湖流域水储量变化呈现总体从东北向西南递减格局.在时间上,水储量变化与降水量变化之间存在明显的季节性变化规律,两者变化过程基本一致,但水储量变化峰值出现滞后于降水量峰值一个月左右.近十年来洞庭湖流域水储量整体呈逐年上升趋势,平均每月上升0.5 mm,其中秋季增加幅度最大,为26.07 mm·a-1,全球变暖,降水量增加,导致该流域水储量变化增大.     

GRACE估算陆地水储量季节和年际变化

利用最新公布的GRACE GFZ RL04数据,分析了2003年1月～2007年12月全球27条流域和陆地水储量的季节性和年际变化.结果表明,相近流域季节性变化相位接近.2003年1月～2007年12月陆地水储量季节性变化为1572.4 km3,其中变化最大流域为亚马逊河,其次分别为鄂毕河、尼罗河和尼日尔河等流域.5年来 GRACE陆地水储量的年际变化为-75.4±40.3 km3/a,其中亚马逊河、勒拿河和马更些河等流域的年际变化呈现正增长,而刚果河、密西西比河、恒河、育空河和雅鲁藏布江等流域则相反.GRACE与GLDAS数据均表明2006年后陆地水储量年际变化存在明显增加.     

全球水质量迁移对海平面空间模式周年变化的影响

大气、陆地水和海洋之间的水质量迁移对海平面的影响一般假定为均匀薄层分布.但实际上,水质量负荷重新分布一方面会使地壳产生形变,另一方面会引起重力位势场变化(引力位和离心力位),这都会对海平面时空变化特征产生影响,两方面之和称为负荷自吸引效应(SAL).海洋模式模拟的时变洋底压力结果一般符合Boussinesq假设即体积守恒,忽略了大气、陆地水和海洋之间水质量交换的影响.本文基于海平面变化方程,联合陆地水模型、大气地表气压模型、海洋洋底压力模型和GRACE反演的冰川质量变化,详细讨论了2003-2010年SAL对海平面周年变化的影响.主要结论有:(1)SAL对全球海平面周年变化有显著影响,振幅在1.3~19 mm.其中近海岸和低纬度区域受影响较大.(2)在SAL引起的海平面周年振幅变化的因素中,陆地水储量变化因素最大,大气因素次之,非潮汐海洋影响最小.但非潮汐海洋对海平面周年相位空间变化的影响最为复杂.(3)通过与国际长期验潮站观测数据结果比较,在ECCO海洋模式估计的洋底压力结果中引入SAL,能多解释约5.3%观测信号方差.     

基于多源数据分析维多利亚湖流域水储量变化

本文利用CSR发布的GRACE RL06时变重力场模型,结合两种水文模式、卫星测高、降雨和蒸散等多源数据,从多个角度综合系统地分析维多利亚湖流域2003-01—2017-06的陆地水储量变化.比较了正向建模方法和单一尺度因子对泄漏误差的改正效果,经对比采用正向建模方法在此流域效果更好.基于多源数据得出以下三点与此前研究不同的结论:(1)GRACE RL06版本数据探测到流域内的水储量在2003-01—2017-06呈增加趋势,球谐位系数和Mascon产品得到的变化速率分别为14.9 mm·a^-1和16.7 mm·a^-1,观测误差小于RL05版本的结果,RL05版本低估了流域水储量的变化速率;(2)2013-01—2016-02期间GRACE和测高探测到湖泊水量增长,而水文模式探测到流域内水储量减少,推测这一现象由大坝蓄水造成;(3)受El Nino事件影响,2016-03—2017-06流域降雨减少,流域水储量减少,GRACE球谐位系数和Mascon探测到的变化速率分别为-100.3 mm·a^-1和-129.7 mm·a^-1.本文结果表明卫星观测数据可为在缺乏直接观测数据的情况下分析人类活动和自然变化对区域水储量的影响提供一种可行的途径,这也为研究我国湖泊流域水储量变化提供参考.     

水文非线性系统与分布式时变增益模型

论述了以Volterra泛函级数表达的流域降雨-径流非线性系统理论与概念性模拟方法. 依据流域数值高程模型、遥感信息和单元水文过程, 提出了水文非线性系统理论的时变增益模型(TVGM)和推广应用到流域时空变化模拟的分布式时变增益模型(DTVGM). 研究表明, 除了常用的非线性系统分析方法之外, 从复杂水文关系研究中另辟蹊径, 提出一种简单关系的非线性系统分析是完全有可能的. 时变增益水文模型的提出及其与一般性水文非线性系统的联系就是一个例证. 水文非线性系统方法与分布式流域水文模拟结合的DTVGM模型, 能够发挥水文系统方法与分布式水文模拟方法相结合的优点, 探索环境变化下的流域水文模拟问题. 将DTVGM分别应用到河西走廊干旱地区的黑河流域和华北地区潮白河流域实例研究, 模拟了水文时空变化以及陆面覆被变化与水文影响分析, 取得了较好的效果, 说明了其特色和应用价值.     

1970—2000年青藏高原内流区冰川储量变化的初探

青藏高原内流区特殊的地理位置和自然环境使得对本区域冰川体积变化的研究相比中国西部其他冰川发育区难度大很多.而作为本区域重要水源补给,同时又是区域气候变化重要指示器的冰川,其储量的变化又是迫切需要获知的信息.在此前提下,本文基于RS、GIS技术平台提取了本区域冰川面积变化数据,并结合冰川目录数据、本区域冰川面积变化的研究资料,采用冰川体积与面积之间的统计关系模型,探讨了本区域冰川自1970年至2000年的体积变化.结果表明在这30年间,区域内冰川体积大约减少了36.25亿m³,相比整个高亚洲区域的冰川退缩速度,本区域冰川的退缩表现的更缓慢.然后,对内流区6个二级流域的冰川体积变化做了详细的对比分析,发现整个内流区冰川体积变化有较大的区域差别：其中5Z3流域冰川体积的退缩率最大,年均退缩率达-11.19%,而变化最小的5Z1流域年均变化率仅为-0.79%.各二级流域在体积变化方面的相同点是,体积退缩率均大于面积退缩率.通过对冰川面积、体积变化特点及其原因的分析,认为气候变化的区域差异是该区域内各二级流域冰川变化存在差异的主要原因.最后根据本文得到的结果,讨论了冰川体积变化对本区域的生态环境造成的影响.     

基于CORS站网监测三峡地区陆地水负荷对地壳形变和重力变化的影响

三峡地区水资源丰富,加上三峡水库蓄放水的影响,水动力环境复杂,对该区域陆地水负荷变化影响的研究还比较薄弱.本文基于CORS站网,辅以少量重力台站数据,采用负荷形变和重力场球谐分析方法,研究了三峡地区陆地水负荷对地壳形变和重力变化的影响.本文研究发现:①基于CORS站网能够监测陆地水负荷引起的地壳形变和地面重力时空变化.②陆地水负荷对垂直形变的影响达厘米级,对水平形变的影响较小,对地面重力的影响可达数百微伽.③2011年1月至2015年6月陆地水负荷对垂直形变影响的年变化趋于平衡,对地面重力变化影响主要集中在三峡水库和重庆市附近.④基于CORS站网确定的三峡地区陆地水地壳垂直形变,与GRACE卫星重力成果在分布规律和趋势上具有较高的一致性,但在部分区域存在差异.本文研究成果可用于水动力环境监测与水资源保护利用,为高程基准和重力基准的动态维护提供支持.     

巨型流域水质量变化指标与极移变化的联系

至今人们对水质量变化与极移关系的认识主要是通过全球陆地水储量变化对地极变化的激发.鉴于陆地水储量在全球分布不均,区域水质量变化与地极移动的关系值得深入探索,然而迄今尚少有研究.另外,鉴于水储量变化的估算存在不确定性,从不同角度寻找水质量变化的表征指标有重要意义.文章选取位于90°W方向的世界第一大河亚马孙河流域为研究区,选用水汽、降水、径流、水储量变化多个衡量水质量变化的指标,研究了巨型流域水质量变化指标和极移的联系.通过采用Mann-Kendall方法、累积距平法和曲率法识别突变点,采用最小二乘法拟合判断趋势,采用傅里叶变换和EEMD方法识别周期,发现在1948~2011期间,在诸多指标中,水汽通量指标相对于其他指标总体上与极移的联系更紧密.具体表现在,降水和水汽通量存在极移拍频周期,水汽通量和降水与极移在0.05显著水平上存在共同M-K突变点(发生在1968年左右);水汽通量比其他指标与极移m_1、m_2分量的累积距平线趋势更一致;水汽通量和降水与极移m_1、m_2分量、振幅的相关性比其他指标与极移的相关性强(0.01显著水平).通过比较巨型流域水汽通量的激发、巨型流域陆地水储量变化的激发、全球陆地水储量变化的激发和观测激发,发现亚马孙河流域的水汽通量和水储量变化对地极的激发,都比全球水储量变化的激发,更显著地表现出"跟极移m_2分量的激发一致,跟极移m_1分量的激发不一致"的这个普适特点.为了更直观地展示水汽通量指标的大小,文章提出了巨型流域水汽赤道辐合带位置的新指标.研究结果表明,巨型流域是研究水质量变化和极移联系的新视角,其中水汽通量指标较其他水质量指标与极移关系更紧密,而新提出的巨型流域水汽赤道辐合带位置指标极具形象表达水质量变化和极移的关系的能力.     

2005—2017年两次强ENSO事件对中国区域陆地水储量变化影响的卫星重力观测

近年来极端气候事件的频发对全球和区域性水循环产生了重大影响,特别是2005—2017年间两次强ENSO(El Nino-Southern Oscillation)事件使得全球陆地水储量出现了较大的年际波动.GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)重力卫星随着数据质量的提高、后处理方法的完善和超过十年的连续观测,捕捉陆地水储量异常的能力明显提高,这为研究2005—2017年间两次强ENSO事件对中国区域陆地水储量变化的影响提供了观测基础.本文综合利用GRACE卫星重力数据、GLDAS水文模型和实测降水资料分析了中国区域陆地水储量年际变化和与ENSO的关系.研究发现:长江流域中、下游地区和东南诸河流域与ENSO存在较高的相关性,与ENSO的相关系数最大值分别为0.55、0.78、0.70,较ENSO分别滞后约7个月、5个月和5个月.其中长江流域下游地区与ENSO的相关性最强,2010/11 La Nina和2015/16 El Nino两次强ENSO事件使得陆地水储量分别发生了约-24.1亿吨和27.9亿吨的波动.在2010/11 La Nina期间,长江流域下游地区和东南诸河流域陆地水储量异常约在2011年4—5月达到谷值,而长江流域中游地区晚1~2月达到谷值.在2015/16 El Nino期间,长江流域中、下游地区和东南诸河流域陆地水储量从2015年9月到2016年7月持续出现正异常信号.其中,2015年秋冬季(2015年9月至2016年1月)陆地水储量异常明显是受此次El Nino同期影响的结果;2016年春季(4—5月)陆地水异常是受到此次厄尔尼诺峰值的滞后影响所致;2016年7月的陆地水储量异常则与西北太平洋存在的异常反气旋环流有关.     

全球水储量变化的GRACE卫星检测

利用GRACE月尺度变化的地球重力场反演了全球水储量变化,并与陆地水文资料、卫星测高资料及海洋模式得到的结果进行了比对.通过对SOURE台站重力变化的陆地水储量变化计算结果和GRACE重力场系数截断为15阶得到的结果比较,发现两者比较接近,且年周期变化特征明显.对于亚马逊流域,当重力场系数截断为15阶且平滑半径使用106 m时,GRACE反演的区域平均水储量厚度的周年变化振幅为15.6×10-2m,小于使用平滑半径为4×105m的23.7×10-2m.在研究长江流域时,本文对水文资料做球谐系数展开,并与GRACE数据做同样的截断和平滑处理,结果发现GRACE反演的水厚度变化与水文资料结果基本上符合.对于纬度±66°之间的海洋区域,GRACE反演的海水质量变化接近于结合卫星测高和海洋模式得到的结果,但对于2°×2°网格,则在一些区域差异明显,最大超过了0.2 m,中误差为3.8×10-2m.可见,当前GRACE卫星时变重力场只能确定出上千公里及以上尺度区域的水储量变化.     

青藏高原色林错流域区冰川消融对湖泊水量变化的影响

青藏高原大部分湖泊近年来持续扩张,湖泊水位和水量明显增加.冰川消融是流域水量平衡和水循环的重要影响因素,直接导致湖泊水量变化.由于缺乏大范围的冰川质量平衡观测结果,青藏高原冰川消融对湖泊水量变化的影响仍存在较大争议.本文选择青藏高原内流区的色林错流域区(水系编号5Z2)作为研究对象,利用SRTM DEM和TanDEM-X双站InSAR数据,精确估算该流域三个主要冰川区(普若岗日、格拉丹东和西念青唐古拉)2000—2012年的冰川质量平衡,依次为:-0.020±0.030、-0.128±0.049、-0.143±0.032m·w.e.·a^-1.并据此采用面积加权法准确推估出5Z2流域的冰川质量变化为:-0.166±0.021Gt·a^-1.综合ICESat和Cryosat-2卫星测高数据,计算该流域2003—2012年湖泊水量变化速率(3.006±0.202Gt·a^-1),并定量评估冰川质量变化对5Z2流域湖泊水量增加的贡献为:5.52%±1.07%,因此在青藏高原色林错流域区,冰川消融不是导致21世纪初期湖泊水位上升的主要因素.     

1961～2006年塔里木河流域冰川融水变化及其对径流的影响

以国家气象台站的月降水与月气温资料为驱动数据、90m分辨率的数字高程模型(DEM)和第一次冰川编目的冰川分布矢量数据为基础,利用月尺度的度日模型重建了塔里木河流域各水系冰川物质平衡、融水径流序列,并应用冰川物质平衡、融水径流和平衡线高度等资料对模型进行了对比验证,表明模拟结果具有较高的可信度.对冰川物质平衡和融水径流的特征、变化趋势以及其对河流径流的贡献进行的分析表明,塔里木河流域1961～2006年平均冰川物质平衡为?139.2mm·a?1,46a冰川物质一直在加剧亏损,同期升温对冰川的影响超过降水增加的影响.塔里木河冰川融水径流的年际变化主要受控于流域内冰川的物质平衡波动,46a冰川融水径流的持续增加主要是由温度升高引起的.1961～2006年整个塔里木河流域年平均冰川融水径流量为144.16×108m3,冰川融水对河流径流的平均补给率为41.5%,并且与多年平均值相比冰川融水对河流径流的贡献在1990年之后明显增大.塔里木河流域出山径流年际变化与冰川融水径流年际变化过程基本一致,总体上呈上升趋势,并且河流径流量的增加约3/4以上源于冰川退缩的贡献.     

应用GPS数据和Slepian基函数反演川云渝地区陆地水储量变化

局部Slepian函数是将局部区域内的地球物理信号转化为空间谱的一种方法,其可以保证在球面上局部范围内获得最优谱平滑解,非常适用于局部范围地球物理信号的研究.本文利用中国陆态网西南地区72个测站的连续GPS观测资料分析川云渝地区陆地水负荷形变特征,并基于Slepian函数方法解算60阶的空间谱基函数,结合弹性质量负荷理论研究了川云渝地区2011年至2015年陆地水储量变化的时空分布模式.针对Slepian函数的边界效应问题,本文使用GLDAS格网数据计算得到站点处垂直负荷位移时间序列,然后利用该位移数据来进行水储量变化恢复实验,结果表明当边界扩充为3°时能较好地恢复GLDAS模型输出的陆地水储量变化.通过对比区域内GPS、GRACE、GLDAS得到的等效水高以及降雨数据,发现季节性降水是陆地水变化的一个重要驱动因子,GPS反演结果与GRACE和GLDAS数据具有较强的空间一致性.云南地区周年变化要强于川渝地区,其中云南西部的山区陆地水变化最大,约为30 cm,最小为川北以及重庆地区仅为7 cm.相较于GPS反演结果,GRACE与GLDAS明显低估了陆地水储量的季节性变化,分别达到24%和47%.比较分析地区内平均等效水高时间序列的相位发现,GPS得到的陆地水变化与降雨数据一致性较好,而GRACE与GLDAS存在一到两个月左右的时延.同时GPS能较好的探测出2015年1月左右南方地区大范围的强降水,而GRACE与GLDAS并没有体现出该现象,说明GPS能更为灵敏地探测到局部地区陆地水的变化.在站点等效水高时间序列上,GPS与GRACE的相关性总体上要优于GPS与GLDAS,陆地水周年变化较大的云南和四川西部地区站点三种数据间相关性较好,而其他季节性信号不明显的地区则相关性较差.本文的研究表明运用GPS-Slepian方法能够独立地监测高时空分辨率的陆地水储量变化,是作为当前补充GRACE观测资料空缺期的有益尝试.     

河西走廊黑河山区土壤-植被-大气系统能水平衡模拟研究

在河西走廊内陆河黑河山区植被带生长期的5~9月份, 应用土壤-植被-大气传输(SVAT)系统的热水耦合SHAW模型, 在野外观测试验的基础上, 以大气总辐射和常规气象站的基本观测要素为模型的初始输入, 对阴坡云杉林、林旁草地和阳坡草地的土壤层-残留层-植被冠层系统的能量和水量平衡进行了模拟研究. 能量平衡的模拟结果表明, 阳坡草地净辐射量大于阴坡云杉林和林旁草地, 而草地能量支出项主要是潜热, 其次是感热; 云杉林的能量支出主要是感热, 其次是潜热. 阴坡云杉林和林旁草地土壤层-残留层-植被冠层的能量平衡组成和分布使得土壤层吸收的能量少, 具有涵养水源的能量基础, 而森林土壤层吸收的能量更少. 水量平衡的模拟结果表明, 阳坡草地水量基本上是消耗于土壤蒸发, 而阴坡云杉林和林旁草地蒸散发量比阳坡草地少, 并且其中近一半是消耗于植物的蒸腾, 降雨后土壤水量储存增加较多. 因此, 阴坡云杉林和林旁草地具有涵养水源的土壤水储存条件, 并且森林土壤层的水储存条件更好.