冰川物质平衡模式及其对比研究——以祁连山黑河流域十一冰川研究为例

冰川物质平衡是冰川连结气候和水资源的纽带, 对其的观测和模拟始终是冰川与气候变化研究领域的重点和前缘之一. 以祁连山黑河流域十一冰川为参照冰川, 结合实测物质平衡验证资料, 建立了基于冰川表面能量平衡的冰川物质平衡模型(物理模型)和基于温度参数、温度-辐射参数和温度-辐射-水汽压参数的三种度日因子模型(统计模型), 并对模拟结果进行了分析及评估. 结果表明: 净辐射是冰川表面最主要的能量来源, 占能量收入的82.3%; 其次为感热供热, 占收入的17.7%. 净长波辐射基本为负, 吸收的热量主要通过融化和蒸发/升华方式消耗, 分别占能量支出的84.7%和15.3%. 加入净短波辐射和水汽压参数的度日因子-物质平衡模型的模拟效果提高显著, 相对误差为7%, 与能量平衡模型的模拟误差6.7%, 相差不大. 研究表明, 能量-物质平衡模型的物理意义明确, 模拟能力强大, 尤其在日尺度上有绝对的优势; 统计物质平衡模型在特定的地理条件和气候条件下表现出不佳, 对于一些极端值的模拟能力欠缺, 但是具有输入变量少, 计算简单的优点. 研究结果对黑河流域乃至整个祁连山地区的冰川物质平衡模拟方法的建立具有参考意义.     

祁连山区近50a来的气温序列及变化趋势

利用河西祁连山区东段乌鞘岭、中段祁连和西段托勒气象站20世纪50年代以来的气温观测资料分别建立了祁连山区东段、中段和西段三个区域的年及冬季(11~2月)、春季(3~5月)和夏秋季(6~10月)的气温时间序列,并对其变化特征和趋势进行了分析研究。结果表明:祁连山区的平均气温的变化既与全球升温存在着某种程度的一致性,又有着鲜明的区域和季节差异,具体表现为:冬季(11~2月)平均气温序列的上升趋势较年平均气温和其它季节平均气温更为显著,并且20世纪90年代为近50a来最暖的10a;总体上祁连山区的平均气温呈不连续地缓慢地波动状上升趋势,但升幅不是很大。因此,预计祁连山区平均气温的这种变化对出山径流将不会产生大的影响。     

任意地形实际天气条件下小时入射短波辐射模型——以黑河流域为例

建立了一个任意地形和实际天气条件下,能够计算大范围、长时间、高时空分辨率的太阳入射短波辐射模型,模型采用简化的辐射传输参数化方案和NCEP/NCAR资料相结合的方法,并成功应用于黑河流域2002年度每小时、1 km×1 km分辨率的总辐射、直接辐射和散射辐射的计算,所应用的地面资料仅为流域的地形信息。鉴于模型中总辐射是根据直接辐射和散射辐射推算的,而黑河流域2002年度缺乏直接辐射和散射辐射实测资料,模型采用分别位于黑河山区西水、中游临泽和下游额济纳旗3套自动观测仪器的总辐射资料进行验证,西水实测总辐射与计算总辐射的R2＝0.71,而临泽和额济纳旗R2分别为0.90和0.91,但各站点均出现部分结果相差很大的情况。出现地域差异和部分结果相差很大的主要原因是由于总云量资料时空分辨率低造成的,另外计算和实测数据空间尺度的不一致也部分造成山区计算效果较差。     

中国寒区分布探讨

中国寒区应该包括所有的多年冻土区、冰川区和绝大多数稳定性季节积雪区,寒区气候系统和植被覆盖应具有相对独立性,而气温是划分寒区最关键的指标.气温资料来自中国571个站点1961—1998年每日4次观测资料,空间插值采用月平均气温与站点地理位置和地面高程的多元回归方程,地图坐标为Alberts投影,空间分辨率为1km×1km.结果表明:用最冷月平均气温<-3.0℃、平均气温>10℃的月份不超过5个和年平均气温≤5℃等3项指标所划分的寒区,与中国多年冻土、冰川、稳定性季节积雪、气候区划和植被区划边界基本一致.最终划分的中国寒区面积为417.4×10⁴km²,占我国陆地面积的43.5%.     

黑河源区高山草甸的冻土及水文过程初步研究

介绍了黑河源区野牛沟流域在试验点尺度和山坡尺度上所开展的冻土水文过程初步结果.冻土水文观测场建于最大冻结深度约为3.0 m的季节冻土区,近50 a来,该区降水量变化不大,器测蒸发量(Φ20)和风速呈明显的降低趋势,而气温和地表温度则分别上升约1.0℃和1.7℃.研究区季节冻土冻结上限和下限深度均与地表温度呈二次多项式关系,这表明地表温度与冻结或融化区地温变化之间有一个滞后过程.在地表融化季节,季节冻土存在两层现象.当融化深度接近最大冻结深度时,存在向上和向下的双向融化现象,但自下而上融化速率较慢.2005年9月-2006年9月,具有较高代表性的3个山坡径流场均没有观测到产流量,结合蒸散发观测和野外调查,发现夏季高山草甸具有明显的地表径流拦蓄和水源涵养作用.COUP模型能够较好的连续演算试验场生长季节高山草甸-季节冻土-大气-维水热传输和耦合过程,但因其土壤完全冻结临界温度阀值设置偏高,影响了非生长季节的计算精度.     

内陆河流域分布式水文模型——以黑河干流山区建模为例

应用常规的气象水文数据并结合GIS, 建立了一个适合西北内陆河山区流域分布式水文模型, 并对黑河干流山区出山径流进行了模拟计算和讨论。模型以子流域作为最小的产流、汇流单元, 将各子流域分为裸地区、乔木区、牧草区和冰川区, 并根据实测剖面资料将土壤分为3层, 各分区单独进行水量平衡计算。产流过程基于蓄满产流理论, 以月和日为步长, 月模型在黑河干流山区流域应用效果较好, 日模型受降水的随机性和观测站点少的限制效果不佳。模型参数敏感性分析发现, 降水资料的代表性是模型模拟成败的关键。月模拟结果表明, 植被覆盖可以调节径流过程, 增加流域土壤储水量, 尤其是乔木森林, 即植被具有涵养水源的功能。在全球变暖背景下, 黑河未来出山径流会有一定程度的增加, 冰雪融水和实际蒸散发也会增加, 永久积雪与冰川面积缩小, 雪线上升, 但近期内不会造成冰雪储量大量减少。     

SRM融雪径流模型在长江源区冬克玛底河流域的应用

冬克玛底河流域作为青藏高原腹地长江源区典型代表性高寒山区流域,有较大面积的冰川、积雪存在。本文以冬克玛底河流域2005年5~10月的实测水文、气象资料为基础,运用SRM融雪径流模型对不同分带数对融雪径流模拟效果的影响和不同测站气温分别作为气温驱动变量对融雪径流模拟效果的影响分别进行了模拟试验。结果表明：不同分带会对SRM模型融雪径流量模拟产生一定的影响;而不同的气温作为驱动变量对模拟的效果影响很大,这表明SRM模型对气温驱动变量非常敏感。同样根据流域内径流与气温降水的相关分析看到日径流量与气温相关性较好,线性相关系数最好达到0.72,而径流与降水线性相关系数为0.20。根据以上模拟实验和相关分析选择合适的分带和具有代表性的站点气温,SRM模型模拟的两个优度指标最好可达到Nash-Sutcliffe 系数 (R2) = 0.83和体积差 (Dv) = 0.95%。 考虑到SRM 模型对气温的敏感性,利用最终选择的模拟方案并结合气温升高1 ^oC气候情景假设来考虑气温、降水和径流之间的关系。模拟结果表明：气温升高1 ^oC后,(1) 模拟时期内的径流总量由原来模拟的25.5 × 10⁶ m³增加到33 × 10⁶ m³;(2) 冰川物质平衡线从原来的 5600上升到5750米,冰川消融区从5.8 km²增大到13.5 km²,冰川消融量增加,对径流量的贡献明显增大。(3) 气温的升高加速积雪融化并改变降水形态是径流在5~6月变大的主导因素。7~10月份的径流变大则主要是由于冰川消融。     

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。     

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。     

内陆河流域水文过程研究的一些科学问题

水科学研究的发展，对水文科学提出了新的挑战，即如何在流域、区域和全球尺度进行学科交叉、综合集成和协同研究，从而更全面地认识水在地球资源和环境变化中的作用，认识水圈及其与大气圈、岩石圈和生物圈的相互作用。为了解内陆河流域水文循环和水量平衡各分量之间的变化和转化关系及其与生态和环境之间的相互作用，以及对全球变化和人类活动的响应和反馈，基于内陆河流域上游山区径流形成区、中游人工绿洲水资源开发利用区和下游荒漠绿洲径流散失区的流域水文循环特征，从能水通量、生态和生物地球化学过程讨论了山区水文过程；从生态水文、尺度转换、阈值和反馈讨论了水文和植被的相互作用；从国外提出的关键作用带的概念讨论了内陆河流域地下水—土壤—植被作用层的水文过程。提出了开展内陆河流域水文过程观测和研究的基本框架。