数字黑河的思考与实践4:流域观测系统

数字化的流域观测系统是数字流域的重要组成部分.①首先介绍了水循环卫星遥感和地面观测的最新进展,以及航空遥感在流域观测中的重要作用.②介绍了对于流域观测系统的构想.认为流域观测系统应兼顾陆面过程、水文、生态观测的不同空间尺度和时间尺度,监测与控制试验并重,地面与遥感配合,重视采样设计,重视新兴观测手段,与信息系统扣模型高度集成,科学目标导向,模型需求驱动.③黑河流域观测系统由位于流域上中下游不同景观带的野外研究站、综合观测试验以及气象水文业务化观测网络组成,在流域内先后开展了HEIFE实验、金塔试验和黑河综合遥感联合试验.④介绍了对于流域观测系统的进一步构想:增强遥感观测能力是关键,集成遥感、地面观测和模型模拟才能更好地定量估计水循环,流域观测系统应和信息系统、综合模型等共同构成流域科学研究的信息基础设施,更好地为流域科学服务.     

Review on snowmelt runoff simulation in mountain regions,Northwest China北大核心CSCD

Snowmelt runoff is a valuable water resource in Northwest China. In the past few decades, progress has been achieved in snowmelt runoff simulation in mountainous areas, including observation and simulation of snow melt process, improvement and development of distributed snow melt runoff model, and ability for application of snow melt runoff model with temporal and spatial distribution driving data. The development of interpolation algorithm, remote sensing and data assimilation technology provides data support for the widespread application of distributed snowmelt runoff model in northwest mountainous regions of China. Climate warming and economic and social development will further aggravate the contradiction between supply and demand of water resources in the arid regions of Northwest China, which requires higher precision and detail spatial and temporal resolution of snowmelt runoff simulation. Based on the progress and challenges on snowmelt runoff simulation in mountainous regions of Northwest China, following studies need more attention：the mechanism of snow accumulation and ablation, snow cover spatial and temporal distribution monitoring and high precision of snow distribution data acquisition, quantitative climate change impact on river basin snowmelt runoff. © 2022 The authors.     

黑河中游水土资源开发利用现状及水资源生态环境安全分析

黑河流域水资源产生于南部祁连山区,主要消耗于中游农业灌溉区。对黑河流域水文资料分析计算发现,流域出山水资源量多年变化比较稳定,最枯年和最丰年水资源量之比为 1:2,丰枯变化幅度与长江以南丰水河流相当。多年平均水资源量为32．31×10⁸ m³／a,近10年中游水资源开发利用量稳定在34×10⁸ m³／a以上,仅中游地区对水资源的开发利用率达120％左右。目前国际上公认的人均水资源量紧缺线为 1000～1700 m³／a,黑河流域水资源开发利用具有反复转化多次重复利用的特点,用这个指标无法全面评价黑河流域水资源的安全状况。     

B—P神经网络在径流长期预测中的应用

人工神经网络作为一个具有高度非线性映射能力的计算模型，已广泛应用于模式识别、自动控制等许多领域。在数值预测方面，它不需要预先确定样本的数学模型，仅通过学习样本数据即可进行预测。作者以龙羊峡水库入库径流为研究对象，将人工神经网络中的反向传播算法（简称B－P模型）应用于入库径流变化趋势的长期预测，并将基结果与常用的时间序列分析方法的计算结果进行比较，以分析人工神经网络在径流预测领域应用的优越性及其应用前景。     

近50年中国干湿气候界线波动及其成因初探

文中在 10a际尺度上详细分析了中国干湿气候界线波动与气候的干湿变化 ,得出 :过去 5 0a中国干湿气候界线波动显著 ,区域差异大 ,呈现出整体移动和东西、南北相异波动的特征。 2 0世纪 6 0～ 70年代中国干湿气候存在一次突变 ,由较湿润变为干旱 ,但各地干旱程度不同。干湿气候界线波动与气候的干湿变化具有显著的年代际特征。在此基础上分析了气候界线波动的可能原因 ,中国干湿气候界线的波动与气候的干湿变化是西太平洋副热带高压强度位置导致的东南季风、孟加拉湾暖流所导致的西南季风以及高原季风、中纬度西风环流等综合作用的结果。中国各地区干湿位相变化不一致 ,区域差异大 ,是不同环流以及环流的不同强弱组合所致。东南季风、西南季风、高原季风、中纬度西风环流、西太平洋副热带高压的年代际变化是过去 5 0a中国干湿气候界线波动与气候干湿变化年代际变化的根本原因。 2 0世纪 6 0～ 70年代的干湿突变 ,是整个北半球大气环流异常的结果     

小波变换在河西地区水文和气候周期变化分析中的应用

小波时—频分析由于其局部优化性质而优于傅立叶分析。应用 Meyer小波 ,对甘肃河西地区近 50 a来年径流量、年降水量和年平均气温做周期分析 ,发现河西地区水文气象序列的变化周期基本在 35a、2 2 a、1 1 a、5～ 6a和 2～ 3a左右的时间尺度上浮动。而这些基本周期正是太阳黑子活动周期或海—气相互作用的周期 ,说明河西地区水文、气象序列的周期变化受天体运动变化的影响。天体运动直接影响降水和气温的周期变化 ,进而在一定的下垫面条件下 ,影响径流的周期变化。     

内陆河高寒山区流域分布式水热耦合模型（Ⅰ）：模型原理

在全球变暖的背景下，我国多数大江大河源区存在冰川退缩、雪线上升以及多年冻土和季节冻土明显退化等现象，并由此造成河源区产流量减少以及生态环境恶化等诸多问题，这在内陆河山区流域体现的较为明显，但目前分布式水文模型中很少涉及冻土水热耦合问题。文章以黑河干流山区流域为例，构建了一个内陆河高寒山区流域分布式水热耦合模型（DWHC）。模型基于土壤水热连续性方程将流域产流、入渗和蒸散发过程融合起来，在植被截留、入渗、产流和蒸散发计算方面也有所改进和创新，部分模块具有多个可选择方案。模型设计了与中尺度大气模式MM5的嵌套接口，也可以用地面气象资料驱动。模型在1 km×1 km网格基础上，以日为时间步长，将流域土壤分为18类，土壤剖面分为3～5层不等，流域植被概化为9类。模型只需要土壤初始含水量、初始地温和常规气象资料，以及土壤和植被物理参数，就能够连续演算各层土壤的温度、液态含水量、固态含水量、感热传导、潜热变化、水势梯度、导水率以及水分入渗和毛细上升量等水文循环要素。主要介绍了模型的基本原理和构建思路，有关模型的地面资料驱动结果和与MM5嵌套结果部分，参见后续文章(Ⅱ)、(Ⅲ)。     

内陆河高寒山区流域分布式水热耦合模型（Ⅲ）：MM5嵌套结果

利用中尺度气候模式MM5计算黑河山区流域2003年2月11日到6月30日的日降水量、2.0 m高度的日平均气温和潜热，并将其嵌套到DWHC模型中。MM5运行周期为10 d，积分步长为3 s，空间分辨率为3 km。保持DWHC模型土壤参数、植被参数、经验参数和可调参数等不变，仅对模型初始参数进行了调整，利用最近距离法（nearest）将MM5输出结果插值到1 km×1 km格点上，所计算的黑河干流出山口日平均流量与实测序列的NSE＝0.79，B＝-0.79（％），EV＝0.79，R2＝0.81。利用基于三角网格的立体插值法（cubic）所获结果与此相当，NSE＝0.79，B＝-0.65（％），EV＝0.79，R2＝0.80。这说明利用MM5 DWHC嵌套模型来模拟流域日平均流量是可行的。MM5 DWHC嵌套模型在径流模拟方面，比利用地面资料驱动结果要好。MM5 DWHC嵌套模型的计算结果表明，内陆河高寒山区流域存在明显的浅表产流特征，这与地面观测资料驱动结果一致。模型调试结果表明，MM5输出结果存在某种奇异性，且输出的非汛期降水量明显偏大。     

西北干旱区融雪洪水灾害预报预警技术:进展与展望

针对全球变化背景下极端升温、暴雪和雪面雨等事件增多以及我国西北干旱区融雪洪水灾害风险增大问题,简要概述了干旱区融雪洪水预报预警系统及其关键技术的研究进展,重点阐述了近年来发生频率增加、灾害风险大,但在干旱区未引起重视的雪面雨洪水的研究进展,提出了西北干旱区融雪洪水高精度预报预警所面临的关键科学问题,指出需在揭示干旱区融雪洪水灾害致灾机理、成灾机制及其演化规律基础上,研发干旱区融雪洪水灾害监测预警装置并构建立体监测体系,研究雨雪冰混合洪水形成及演进过程并建立模型,构建洪水风险评估指标体系,建成干旱区融雪洪水智能化预报预警决策支持平台,动态展示流域实时、潜在及未来超标准融雪洪水的淹没范围,评估风险程度,并提出防洪技术和工程方案以及洪水资源化利用途径等应对措施.     

祁连山葫芦沟流域高山寒漠带非冻结期水文特征

高山寒漠带是我国内陆河山区和我国多数大江、大河源头的主产流区之一. 由于缺乏系统观测数据及相关研究的支撑,当前国内外研究较为匮乏,高山寒漠带水文循环过程机理尚不清楚. 通过在黑河上游葫芦沟流域高山寒漠带试验点布设水文循环观测试验,分析了典型高山寒漠带非冻结期水文特征. 结果表明：高山寒漠试验点观测期(2009年6月7日-9月30日)的降水量为541.4 mm;蒸发皿的蒸发量为256.9 mm,桶式微型蒸渗仪(Micro-Lysimeter)的蒸发量为122.8 mm,平均蒸发量为1.1 mm·d^-1. 根据观测,高山寒漠带凝结水量也比较丰富,凝结水虽然没有直接参与高寒山区水文循环的产汇流过程,但它消耗了能量,抵消了部分太阳辐射,间接地参与了产汇流过程. 高山寒漠带小流域在观测期的平均径流深为461.2 mm. 根据降水梯度获取的流域平均降水量为639.1 mm,径流系数为0.72.