表碛下冰面消融的模拟与估算

根据热传导理论和能量平衡原理建立了一个简单的数学模型,对表碛下冰面的融化热进行了估算.模型将表碛分为三层:第一层冰碛以剧烈的温度变化和夜间负温梯度的存在为特征;第二层为中间过渡层,温差和温度变化都较小;第三层为靠近下伏冰体的薄层冰碛,以温度低和变化稳定为特征.模型仅以地表温度时间序列、表碛厚度和导热系数、土壤热容量等参数为计算输入,即可对表碛不同层位的土壤温度及其下部冰体融化所需热量进行模拟估算.在科其喀尔冰川表碛区选取了3个具有不同表碛厚度的试验点(Spot1,0.8m;Spot2,1.5m;Spot3,2.1m)进行了模型测试.模型试验表明,模型对于不同厚度表碛下冰面融化热的模拟是较好的,然而对于不同层位地温序列的模拟仍有一定的偏差,造成这些偏差的原因主要是来自于模型假设和土壤温度垂向上的时间相位差.模拟结果同时也显示了不同表碛厚度下冰面消融的差异,冰面消融热平均分别为:Spot1:26.87W·m^-2,Spot2:9.81W·m^-2,Spot3:6.92W·m^-2.     

西天山托木尔峰南麓大型山谷冰川冰舌区消融特征分析

基于对托木尔峰南麓托木尔型山谷冰川的野外考察和典型冰川的定位观测,对冰面被表碛广泛覆盖的所谓“托木尔型”冰川冰舌区表碛与冰面消融的关系进行了研究. 结果表明：表碛对冰面消融、冰川水文过程、冰川变化等均具有重要影响,当表碛厚度超过3 cm时,表碛对冰面消融就产生明显抑制作用,且随着厚度增加,冰面消融显明减弱. 科其喀尔冰川表面的观测表明,由末端向上,表碛厚度逐渐减薄. 受表碛影响,科其喀尔冰川区最大的消融量出现在海拔3 800~3 900 m之间、表碛物厚度小于10 cm的区域内;冰川消融强度由此向上随着海拔的升高而下降,向下随表碛厚度的增大而减弱. 冰面湖的发育是表碛覆盖冰川的又一主要特征,湖水对冰面的融蚀和快速排泄成为冰面产汇流的主要过程. 科其喀尔冰川研究表明,两三个冰面湖排泄形成的融蚀冰量就相当于冰川末端退缩造成的冰量损失. 因此,冰面湖等热喀斯特地形的形成、扩张融蚀、融穿排泄、形成湖区低地,这一周而复始的过程不仅是其主要消融方式之一,而且也强烈的影响着冰川水文及冰川变化. 托木尔峰南麓地区大型冰川变化主要以厚度减薄为主,而不是像大多数冰川显著的变化主要表现在末端和面积减少方面.     

喜马拉雅山珠穆朗玛峰北坡绒布冰川消融速率特征分析

根据1959年和2009年在喜马拉雅山珠穆朗玛峰北坡绒布冰川获得的冰川消融数据, 分析了该冰川消融速率变化特征.结果表明: 1) 在珠峰绒布冰川表碛覆盖区, 表碛厚度随海拔升高而降低. 2) 不同厚度表碛下的冰川消融速率差别较大; 当表碛厚度>8.5 cm时, 消融速率随表碛厚度的增加而减小; 促进冰川消融的表碛厚度阈值大于5 cm. 3) 从冰川消融速率的空间分布看, 绒布冰川大部分区域的消融速率<20 mm·d^-1, 最大消融速率出现在海拔5 400~5 450 m处. 4) 绒布冰川消融速率受表碛厚度和气温综合影响, 低海拔处表碛太厚, 高海拔处气温较低, 冰川消融在上述两海拔处均受抑制, 冰川消融速率较小; 在中海拔处, 表碛相对较薄, 气温相对较高, 冰川消融速率最大; 冰川日均消融速率与日均正积温正相关. 5) 喜马拉雅山南坡冰川消融速率大于北坡冰川消融速率.     

藏东南嘎隆拉冰川表碛冻融过程与零点幕效应

冰川表碛区冻融过程的观测分析有助于厘清各层之间能量和水分传输的关系,从而为构建相应的能量平衡模型以及冰川径流模型提供理论支持。基于2015年10月至2016年11月嘎隆拉冰川表碛区自动气象站气象资料,对表碛区冻融过程进行分析,结果表明：表碛中出现冻土中常见的秋季和春季零点幕效应,秋季零点幕持续时间32天,春季零点幕持续58天;春季零点幕期间,气温和地表温度均呈现清晨低,午后高的日变化特征,而表碛层内温度没有明显的日变化特征,其体积含水率呈“脉冲式”变化;春季零点幕效应结束,底层冻结层破坏后,冰川冰消融才开始;嘎隆拉冰川表碛对冰川冰消融的影响不仅是因为表碛较厚,在消融量上抑制了冰川冰的消融,而且更重要的是表碛产生零点幕效应,延迟了表碛下冰川冰开始消融的日期,在时间上抑制了冰川冰消融。     

青藏高原及周边冰川区表碛影响研究进展北大核心CSCD

青藏高原及周边冰川区表碛分布十分广泛,其通过地-气-能-水交换、反照率变化等影响冰川消融及空间特征,导致表碛覆盖型冰川物质平衡响应机制、水文效应及其致灾过程不同于无表碛覆盖型冰川。本文在系统梳理青藏高原及周边冰川区表碛空间分布特征的基础上,综合分析了表碛对冰川区消融、物质平衡和水文过程的影响及其对气候的响应过程,并系统分析了表碛影响观测与模拟的研究进展。目前不同尺度冰川物质平衡和径流模型对表碛影响的考虑依然不足,导致应用现有模型开展表碛分布及动态变化和评估气候变化条件下表碛影响面临诸多挑战。展望未来,深入认识气候-冰川-表碛系统相互作用与反馈机制,发展考虑多物理过程的冰川-表碛系统协同演化的动态模型,预估气候变化驱动下的冰川区表碛动态影响及趋势,进而服务于区域社会经济发展和“绿色丝绸之路”建设。     

表碛覆盖型冰川参数提取方法研究进展

表碛的存在影响了大气与冰川间的能量传输过程,一方面,促进了冰面湖(塘)、冰崖的发育;另一方面,改变了冰川的消融过程和水文模式。利用表碛各项属性和物理参数模型化气候-表碛-冰川间的相互作用和反馈过程能够正确认识表碛覆盖型冰川变化的过程和机理,有助于准确估算和预测冰川物质平衡,进而判断冰川未来演变趋势。本文系统总结和对比了识别表碛范围、提取冰川流速以及获取表碛物理参数的各种技术手段,介绍了表碛覆盖影响下冰川消融模型的原理和应用情况,同时还对这些方法或模型的局限性和发展趋势进行了讨论。表碛覆盖型冰川所处山区地形起伏大、地表变化复杂,为遥感方法识别表碛范围和提取冰川流速带来了诸多困难,如现有表碛识别方法仍无法克服固有干扰因素的影响,而流速提取方法需具备较强抗干扰能力,且配对影像时间基线需尽可能短。当前表碛覆盖型冰川相关研究中关键参数、数据存在大量空缺的状况有望在将来得到改善,冰川动力学过程和表碛动态变化的模型描述将更为精细,冰川物质平衡、径流量等指标的评估和预测也将更为真实准确。     

两类度日模型在天山科其喀尔巴西冰川消融估算中的应用

采用辐射传输参数化方案估算太阳入射短波辐射,并以小时气温作为输入数据,在200、100和50 m 3种海拔梯度下,分别应用传统度日模型和改进度日模型对科其喀尔巴西冰川2008年夏季消融区非表碛覆盖区消融进行了模拟分析.研究表明:太阳小时入射总辐射计算与实测结果具有较好的一致性;科其喀尔巴西冰川度日因子存在明显的时空差异性;随着空间分辨率提高,2类度日模型的模拟效果都变好;在200和100 m海拔梯度下,改进度日模型的模拟结果优于传统度日模型,而在50 m海拔梯度下,无明显改进.     

西藏东南部波堆藏布谷地的基碛丘陵

基碛丘陵是冰川消融后,原来的表碛、内碛、中碛都沉落到底碛之上形成的波状起伏的丘陵地形,多成片分布。其形态与分布规律和物质结构往往受冰前古地形和原来冰面形态的影响。据所知,我国基碛丘陵在西藏希夏邦马峰山麓亦有存在。但近年来,在西     

慕士塔格峰洋布拉克冰川消融的观测分析

2001年7月4日至8月8日,在慕士塔格峰西侧的洋布拉克冰川海拔4600～4460m区间的冰舌段,进行了短期的冰面消融观测.慕士塔格峰冰川区暖期短,冰面强消融时期比较集中.观测期间,冰面纯消融厚度为640～1260mm水层,日平均消融厚度达26～39.6mm,推算冰舌区年消融量不低于1700～2000mm,比青藏高原内部的冰川消融强烈的多.7月21-22日出现最大消融值,在海拔4460m和4600m,日消融量分别为144.5mm和59.5mm.冰面消融随海拔上升而减小,日平均消融梯度:在裸露冰区为0.40～0.55mm·10m-1;在表碛覆盖区为0.21～3.53mm·10m-1,变幅较裸露冰区大.按裸露冰区的消融梯度计算出海拔4800m处的日平均消融量,和过去的研究资料比较,2001年冰面日平均消融量较1987年和1960年的消融量大,反映出慕士塔格峰区影响冰川消融的气候与全球气候变暖的特点是一致的.     

祁连山七一冰川消融期间的能量平衡特征

冰川表面的能量平衡可以描述冰雪消融与气候响应之间的物理机制,利用2006年6月9日至9月28日在祁连山七一冰川消融区中部自动气象站(AWS)的观测资料,对七一冰川表面的能量平衡进行了估算.结果显示:在冰川消融期,净辐射、湍流热通量和冰川消融耗热是能量平衡的主要组成部分,能量收入方面主要是净辐射和感热通量,分别约占总能量收入的82.4%和17.6%;而支出方面主要是冰雪消融耗热和潜热释放,分别约占总能量支出的87.2%和12.8%.2006年7月31日至8月6日进行了为期近7 d的冰面径流场观测,基于能量平衡原理,对冰川表面的消融进行了模拟,模拟的消融速率和实测的冰面消融数据吻合的较好.     

基于CoupModel的青藏高原多年冻土区土壤水热过程模拟

近年来, 青藏高原多年冻土区生态环境呈现出逐年恶化趋势, 从而对多年冻土活动层水热过程造成显著影响. 此外, 如何构建更加有效、 针对寒区的陆面过程模式成为寒区研究的重点、 热点之一. 作为一种有效的参数估计方法, Bayes参数估计算法具有准确估计陆面过程模式参数的能力. 因此, 基于2005-2008年观测数据, 利用CoupModel模型对青藏高原风火山流域土壤水热运移过程进行模拟; 同时, 利用Bayes参数估计方法估计部分水热运移参数. 结果显示: 模型对土壤温度(ST)的模拟效果较好, NSE系数均在0.90以上; 也能够较好模拟浅层(0~40 cm)土壤水分, NSE值均达到0.80以上, 而对40 cm以下土壤水分的模拟结果较差. 模型也能够较准确模拟活动层土壤的冻结-融化过程. 模型对温度水分极值和40 cm深度以下水分的模拟存在一些偏差. 值得一提的是, 基于重要性采样MCMC方案的Bayes参数估计算法能够有效估计水热运移参数, 模型模拟结果得到极大的改进. Bayes算法能够广泛解决陆面过程模式参数估计问题.     

天山南坡科其卡尔巴契冰川度日因子变化特征研究

度日模型是估算冰川消融的一种简单而有效的方法.根据科其卡尔巴契冰川2003年的观测资料,分析了该冰川度日因子的空间变化规律及其影响因素.研究表明:各高度上的度日因子,介于2.0～9.7mm·℃^-1·d^-1之间变化,平均值为5.7mm·℃^-1·d^-1,与青藏高原各冰川及其它地区冰川相比较小;随着海拔的增高,度日因子随之递增;随平均气温的升高而随之递减.由于冰面状况复杂,度日因子变化幅度较大,裸冰区的度日因子明显大于表碛覆盖区.人为测量误差、反照率、地形等对度日因子的影响也不容忽视.     

基于HBP本构模型的泥石流动力过程SPH数值模拟

本构模型是描述泥石流流变特性的关键,也是决定其动力过程数值模拟准确性的核心问题之一。泥石流流体属多相混合物,现有的研究已证实其存在剪切增稠或剪切变稀的现象,传统基于Bingham及Cross线性本构关系的数值模型难以准确描述泥石流流变特性。文中探讨了Bingham模型在低剪应变率下的数值发散问题,在光滑粒子流体动力学（SPH）方法框架上建立了整合Herschel-Bulkley-Papanastasiou(HBP）本构关系的稀性泥石流动力过程三维数值模型。相比传统基于浅水波假设的二维数值模型,所述方法从三维尺度建立SPH形式下的泥石流浆体纳维?斯托克斯方程并进行数值求解,可获取泥石流速度场时空分布及堆积形态,同时采用HBP本构关系描述泥石流流变特性,能在确保数值收敛的前提下反映泥石流流体在塑性屈服过渡段及大变形状态下应力?应变的非线性变化。为验证提出方法的合理性,结合小型模型槽实验观测进行了对比,结果表明数值模拟与实测结果基本吻合。     

祁连山七一冰川物质平衡及其对气候变化的敏感性研究

依据2010年6月30日-9月5日考察期间获得的七一冰川物质平衡和气温降水等气象资料,运用度日物质平衡模型模拟了七一冰川的物质平衡变化状况.结果表明：七一冰川考察期间物质平衡为-856.2mm w.e..受气温、降水等气候因素的强烈影响,物质平衡过程明显分为＂微弱积累-强烈消融-微弱消融＂3个阶段.度日物质平衡模型模拟...     

Large-scale simulation of watershed mass transport: a case study of Tsengwen reservoir watershed, southwest Taiwan

We present the large-scale simulation of watershed mass transport, including landslide, debris flow, and sediment transport. A case study of Tsengwen reservoir watershed under the extreme rainfall triggered by typhoon Morakot is conducted for verification. This approach starts with volume-area relation with landslide inventory method to predict temporal and regional landslide volume production and distribution. Then, debris flow model, Debris-2D, is applied to simulate the mass transport from hillslope to fluvial channel. Finally, a sediment transport model, NETSTARS, is used for hydraulic and sediment routing in river and reservoir. Near the water intake at the reservoir dam, the simulated sediment concentration is in good agreement with the measured one. The proposed approach gives good prediction and should help the management of reservoir operation and disaster prevention.     

Hydraulic and numerical study on the generation of a subaqueous landslide-induced tsunami along the coast

By carrying out the hydraulic experiments in a one-dimensional open channel and two-dimensional basin, we clarified the process of how a landslide on a uniform slope causes the generation of a tsunami. The effect of the interactive force that occurs between the debris flow layer and the tsunami is significant in the generation of a tsunami. The continuous flow of the debris into the water makes the wave period of the tsunami short. The present experiments apply numerical simulation using the two-layer model with shear stress models on the bottom and interface, and the results are compared. The simulated debris flow shows good agreement with the measured results and ensures the rushing process into the water. We propose that the model use a Manning coefficient of 0.01 for the smooth slope and 0.015 for the rough slope, and a horizontal viscosity of 0.01 m²/s for the landslide; an interactive force of 0.2 for each layer is recommended. The dispersion effect should be included in the numerical model for the propagation from the shore.     

Hazard assessment of debris flows in the Wenchuan earthquake-stricken area,South West China

The Longxi river basin with the city of Dujiangyan, in the Sichuan province of South West China, belongs to the seismic area of the May 12, 2008 Wenchuan earthquake. Lots of loose co-seismic materials were present on the slopes, which in later years served as source material for rainfall-induced debris flows. A total of 12 debris flows, were triggered by heavy rainfall on August 13, 2010 in the study area. The FLO-2D numerical analysis software was adopted to simulate debris flows intensity, including movement velocities and maximum flow depths. A comparison of the measured fan spreading with the simulation results, the evaluation parameter Ω was used to verify accuracy of simulation, the results show Ω values ranging between 1.37 and 1.65 indicating relative good simulation results. This study also estimated the flood hydrograph for various recurrence intervals (20, 100, and 200 years, respectively) to perform scenario simulations of debris flows, and followed Swiss and Austrian standards to establish a debris flow hazard classification model on the basis of a combination of the debris flow intensity and the recurrence period. This study distinguishes three hazard classes: low, medium, and high. This proposed approach generated a debris flow hazard distribution map that could be used for disaster prevention in the Wenchuan earthquake-stricken area, South West China.     

耦合冻土方案的大气模式对祁连山区春季土壤状况的模拟

对黑河流域上游山区水源涵养林区2003年春季土壤温度、湿度变化进行分析,运用耦合冻土参数化和没有耦合冻土参数化的大气模式MM5对该区春季过程进行了模拟,并与观测值进行对比,对模拟的产流量做了初步分析.结果显示:考虑冻土参数化方案对土壤温度模拟的改进主要体现在表层土壤,对深层土壤温度的模拟没有大的改进;考虑冻土参数化方案改进了对100 cm深度以内的土壤含水量的模拟,很大程度上缩小了模拟值与观测值之间的绝对误差.总体来讲,考虑了冻土参数化的模拟结果在一定程度上改进了模式对黑河流域上游季节冻土区土壤温、湿状况的模拟,在一定程度上逼近祁连山区的春季土壤状况.考虑冻土参数化和没有考虑冻土参数化对产流量的模拟表明,冻土参数化对产流量模拟有很大影响,冻土形成的不透水层可以产生更多的地表径流.尽管考虑冻土参数化过程对模拟结果有一定程度的改进,但模拟结果与实测结果还是有一定差距的.因此,进行寒区冻土过程模拟时,还需要进一步对土壤信息、模式物理过程,大气背景场驱动数据以及局地因素进行详细而精确的考虑,以期进一步提高模式在寒区的模拟性能,特别是为高寒山区无观测地带陆气相互作用研究提供依据.     

A new ice sheet model validated by remote sensing of the Greenland ice sheet

Accurate prediction of future sea level rise requires models that accurately reproduce and explain the recent observed dramatic ice sheet behaviours. This study presents a new multi-phase, multiple-rheology, scalable and extensible geofluid model of the Greenland ice sheet that shows the credential of successfully reproducing the mass loss rate derived from the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE), and the microwave remote sensed surface melt area over the past decade. Model simulated early 21st century surface ice flow compares satisfactorily with InSAR measurements. Accurate simulation of the three metrics simultaneously cannot be explained by fortunate model tuning and give us confidence in using this modelling system for projection of the future fate of Greenland Ice Sheet (GrIS). Based on this fully adaptable three dimensional, thermo-mechanically coupled prognostic ice model, we examined the flow sensitivity to granular basal sliding, and further identified that this leads to a positive feedback contributing to enhanced mass loss in a future warming climate. The rheological properties of ice depend sensitively on its temperature, thus we further verified modelâ?s temperature solver against in situ observations. Driven by the NCEP/NCAR reanalysis atmospheric parameters, the ice model simulated GrIS mass loss rate compares favourably with that derived from the GRACE measurements, or about ?147 km³/yr over the 2002–2008 period. Increase of the summer maximum melt area extent (SME) is indicative of expansion of the ablation zone. The modeled SME from year 1979 to 2006 compares well with the cross-polarized gradient ratio method (XPGR) observed melt area in terms of annual variabilities. A high correlation of 0.88 is found between the two time series. In the 30-year model simulation series, the surface melt exhibited large inter-annual and decadal variability, years 2002, 2005 and 2007 being three significant recent melt episodes.