水文模型在估算冰川径流研究中的应用现状

冰川径流估算是气候变化风险评估和水资源可持续管理的重要内容.冰川径流估算方法主要包括:直接观测法、冰川物质平衡法、水量平衡方程法、水化学示踪法和水文模型法.本文首先对五种方法的应用情况进行简要总结,进而重点阐述水文模型法在估算冰川径流研究中的应用现状.水文模型法是冰川径流估算研究中使用最频繁的方法,使用方式主要包括耦合冰川模块和开发新的冰川水文模型.冰川水文模型中的消融算法主要包括温度指数模型(度日因子法)、修正的温度指数模型、能量平衡模型.受当前观测条件限制,修正的温度指数模型兼顾能量平衡模型和温度指数模型的优势而成为冰川水文模型中最流行的方法.随着学科的发展进步,能量平衡模型与水文模型的耦合将会成为未来的研究重点,发展大尺度分布式冰川水文模型是冰川水文学的未来发展方向之一.     

反照率对冬克玛底冰川径流及物质平衡模拟影响研究北大核心CSCD

反照率是影响冰川融水径流和冰川物质平衡的重要因素,但仍缺乏考虑反照率对冰川径流及物质平衡模拟效果影响的定量研究。本研究基于自主研发的冰川流域水文模型(FLEXG),在模型中加入反照率和入射短波辐射,以改进模型。利用2005-2014年长江源区冬克玛底冰川流域实测水文气象数据,以及2010-2014年小冬克玛底冰川各高程带物质平衡数据,开展了冰川流域径流和冰川物质平衡的模拟研究。研究发现:考虑反照率和入射短波辐射后,FLEXG模型对日尺度径流的模拟有一定改善,验证期KGE从0.49提高到0.51;冰川物质平衡的模拟也有明显提高,R2从0.67提高到0.83。同时,6-9月冰川径流的贡献从63%提高到66%,与利用同位素信息分割径流的结果更为接近,模拟真实性得到明显提高。     

水稳定同位素示踪的冰川流域水文模拟及不确定性研究

水文模拟不确定性长期以来是制约寒区水文发展的瓶颈问题。水稳定同位素示踪为认识冰川流域径流过程提供了重要“指纹”信息,但仍缺乏有效模型将该信息与冰川水文模型耦合,而且同位素信息对冰川流域水文模型不确定性的约束效果也有待检验。将水稳定同位素信息（δ¹⁸O）与冰川流域水文模型FLEX^G相耦合,实现对冰川流域水稳定同位素和径流过程的耦合建模（FLEX^G-iso）,并在乌鲁木齐河源1号冰川流域进行模拟检验和径流分割。结果表明：模型不仅对2013—2016年径流过程有良好的模拟效果,还可以重现水稳定同位素、冰川物质平衡等重要过程。利用水稳定同位素这一辅助数据,提高了模型参数的识别能力,减少了模拟过程中各水源的相互妥协效应和不确定性范围。2013—2016年1号冰川断面径流32%~34%来自融雪,48%~51%来自融冰,0%~7%来自地下水,12%~15%来自降雨径流。水稳定同位素对雪和冰川相关中间过程有明显的约束能力,原有模型对融冰贡献的模拟偏高约7%。FLEX^G-iso模型的建立有助于推动寒区水文学理论和方法的发展,以及寒区水资源、生态环境保护等相关决策制定。     

Factors Affecting the Variation of Glacier Surface Runoff-Coefficient in the Recent Years

The mass balance of Urumqi Glacier No.1 (Glacier No.1) was calculated by water balance method and direct measurement method respectively. Water balance method is a kind of calculating method, which studies about the relationship between storage, supply and consumption of water resource in a certain area in a certain period of time (Time for this research is a mass balance year).Mass balance calculated by this method and acquired by filed observation was compared and analyzed. Therefore we got their correlation and expected to apply it to other high latitude and altitude areas.Mass balance and glacial runoff data of Urumqi Glacier No.1 used in this research were acquired from Annual Report of Tianshan Glacier Station, and that started observing in 1959.The data used by this study is collected from 1982-2014. The data of runoff was measured by the hydrology station of Urumqi Glacier No.1 Glacier, which is located in the lower reaches of the glacier about 300 m, and catchment area is about 3.34 km².The data of precipitation and runoff was provided by Daxigou Meteorological Station located in the altitude of 3 539 m, which is distant from the terminus of Urumqi No.1 Glacier about 3 km.Through the comparison of these two kinds of methods, we found that: ①It is better to use water balance method to calculate the mass balance in long time series. The result of water balance method was 1% different from the result of direct measurement during 1982-2014, and the corresponding glacier runoff coefficients were 0.7 and 0.85, respectively. ②The results of water balance method during 1982-2005 had a high correlation with the direct measurements, and the error was relatively small. Besides that, the glacier runoff coefficient reflected the glacier runoff well. However, there were obvious differences between the two kinds of methods during 2005 2012 which showed that the glacier runoff coefficients changed a lot. According to analyzing the two periods of 2005 to 2008 with large error and 1996 to 1999 with small error, we found that the results of water balance method were generally higher than that of the direct measurement in summer. The analysis showed that the changes of water conditions and the corresponding in the glacier runoff coefficient were the main reasons for these differences.The data of precipitation and runoff in the study area was combined with the measured mass balance data, and their potentially internal relationship was found, which could be used to acquire the meteorological data easily and to deduce the mass balance data which is difficult to be acquired. This conclusion is helpful to extending the study area from a single glacier or basin to a large regional scale. Limited to the shortage of data, for the example, this study only discusses the single glacier, Urumqi Glacier No.1. Overall, this study shows that using the potential of water balance method can compute the data of glacier mass balance more accurate on long time scale.     

城市暴雨径流模拟的参数不确定性研究

基于暴雨管理模型(SWMM),构建了澳门半岛雅廉访实验小区降雨径流模拟系统,采用generalized likelihood uncertainty estimation(GLUE)方法对复杂降雨径流模型参数的不确定性进行了分析,采用均匀分布为参数的先验分布(prior distribution),选取拉丁超立方法作为采样方法,Nash-Sutcliffe效率系数作为似然评判准则。结果表明该方法可以有效的分析降雨径流模型参数的不确定性,对降雨径流模型参数识别提供了深入分析与理解模型系统的有效途径。     

Uncertainty analysis of HEC-HMS model using the GLUE method for flash flood forecasting of Mekerra watershed,Algeria

In this paper, the lumped quasi-distributed hydrological model HEC HMS is used to simulate the rainfall–runoff process of the Mekerra watershed, located in the northwest of Algeria. The model parameters’ uncertainty and the predictive intervals were evaluated with the generalized likelihood uncertainty estimation (GLUE) approach. According to the results, good simulations were obtained with different values of variables for many sets of parameters generated randomly by the Monte Carlo procedure, which is known as Equifinality. After the analysis, only the hydraulic conductivity at saturation parameter appears well defined, taking values within a limited range. In addition, results indicated that combinations of likelihood measures associated with multiple and different periods of observations reduce a posterior uncertainty of estimated parameters and predictive intervals in some degree. Overall, the GLUE analysis showed that there is a significant uncertainty associated with hydrological modelling of watershed Mekerra, to a great extent due to multiple sources of errors.     

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.     

天山乌鲁木齐河源1号冰川物质平衡高度变化特征及其对径流的影响

利用天山乌鲁木齐河源1号冰川1980-2010年的物质平衡、水文气象实测资料, 分析了1号冰川1980-2010年的各高度带物质平衡特征, 进而分析了1984-2010年纯积累和纯消融的变化特点及其与气象要素、冰川融水径流变化的关系. 结果表明: 1号冰川物质平衡处于持续的负平衡, 纯积累量与年降水的相关系数为-0.16, 纯消融量与年均温的相关系数为0.61, 与夏季(6-8月)气温的相关系数为0.78. 2010年1号冰川为有观测记录以来的最强消融年(b_n=-1 327 mm), 整个冰川处于消融区(平衡线高度大于海拔4 484 m, 积累区面积为0), 同时东、西支冰川各高度区间的物质平衡变化也与往年度显著不同, 说明2010年是1号冰川物质平衡变化的特殊年份, 也有可能1号冰川的物质平衡变化进入了一个新的亏损变化阶段. 对其径流数据的分析还表明, 温度对径流的影响大于降水对径流的影响.     

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.     

基于TM/ETM+影像反演祁连山七一冰川反照率精度比较研究

冰川反照率是联系冰川与气候、 寒区水文过程的纽带, 也是制约分布式冰川能量-物质平衡模型发展的重要因子.冰雪反照率的变化会改变整个地气系统的能量收支平衡, 亦可引起局地以至全球的气候变化.利用Landsat TM/ETM+数据, 运用不同学者提出的窄波段转换宽波段的方程, 反演了祁连山七一冰川总短波段的反照率.把不同的转换方程得到反演值与实测值进行比较, 选择绝对误差最小的反演公式.结果表明: Duguay1992模型提出的方程能保证4景影像反演值与实测值的绝对误差在0.05范围内, 而气候模式输入的反照率产品要求绝对误差在0.05以内.运用该方程反演的反照率结果, 较其他方程要准确, 可为分布式冰川物质-能量平衡模型的构建提供更准确的参数数据.     

青藏高原中部扎当冰川物质平衡研究

最新观测表明,青藏高原扎当冰川2005/2006年度物质平衡量为-306.42×10⁴m³,相当于-1547.57 mm水当量,冰面出现显著的减薄.扎当冰川出现如此大的负平衡在青藏高原中部地区实属罕见,这可能与影响冰川物质平衡过程的区域气候状况和局地气候因素的差异有关系.物质平衡出现较大的负值和零平衡线位置升高的状况,强烈反映了扎当冰川对气候变暖过程的响应.     

祁连山七一冰川物质平衡的最新观测结果

祁连山七一冰川观测结果表明, 2001/2002年度和 2002/2003 年度冰川物质平衡分别为-810mm和-316 mm水当量, 冰面出现显著的减薄状态. 和过去的观测结果相比较, 20 世纪 70 年代为较大的正平衡, 年平均为360 mm水当量; 80年代年平均为4 mm水当量, 基本接近零平衡状态. 到近两年亏损强烈, 为所有观测资料中负平衡值最大的年份, 零平衡线也达到最高位置. 物质平衡出现较大的负值和零平衡线位置升高的状况, 强烈反映了祁连山冰川对气候变暖过程的响应. 如果气候变暖趋势继续, 冰川物质平衡负值将增大、冰面减薄和雪线的升高, 冰川将继续呈现萎缩状态.     

基于土壤属性的VIC模型基流参数估计框架

"异参同效"现象是水文模型参数率定过程中的一个难题。为了减少需要率定的模型参数个数,从而降低模型参数的相互作用,构建了利用土壤属性直接估计VIC(Variable Infiltration Capacity)模型3个基流参数的框架,并在3个位于不同水文气候条件下的典型流域中作了实例研究。传统的VIC模型参数估计方法需要率定6个参数;而在新的参数估计框架下,需要率定的模型参数从6个减少为3个。蒙特卡罗模拟结果表明新的参数估计框架提高了参数的敏感性。同时,新的参数估计方法模拟的径流过程和之前通过率定得到的径流过程差别很小。GLUE(Generalised Likelihood Uncertainty Estimation)方法分析得到径流模拟的不确定性结果表明:新的参数估计框架计算径流的90%置信区间要明显小于传统方法,而且对于低流量的模拟效果更加明显,也就是说采用新的参数估计框架可以显著降低径流模拟的不确定性。这种基流参数估计方法可以被应用于其他相似的水文模型中。     

1972-2016年东天山哈尔里克山地区冰川物质平衡研究

新疆哈密地区是世界上极端干旱的地区之一,依托高峻的哈尔里克山发育的现代冰川成为维系本区绿洲生存与发展的固体水库。对哈尔里克山地区冰川的监测与研究可获得本区冰川对全球气候变化的响应,也为哈密地区的水资源评估、生态建设与绿洲经济的可持续发展提供基础数据与理论支持。基于地形图、SRTM DEM和资源三号立体像对等数据,采用大地测量法对哈尔里克山地区自地形图成图以来44年间冰川物质平衡进行了研究。结果表明：1972-2016年间冰川平均表面高程下降了（9.15±0.98）m,冰川物质平衡为（-0.18±0.02）m·a^-1 w.e.,冰量损失显著。其中,1972-1999年间,冰川物质平衡为（-0.04±0.01）m·a^-1 w.e.,冰量损失较缓慢;1999-2016年间,冰川物质平衡增至（-0.36±0.05）m·a^-1 w.e.,冰量损失加剧。此外,南北坡的冰川物质平衡空间差异性明显。1972-1999年间,北坡冰川物质平衡为（-0.05±0.01）m·a^-1 w.e.,南坡冰川物质平衡为（-0.02±0.01）m·a^-1 w.e.,北坡冰川物质损失略大于南坡;1999-2016年间,北坡冰川物质平衡为（-0.27±0.04）m·a^-1 w.e.,南坡冰川物质平衡为（-0.45±0.05）m·a^-1 w.e.,南坡冰川损失量远大于北坡。结合哈密与伊吾气象观测资料分析可知：冰川的物质平衡与气温变化呈现出很强的相关性,研究区的降水量自20世纪50年代以来呈增加趋势,但温度变化对冰川物质平衡的影响大于略微增加的降水的影响。1999年后,南坡冬夏季气温的增长幅度均超过北坡,这是南坡冰量损失加剧的主因。     

北半球冰川物质平衡变化的若干特征及其气候意义

根据北半球连续观测的４０多条冰川物质平衡资料，分析了目前冰川物质平衡状态及影响它们的地形因互。冰川物质平衡的变化在区域间存在着一定的联系：斯堪的纳维亚、落基山和天山地 区冰川物质平衡的变化在大多数时间内存在着对应联 系，而与阿尔卑斯山冰川物质平衡的变化具有不同程度的反向波动特征。     

天山乌鲁木齐河源1号冰川东支能量-物质平衡模拟研究

基于天山乌鲁木齐河源1号冰川东支海拔4025 m处自动气象站的观测数据和同期物质平衡花杆观测数据,采用COSIMA模型,对该冰川东支2018年消融期单点能量-物质平衡进行了模拟.结果显示:物质平衡模拟值为(-0.67±0.03)m w.e.,与实测值有非常好的一致性,相关系数达0.96.造成冰川消融的能量来源于净短波辐...     

1984-2016年全球参照冰川物质平衡时空变化特征

基于世界冰川监测服务处（WGMS）发布的冰川物质平衡数据,对全球40条典型参照冰川物质平衡资料进行分析,结果表明：1984年以来,40条冰川中的36条在观测时段内处于物质平衡为负的状态,冰川普遍退缩,尤其在中纬度比较强烈;全球参照冰川物质平衡的多年平均值为-563 mm,累积物质平衡为-18 590 mm,且2000年之后出现了加速消融的变化趋势;全球参照冰川物质平衡的年代际平均值呈阶梯下降,每10年,物质平衡值下降200 mm左右;由于区域气候变化的差异性以及冰川对气候变化的响应程度不同,冰川物质平衡变化表现出显著的区域特征,物质平衡值由北到南出逐渐增大,空间上呈现出典型的纬度地带性和经度地带性特征;气温是控制冰川物质平衡变化的主要因子,物质平衡过程通常与各地区不同时间尺度的气候波动和变化显著相关。     

河西内陆河流域冰川融水近期变化

基于第一次中国冰川编目数据库,以国家气象台站的月降水与月气温资料为驱动数据,利用度日模型重建了河西内陆河流域各水系1961～2006年冰川物质平衡和融水径流序列,并与短期观测资料的对比验证表明,模型具有较高的可信度.河西内陆河流域1961～2006年平均冰川物质平衡为-49.5 mm/a,从东段石羊河流域到西段疏勒河、...     

The effects of ionic strength and organic matter on virus inactivation at low temperatures: general likelihood uncertainty estimation (GLUE) as an alternative to least-squares parameter optimization for the fitting of virus inactivation models

This study examined how the inactivation of bacteriophage MS2 in water was affected by ionic strength (IS) and dissolved organic carbon (DOC) using static batch inactivation experiments at 4 °C conducted over a period of 2 months. Experimental conditions were characteristic of an operational managed aquifer recharge (MAR) scheme in Uppsala, Sweden. Experimental data were fit with constant and time-dependent inactivation models using two methods: (1) traditional linear and nonlinear least-squares techniques; and (2) a Monte-Carlo based parameter estimation technique called generalized likelihood uncertainty estimation (GLUE). The least-squares and GLUE methodologies gave very similar estimates of the model parameters and their uncertainty. This demonstrates that GLUE can be used as a viable alternative to traditional least-squares parameter estimation techniques for fitting of virus inactivation models. Results showed a slight increase in constant inactivation rates following an increase in the DOC concentrations, suggesting that the presence of organic carbon enhanced the inactivation of MS2. The experiment with a high IS and a low DOC was the only experiment which showed that MS2 inactivation may have been time-dependent. However, results from the GLUE methodology indicated that models of constant inactivation were able to describe all of the experiments. This suggested that inactivation time-series longer than 2 months were needed in order to provide concrete conclusions regarding the time-dependency of MS2 inactivation at 4 °C under these experimental conditions.