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叶尔羌河上游流域高山区降水反演及其对径流模
分类:科技生活

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利用冰川-水文耦合模型模拟和预测流域水文过程,是研究第三极水文水资源对气候变化响应的主要手段。度日因子模型由于具有模型结构简单、输入数据少和可移植性等优点,被广泛用于高寒地区融水径流的模拟和预测研究。然而度日因子具有较大的经验性和时空异致性,对模型模拟结果也带来很大的不确定性。更具物理基础的冰川能量平衡模型,通过描述大气和冰川表面及冰川内部间的能量交换过程,能够更好地反映冰川消融或积累的时空分布特征,也更适用于冰川水资源对未来气候变化的响应研究。然而,冰川能量平衡模型对驱动数据有较高要求,因而极大阻碍了冰川能量平衡模型及冰川水文耦合模型在资料匮乏的第三极地区的发展和应用。

图1 1960-2015年叶尔羌河上游流域的多年平均年降水量和气温空间分布图。 未经降水梯度/气温梯度校正; 经过降水梯度/气温梯度校正

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该文第一作者是任政,现在河北工程大学水利水电学院工作。该成果发表于Journal of Geophysical Research: Atmospheres

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在高寒地区,气温影响积雪融化、冰川消融、冻土转化以及陆气之间的水分和能量交换等过程,使得该区域水文过程对气温非常敏感。因此,获取准确的气温空间分布对于寒区水文模拟至关重要。近地表气温递减率是将气温由站点向网格进行插值过程中的重要参数,是影响气温空间分布的重要因素。通常可以采用观测站点数据来获取NLR,而在观测站点较为缺乏的青藏高原等高海拔地区,可以采用遥感卫星数据(如MODIS的地表温度LST)来进行推算。研究发现MODIS的夜间地表温度LST与站点观测的气温有很好的一致性,而且有较高的空间分辨率便于计算NLR,因而适用于分布式水文模型的模拟。

图4 冰川水文耦合模型模拟的木吉流域2011-2015年冰川物质平衡

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图2. EXP5 -EXP8(考虑NLR的空间变异性)的模拟蒸散发值与EXP2(全流域使用单一的NLR)的区别

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图2 冰川融水径流、融雪径流和降雨径流对流域总径流的年际贡献率

该研究成果近期发表于JGR-Atmospheres期刊。

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该成果发表于Journal of Geophysical Research: Atmospheres

表1. 该研究中考虑的不同NLR情景及其对径流模拟的影响。唐乃亥水文站1996-2005径流量约为140.0 mm/年。

图2 耦合模型模拟和实测冰川物质平衡对比图 积累期; 消融期; 全年

图3 三大高程带径流及各高程带的径流组分、流域网格数

图1. 黄河源区流域出口径流、以及平均雪深模拟结果(控制试验/CTRL)

以上研究得到“泛第三极环境变化与绿色丝绸之路建设”专项(XDA20060202)、国家自然科学基金项目(41871057, 91747201) 和中科院国际合作局对外合作重点项目(131C11KYSB20160061)的资助。

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图4 流域模拟和实测总径流、三大径流组分和三大高程带径流的年际变化

该研究发现流域径流模拟对NLR非常敏感,通过采用卫星遥感(MODIS的夜间LST)数据获取NLR,改进了模型在高寒流域对积雪相关物理过程的模拟,提高了模型对雪量以及径流的模拟精度,为寒区流域水文模型的发展做出了积极贡献。

针对这一难题,依托慕士塔格西风带环境综合观测研究站,基于已有冰川观测,在东帕米尔的木吉流域增加了气象-水文参数观测。中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心、青藏高原研究所研究员苏凤阁课题组及合作者在观测数据的支撑下,实现了冰川能量平衡模型与分布式陆面水文模型VIC的耦合,并从流域冰川能量平衡、冰川物质平衡和流域径流过程完成了对耦合模型的充分验证。研究结果显示:1)冰川-水文耦合模型对入射短波、反照率、夏季冰川物质平衡和径流过程的模拟能达到较好的精度;2)木吉流域冰川上约60%的能量供给用于潜热通量的消耗,而只有约40%的正能量用于冰川消融,这种能量分配和已发现的大陆性冰川能量分配模式一致;3)木吉流域冰川在2011-2015年间总体仍呈现物质负平衡(-812.18 mm,图4),此结果并没有支持“喀喇昆仑异常”现象。对于第三极主要冰雪流域径流的研究,相对于以往的度日法,该研究从理论和实践上都前进了一步。

针对这一难题,慕士塔格西风带环境综合观测研究站在不同海拔高度布设了水文—气象—冰川观测网。中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心、青藏高原研究所研究员苏凤阁课题组博士阚宝云及合作者利用这些实测气象数据获得了降水梯度和气温梯度,进而反演出了具有流域代表性的气象数据;同时,还利用冰川物质平衡观测数据计算出了冰、雪度日因子。这使得在叶尔羌河上游流域成功搭建含有冰川模块的VIC-Glacier水文模型,并对流域的水文过程进行合理模拟成为可能。研究结果表明:1)基于观测的降水-气温梯度校正可有效提高高山区流域降水、气温的合理性冰川融水是叶尔羌河上游流域主要径流补给成分,约占流域总径流的52%60%以上的流域总径流来自于海拔5000 m以上区域,其中63%来源于冰川融水冰川融水径流、中-高海拔地区径流和暖季温度是控制1965-2015年流域总径流变化的主要因素,但降水补给径流、融雪径流和低海拔地区的径流对流域总径流的影响逐渐增大。该研究首次基于地面实测明晰了叶尔羌河上游高山区降水的量级及其时空分布特征,填补了该冰川流域高山区降水未知的空白,使流域水文过程模拟和产流机制分析成为可能。

中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心研究员王磊在基于能水平衡的多圈层分布式水文模型WEB-DHM的基础上,耦合三层积雪模块(WEB-DHM-S)改进模型对积雪物理过程的描述,在典型的寒区流域黄河源通过对流域水文过程和积雪过程的模拟,评估了不同NLR参数化方案对于积雪过程和流域径流等的影响,发现采用基于卫星遥感(MODIS夜间LST)获取的NLR对于改进模型的模拟效果有显著的作用。

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青藏高原快速升温以及冰川的加速消融,引发了人们对未来水资源安全的担忧,特别是以冰雪融水为主要补给源的干旱区。第三极水循环和水资源的变化对当地及下游地区的经济和社会发展具有重要的影响。其中,叶尔羌河是第三极的典型冰川流域,也是塔里木河最长的一条支流,是与塔里木河仍有水力联系的三条支流之一,灌溉着新疆最大的灌区,是下游经济建设的命脉。利用水文模型模拟和预测流域关键水文过程,是研究第三极水文水资源对气候变化响应的主要方法,然而由于山区观测站点极度缺乏,气象输入的不确定性成为模型不确性的最大来源。叶尔羌河流域由于地形复杂且地势较高,难以进入进行实地观测,在卡群站以上的上游流域仅有一个长期国家气象站,难以代表整个流域的降水、气温情况。因此,这种高山区降水、气温等气象信息缺乏的状况,在叶尔羌河上游流域更为突出,这极大地阻碍了冰川水文模型在该流域的应用。

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图1 研究区域和木吉流域空间位置图 研究区; 木吉流域

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图3 耦合模型在2011-2015年间消融期模拟总径流、模拟冰川径流和实测径流对比图

以上研究得到“泛第三极环境变化与绿色丝绸之路建设”专项(XDA20060202)、中科院国际合作局对外合作重点项目(131C11KYSB20160061)及国家自然科学基金项目的资助。

在黄河源区流域,在1996-2005年共十年的时间序列上以流域出口唐乃亥站的径流以及流域的积雪深度为标准进行率定和验证,作为控制试验(NLR采用基于观测站点数据推算的多年月平均值),总共设计了采用不同NLR参数化方案的9组试验。试验1-试验4采用不同时间尺度的NLR值,发现提高NLR的时间尺度对于径流模拟结果的改进并不明显,对于蒸散发ET模拟结果的改进也有类似的结论。试验5-试验8采用通过网格卫星遥感数据计算得到的NLR值(基于MODIS夜间LST数据),在空间分布上具有更好的代表性,考虑流域的空间异质性,不同试验分别以不同海拔高度带、不同土地覆被类型、不同坡向、不同积雪厚度作为网格分类依据,发现试验5-试验8(即考虑NLR的空间异质性后)的结果相比较试验2有明显的改进(减少了夏季蒸散发,见图2),对于日径流的模拟改进了6%-7%。另外加入试验9,通过试验2、8和9来量化区分NLR对于雨雪分离以及对于雪层中物理过程各自的影响。

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