黑河上游冰沟流域典型积雪期水文情势

综合研究了黑河上游祁连山冰沟流域2008年积雪期水文情势,以积雪-冻土-径流为框架详细分析了该地区积雪水文特征.采用物质平衡计算了冰沟流域雪蒸发和融水值,并分析了冻土水热变化过程和融雪径流变化特征.积雪期降水总量达到204.6 mm,雪而蒸发为140.8 mm,雪面蒸发在积雪期水文循环中占有重要的位置.3月12日融雪开始,引起3次人规模的融雪峰值;整个融雪季,冰沟流域融雪径流总嚣为3.98×106m3.冻土解冻始于4月12日左右,随着气温升高,土壤含水量变化明显.地形和风速相巨作用,造成积雪的大规模重新分布.     

高寒山区冻土对水文过程的影响研究——以黑河上游八宝河为例

冻土对寒区水文过程具有重要的调节作用,是寒区水循环研究的核心内容之一.在分布式水文模型中对土壤冻融过程进行显式表达,对探索寒区水循环的机理、定量研究寒区流域径流的时空变化十分重要.先在黑河上游八宝河流域对考虑了土壤冻融过程的分布式水文模型进行简单验证,然后分析土壤冻融对流域水文过程的影响.对考虑和不考虑土壤冻融的模型模拟结果进行对比,发现冻土对流域的产流方式和速度有很大的影响,主要表现为：1）考虑冻土时,流域产流以壤中流为主,径流对降雨或融雪的响应速度较快,径流过程线变化较为剧烈,径流系数较高.冻土有效地阻碍了入渗过程,促进地表径流和壤中流的形成.壤中流发生的平均土壤深度冬季深,春季浅,年平均深度约为1.1 m;2）在不考虑冻土时,土壤下渗能力强,地下水补给是考虑冻土时的3倍,流域产流方式以基流为主,径流对降雨或融雪的响应速度减缓,径流过程线较为平滑,夏季洪峰在时间上存在明显的延迟.即便在降水强度较大的夏天,流域内都不会产生地表产流,而且壤中流产流的平均土壤深度平稳地处于2.4 m左右.研究对从机理上认识土壤冻融对水文过程的影响有一定的帮助.     

黑河流域上游寒区水文遥感-地面同步观测试验

介绍了黑河流域上游寒区水文遥感-地而同步观测试验,论述了试验目标与研究内容、试验区的选择设计以及寒区水文长期观测试验.上游试验以理解寒区水文过程、提高寒区定量遥感水平为主旨,以积雪和冻土为主要研究对象,开展了微波辐射计、高光谱成像仪航空遥感和地面同步观测,并选择典型小流域进行长期寒区水文过程观测与研究.试验集中在冰沟积雪小流域、阿柔草场和扁都口裸露耕地3个不蚓地表覆盖区,以积雪和冻土变量与参数的测量为主.同步试验在流域尺度、重点试验区、加密观测区和观测小区4个尺度上展开,分别布置了加密的地面同步观测、通量和气象水文观测、降雨、径流及其它水文要素观测网络;航空飞行传感器分别采用微波辐射计、高光谱成像仪、热红外成像仪和多光谱CCD相机,收集获取了试验区丰富的可见光/近红外、热红外、主被动微波等卫星数据.通过试验,初步构建了上游寒区航空-卫星-地面综合数据集,可以应用于改进和验证寒区陆面/水文过程模型.     

寒区灌丛与积雪关系研究进展

在气候变化的背景下, 寒区灌丛与积雪的相互关系成为寒区水文循环研究的重要环节. 综述近几十年来寒区灌丛-积雪相互关系的国内外研究现状, 并对未来研究提出了展望. 寒区灌丛过去几十年来覆盖面积和生物量等呈现增加趋势, 灌丛的增加可截留积雪, 改变积雪重分布, 影响积雪消融过程; 积雪可增加灌丛区地温, 制约灌丛区融雪时空变化过程, 影响寒区灌丛的生理生态过程. 灌丛与积雪同为寒区自然生态系统和环境的重要组成部分, 二者相互作用使地面太阳辐射和地表水分分配过程复杂化, 从而间接地影响寒区冻土环境变化. 最后, 指出了未来研究需要重点关注的几个问题: 寒区灌丛区积雪分布的精确估计; 灌丛-积雪-冻土连续体的研究; 耦合灌丛-积雪作用的寒区水文模型的构建.     

祁连山区风吹雪对积雪质能过程的影响

风吹雪是山区积雪水文过程的重要组成部分. 采用祁连山区冰沟流域2008年积雪期观测数据, 通过对风吹雪实地观测分析、风吹雪的发生概率、风吹雪迁移以及风吹雪升华等分析, 从野外观测、计算模拟两个方面对祁连山区风吹雪质能过程进行了详细探讨. 结果表明: 位于流域海拔较高处(海拔4 146 m)的研究区垭口站, 风吹雪现象较为显著, 因之造成的积雪重新分布极为严重. 垭口站风吹雪频发于冬季及初春融雪未发生时, 积雪在风速作用下迁移量较大; 而进入融雪期之后, 因气温上升、雪面融化以及再冻结, 风吹雪发生概率急剧减小. 风吹雪在积雪升华中占有较大比重, 2008年积雪期, 垭口站风吹雪升华估算值约占积雪升华(包括雪面升华)的41.5%.     

祁连山黑河干流山区水文模拟研究进展

流域水文模拟是在认识水文规律的基础上, 对流域水文过程的一种数学描述.黑河流域作为典型的内陆河流域历来是研究寒区、 旱区水文过程的热点区域.祁连山黑河干流山区的水文模拟研究也备受学者们的关注, 经验模型、 概念模型和分布式水文模型在该区域均有应用, 虽然都对出山径流做出了准确的模拟, 但是引进的模型对高寒山区水文过程的刻画不够详细.内陆河高寒山区流域的水文模拟要充分考虑冰川、 积雪、 冻土等因素所引起的特殊寒区水文过程, 准确刻画这些水文过程是高寒山区流域水文模拟成功的关键.今后应该继续加强野外观测, 深入开展冻土水文过程、 冰雪水文过程的模拟研究, 发展真正适合于高寒山区流域水文过程的分布式水文模型.     

寒区和干旱区水文研究的回顾和展望

寒区和干旱区水文研究冰川,积雪,冻土,高寒山区和山前地带已初步形成了较完整的观测实验和研究体系,８０年代以来,在冰川融水径流,出山径流形成的观测实验,寒区水文过程,冰川作用流域水文过程和大气过程相互关系。乌鲁木齐地区的水资源问题,气候对水资源的影响,高亚洲冰冻圈水文,冰川洪水和融雪径流以及干旱区水文等方面已取得了多项研究成果,近年来,寒区和干旱区水文水资源的研究在内陆河流域水资源合理开发利用与社会     

寒区流域水文模拟研究

冰雪和冻土的水文物理特性, 及其对径流形成过程的作用, 是寒区流域产汇流的主要矛盾或矛盾的主要方面.针对北方寒冷地区, 寒季水循环的大气水、土壤水及地面地下径流的动力和热力过程, 在水文物理及冰雪水文的有关理论基础上, 参照国内外非寒区流域模型(新安江模型、水箱模型、萨克拉门托模型)的结构, 研究建成了具有物理基础的概念性寒区流域水文模型.利用我国东北地区现有的寒区观测资料, 对寒区产汇流的各主要环节, 分别进行了模拟研究.     

基于能量平衡对额尔齐斯河流域融雪过程的研究

为定量描述额尔齐斯河流域积雪的消融过程,建立了利用基于能量平衡的积雪模型,对流域内库威积雪站2014年1月4日-3月28日积雪的积累和消融过程进行了模拟.结果表明:模型能够很好的模拟出融雪期净辐射能量的变化过程,对雪水当量的模拟结果也非常好,雪水当量的观测值和模拟值之间的Nash系数达到了0.989.在积雪的积累期,雪表的净辐射、感热、潜热通量的绝对值以及地表热通量明显低于积雪的消融期.在积累期,感热和潜热通量以及土壤热通量受到雪层厚度的影响.当雪水当量小于10 mm时,感热和潜热通量的绝对值偏高,土壤热通量的波动性也偏大.在积累期积雪的物质损失全部为升华损失,升华量为2.74 mm;在消融期,积雪的融化量为66.26 mm,升华量为2.04 mm.净辐射对积雪物质损失的贡献达到了83.1%,湍流通量对积雪物质损失的贡献达到16.9%.由于在融化期土壤热通量为正值,因此土壤热通量对融雪没有贡献.     

天山南坡清水河流域径流过程对气候变化的响应

干旱区的高山寒区水文过程对气候变化特别敏感,冰川、积雪和冻土变化产生的水文效应对下游水资源供给具有重要影响.以天山南坡清水河流域为研究区域,通过分析水文站径流变化,结合流域上游山区巴伦台的气象资料,研究了高寒流域在气候变化背景下径流过程的响应特征.结果表明:降水变化决定着径流过程,但气温上升对径流产生额外影响;气温变化产生的径流变化对径流产生延迟效应,冬季径流明显增加.南疆天山地区冬季积雪较少,产生的春季融水径流不明显;夏季降水和径流同期出现,使得高寒山区水文过程对固体降水变化不敏感;冻土退化产生的水文效应使冬季径流增加明显.为应对气候变化对水文过程产生的影响,应加强山区水库建设,通过工程措施调节,保障持续的水资源供给和利用.     

马粪沟流域不同景观带水文过程

目前高寒水源区完整水文过程规律研究还非常薄弱。应用同位素技术与水化学分析模拟方法来甄别高寒区马粪沟流域不同景观带冰川、积雪、冻土、地表水、地下水和降雨等水体对出山径流的贡献组合与路径,旨在揭示各景观带的水文过程。据端元混合模型计算,在湿季出山径流52%来自地下水补给,其地下水主要是由冻土融水、冰雪融水和降雨下渗转化形成;冰雪带融水占11%;高山寒漠带和灌丛带地表径流占20%;高山草原带约占9%;降雨直接补给占8%。整个流域降雨很少直接产生地表径流,而是在各个景观带转化成壤中流或地下径流,然后汇入河道。     

使用积雪遥感面积数据改善山区春季融雪径流模拟精度

随着寒区水文模拟研究的深入,春季融雪径流模拟误差大这一问题越来越明显.针对此问题,以八宝河流域为研究区,利用积雪衰减曲线将MODIS积雪面积比例产品转化为雪水当量,并用其更新分布式水文模型GBHM(Geomorphology-Based Hydrological Model)中模拟的雪水当量,达到提高春季融雪径流模拟精度的目的.利用GBHM模型对八宝河流域2005-2007年进行了模型预热,参数率定,同时选择2008年进行模型检验.结果表明:GBHM模型在八宝河流域有较好的径流模拟精度,年均纳什效率系数(NSE)达到0.64.但模型对春季融雪过程的模拟效果较差,通过引入积雪遥感数据,这一问题得到很大改善.加入积雪遥感数据后,2008年3-6月径流模拟精度NSE和相对偏差Bias分别由-1.0、-0.45改进为0.58、0.06,单点雪水当量模拟精度获得提高,流域水量平衡也更加合理.     

Coupling a glacier melt model to the Variable Infiltration Capacity (VIC) model for hydrological modeling in north-western China

For the sustainable utilization of rivers in the mid and downstream regions, it is essential that land surface hydrological processes are quantified in high cold mountains regions, as it is in these regions where most of the larger rivers in China acquire their headstreams. Glaciers are one of the most important water resources of north-west China. However, they are seldom explicitly considered within hydrological models, and climate-change effects on glaciers, permafrost and snow cover will have increasingly important consequences for runoff. In this study, an energy-balance ice-melt model was integrated within the Variable Infiltration Capacity (VIC) macroscale hydrological model. The extended VIC model was applied to simulate the hydrological processes in the Aksu River basin, a large mountainous and glaciered catchment in north-west China. The runoff components and their response to climate change were analyzed based on the simulated and observed data. The model showed an acceptable performance, and achieved an efficiency coefficient R ² ≈ 0.8 for the complete simulation period. The results indicate that a large proportion of the catchment runoff is derived from ice meltwater and snowmelt water. In addition, over the last 38 years, rising temperature caused an extension in the snow/ice melting period and a reduction in the seasonality signal of runoff. Due to teh increased precipitation runoff, the Aksu catchment annual runoff had a positive trend, increasing by about 40.00 × 10⁶ m³ per year, or 25.7 %.     

A distributed water-heat coupled model for mountainous watershed of an inland river basin of Northwest China (I) model structure and equations

It is absolutely necessary to quantify the hydrological processes in earth surface by numerical models in the cold regions where although most Chinese large rivers acquire their headstreams, due to global warming, its glacier, permafrost and snow cover have degraded seriously in the recent 50 years. Especially in an arid inland river basin, where the main water resources come from mountainous watershed, it becomes an urgent case. However, frozen ground’s impact to water cycle is little considered in the distributed hydrological models for a watershed. Took Heihe mountainous watershed with an area of 10,009 km², as an example, the authors designed a distributed heat-water coupled (DWHC) model by referring to SHAW and COUP. The DWHC model includes meteorological variable interception model, vegetation interception model, snow and glacier melting model, soil water-heat coupled model, evapotransporation model, runoff generation model, infiltration model and flow concentration model. With 1 km DTM grids in daily scale, the DWHC model describes the basic hydrological processes in the research watershed, with 3∼5 soil layers for each of the 18 soil types, 9 vegetation types and 11 landuse types, according to the field measurements, remote sensing data and some previous research results. The model can compute the continuous equation of heat and water flow in the soil and can estimate them continuously, by numerical methods or by some empirical formula, which depends on freezing soil status. However, the model still has some conceptual parameters, and need to be improved in the future. This paper describes only the model structure and basic equations, whereas in the next papers, the model calibration results using the data measured at meteorological stations, together with Mesoscale Model version 5 (MM5) outputs, will be further introduced.     

基于栅格尺度的双层融雪径流模型研究及应用

以新疆天山北坡军塘湖河流域作为研究区,基于物理机制构建双层分布式融雪径流模型,利用研究区数字高程模型(DEM)提取流域信息,运用GIS技术与遥感技术获取积雪、植被、土壤等与融雪径流模型有关的地表信息,并结合WRF中尺度数值预报模式作为该模型气象驱动数据,对研究区融雪期进行模拟,结果显示:2009、2010年峰值模拟期间,实测与模拟径流过程线拟合度高,QR合格率分别达87%、90.85%。该模型适用性较好,对融雪洪水预警具有一定的参考价值。     

中国高寒区水文学中的一些认识和参数

针对中国高寒区水文数据和参数缺乏、机理不清的现状,应用祁连山葫芦沟寒区水文小流域观测数据及相关研究成果,率定并获取了高寒区水文模拟中的几个关键参数:① 降水观测误差校正系数及公式;② 固液态降水分离的临界气温;③ 高寒灌丛降水截留参数;④ 土壤完全冻结温度;⑤ 积雪消融的临界气温。认识到若全球变暖引起植被带上移,则山区流域蒸散/降水比例增大、径流系数必然减小;现有降水数据难以满足高寒区水文模拟的需要,降水截留模拟有待改进,冰川、积雪消融缺乏高精度简单估算方法;长时间水文模拟中必须考虑风吹雪、冻土类型演替及冻结深度变化,以及冰川运动和体积变化;需加强冻结层下水、积雪升华和冰川汇流观测试验研究。     

基于水化学特征的长江源区生态水文学研究进展

气候变暖背景下,冰雪、冻土剧烈消融引起的寒区径流成分改变对流域径流演变规律及水循环机制产生了深刻影响。对长江源区各水体水化学特征及其生态水文学研究进行归纳总结,主要进展包括：长江源区的大气降水的水汽来源主要受西风环流和季风环流的控制。冰雪融水的水化学特征受到消融强度、消融持续时间和新雪融水的影响,同时在冰雪融水、积雪以及冰川融水之间可能存在化学离子的交换。冻土层上水受到降水、冰雪融水、地下冰融水等的混合补给,造成水化学特征变化的随机波动。海拔在4 500 m的地区是冻土层上水水化学特征对研究区离子控制源较为敏感的区域。随着海拔高度的增加,降雨直接补给对河水中化学离子的稀释作用逐渐减弱,同时,海拔从4 500 m到5 000 m的降水对河水中离子浓度的稀释效果最大,而在海拔5 000 m以上河水主要受冰雪融水的补给,降水和消融期的变化对河水水化学的影响很小。研究结果为更系统地认知寒区下垫面变化所引起的水文效应提供科学依据,为流域水资源的合理开发利用提供决策依据。