基于星-地多源数据的青藏高原气温估算和积融雪模拟研究

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青藏高原平均海拔在4000米以上,积融雪过程是该地区重要的水文过程。准确合理的融雪模拟对于青藏高原的水资源管理和规划具有重要意义。融雪模型一般可分为基于温度指数方法的概念模型和基于能量平衡方法的物理模型。温度指数方法的优点是只需要温度和降水等最基础的输入数据,物理模型的优点则是可以较好地反映流域中详细的水文过程。本研究为了开展青藏高原积融雪模拟,首先通过有常规水文气象观测的冰川流域的积雪覆盖和径流模拟,确定了度日因子模型的适用性以及利用MODIS积雪覆盖产品进行积融雪校核的可行性;然后针对度日因子模型对气温数据的依赖性,综合利用卫星资料和地面台站数据,开发了青藏高原高空间分辨率的日平均气温产品;以此作为模型输入,开展积融雪模拟研究,分析青藏高原融雪量的时空变化特征。主要结论如下:  (1)基于温度指数法的度日因子模型和基于能量平衡方案的DHSVM模型对于青藏高原典型冰川流域的径流模拟表现较为接近;但是受数据条件的影响,对积雪覆盖面积的模拟,度日因子模型的表现更优。在观测数据极端匮乏的青藏高原地区,相较于对数据要求较高的能量平衡模型,度日因子模型更加可行。利用积雪覆盖卫星数据可以有效进行积融雪模拟的校核与验证,有助于度日因子模型得到更合理的参数和更准确的模拟结果。模型敏感性分析显示,温度是最为关键的模型输入。  (2)针对度日因子模型对气温数据精度和时空分辨率的要求,提出的动态整合MODIS四种过境时刻所有可用地表温度数据进行气温估算的方法,可以确定不同地温数据条件下的最优估算模型,并在模型比较时兼顾了地温数据质量的影响。利用此方法能够生成2003至2010年青藏高原1公里空间分辨率的日平均气温产品,将云遮挡造成的数据缺失率从单一地温产品的35-54%降低到目前气温产品的14%,同时将气温估算误差控制在2℃左右。  (3)在上述基础上,通过对MODIS积雪覆盖面积的分区校核与验证,使用分布式度日因子模型可以较好地完成青藏高原逐日积融雪过程的模拟,模型校核期和验证期积雪覆盖面积模拟值与卫星观测值之间的相关系数分别达到0.46-0.89和0.31-0.90。对模拟的融雪量的分析结果显示:2005~2010年间,青藏高原平均降水量约为442 mm/yr,其中降雪量为80 mm/yr,融雪量约为56 mm/yr;青藏高原的融雪量主要以春季消融为主,春季融雪量约占全年总消融量的53%;尽管降水量的总体变化趋势不明显,但升温会降低总降水中的降雪比例,进而造成融雪量的显著下降;融雪量较大的地方主要分布于青藏高原南部和东部,其分布格局基本与降水的空间分布较为一致。
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