喀依尔特斯河流域上游分布式融雪模拟及对径流贡献的分析

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额尔齐斯河是我国新疆水资源最为丰富的两条大河之一。流域上游位于阿尔泰山区,由于该区域秋冬季节降雪量大且冷季漫长,春季积雪融水是该流域重要的补给水源。近几十年来,全球变化已成为不争的事实,气候变化引起的积雪变化不仅影响到流域下游的工农业生产,而且融雪引发的洪水灾害将会影响到区域居民的生命财产安全。因此,准确的积雪预报对该区域水资源开发以及地质灾害预报都具有重要的指导意义。然而由于该区域的观测数据缺乏,目前在该区域开展积雪水文方面的研究还比较少。针对以上背景,本研究选取了额尔齐斯河上游支流喀依尔特斯河流域上游作为研究区,利用WRF气候模式和基于物理过程的降尺度方法制备了适合于研究区的气象驱动数据,并利用UEB和Noah-MP模型对研究区的积雪积累和消融过程进行了模拟,最后根据模型计算的地表产流量估计了研究区融雪对年径流量的贡献。得出的主要结论如下:  (1)通过分析研究区内库威观测站的气象数据,发现研究区每年有两个降水高峰期,一个位于夏季的6~8月,另一个位于秋冬的10~12月,秋冬季节的降水是该区域积雪的主要物质来源。通过分析MODIS积雪覆盖度数据,发现研究区每年的9月份积雪开始积累,到来年的6月份积雪全部消融。积雪的积累最早出现在河流上游的高海拔地区,最早开始消融的区域位于低海拔的河谷地区。  (2)利用WRF模型和Utah大学发展的基于物理过程的降尺度方法(MSDH方法),在研究区制备出了500m×500m分辨率的气象驱动数据。通过与实际观测数据的对比,表明本研究给出的研究区降水、气温(R2=0.93)、向下长波辐射(R2=0.55)、向下短波辐射(R2=0.7)驱动数据有很高的可信度。针对风速驱动与实际观测值偏高的问题,本研究加入对WRF模型加入了Jimenez次网格参数化方案进行了改进,经过改进后的风速基本能够反映研究区的实际状况。  (3)选用了基于物质能量平衡的单层积雪模型、UEB积雪模型和Noah-MP陆面模型对库威站的积雪积累和消融过程进行了单点模拟。结果表明,基于物质能量平衡的单层积雪模型和Noah-MP模型对积雪的积累和消融过程模拟的效果最好,UEB模型虽然能够准确地模拟出积雪的消融过程,但是在积累期模拟的雪水当量与观测值的最大偏差在10mm左右。  (4)利用本研究制备的气象驱动数据以及基于遥感产品反演的静态数据,我们分别利用UEB和Noah-MP模型对研究区积雪的积累和消融过程进行了分布式模拟,并把模拟出的区域积雪覆盖度与MODIS积雪覆盖度产品进行了对比。结果表明,Noah-MP的模拟效果要明显好于UEB。针对Noah-MP在积雪积累期对积雪覆盖度模拟偏高的问题,我们加入了风吹雪参数化方案,结果表明模拟的效果有了明显的改进。  (5)通过Noah-MP模拟的融雪期格点上的地表产流量,我们对研究区的融雪产流量进行了计算。结果表明,喀依尔特斯河流域上游2013年春季融雪的产流量为1.53×108m3,融雪产流量对流域年径流量的贡献在13.6%左右。
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