Knowledge Resource Center for Ecological Environment in Arid Area
| 高寒山区小流域积雪空间分布观测与模拟 | |
| 其他题名 | Observation and Simulation of Snow Spatial Distribution in a High and Cold Mountainous Watershed |
| 刘俊峰 | |
| 出版年 | 2011 |
| 学位类型 | 博士 |
| 导师 | 丁永建 |
| 学位授予单位 | 中国科学院大学 |
| 中文摘要 | 积雪作为一种特殊的下垫面，以高反射率、低导热率以及融雪水文效应对地球能量和辐射平衡以及水分循环产生深刻的影响。相关研究表明，积雪的多寡与气候变化有很大的关系，对气候变化十分敏感，全球变化引起积雪量、面积和持续时间的改变最终招致积雪地区水资源量与河川径流季节分配的变化。中国寒区积雪广布，其中青藏高原作为我国多数大江大河以及干旱与半干旱区地表水资源的发源地，同时作为气候变化的敏感区，和重要的生态屏障区。由于遥感数据可靠性较差、台站资料的稀缺性和分布不均，以青藏高原为主题的积雪相关研究结论存在一定的差异，有些结论甚至相反，进而造成积雪水文、生态、水资源效应以及对气候变化的响应等研究存在很大的不确定性。\n鉴于流域尺度的积雪研究能够解决积雪时空部分及其演化机制，同时能回答积雪水文生态效应等问题，而目前国内在流域尺度的积雪系统观测和模拟研究极度缺乏。所以本文在分析和研究我国大范围积雪时空分布特征的基础上，选择青藏高原东北部祁连山高寒复杂山区小流域开展了系统的积雪观测试验。利用SNORFORK、雪深探头、雨雪量计、相机等仪器设备，从点、线、面三种尺度获取雪深、密度、含水量、雪盖面积等信息,观测内容包括：\n点尺度：降雪量（雨雪量计，人工观测）；雪深（雪深探头、直尺）；密度（SNOWFORK、电子称）；含水量（SNOWFORK）；雪温（HOBO）；升华量（Lysimeter、电子称）；\n线尺度：雪深（流域东西两支测线）；密度（东西两支测线）；\n面尺度：积雪空间分布及面积（相机摄影测量）；\n充分考虑复杂地形下的太阳辐射和风吹雪动力过程，建立能量平衡模型，模拟小流域尺度积雪时空分布演化过程。利用相机摄影测量方法获取积雪空间分布及面积信息作为模型主要的验证数据，以此认识不同坡度坡向积雪时空分布演化机制和流域水文生态效应。最终为认识大范围积雪时空分布演化机制、水文生态效应以及对气候变化的响应等问题奠定一定的基础。从基本数据观测试验到新方法的应用以及论文核心部分，包括积雪模型的编写及模拟，总结本文小流域尺度积雪水文观测模拟研究的主要结论和创新点包括：\n（1）小流域降雪量、雪密度、雪厚度、雪温观测\n小流域观测试验表明，带有防风圈的雨雪量器能提高20%的降雪观测值，口径大小对降雪观测影响不大；积雪厚度随海拔增加呈增加趋势；积雪密度观测表明新雪密度一般小于0.1g/cm3，经过数日密实或风吹雪堆积后，密度介于0.1~0.25 g/cm3。对比观测试验表明，SNOWFORK测得的积雪密度值小于称重法结果；高海拔区三号点附近雪温及雪层厚度同步观测试验表明，进入3月中旬后，雪层内部温度逐步上升，到4月下旬积雪表层开始消融，而且雪层温度在消融季节并非只有表层维持在0oC，而是雪层自上而下不断有升温的趋势，一旦达到0 oC后，雪层很好的保温效果和不断下渗的表层融水很好的保证了雪层内部维持在0oC。2010年3~4月末未曾观测到融雪径流，这与马粪沟积雪、降雪量较少有直接的关系。\n（2）积雪相机摄影测量及雪盖自动提取\n利用摄影测量方法，获取小范围、高精度、实时积雪空间分布信息。通过正射投影制图提取积雪面积。摄影测量误差分析表明：利用共线方程求解得到的摄影中心与实测摄影中心有误差。单张正射积雪制图在X轴和Y轴方向分别有较大的位移，其中边缘误差明显大于中心误差。分析表明，这些误差是由于高程数据精度不高、摄影距离较远、摄影倾角很大造成。对于积雪信息自动提取研究表明，积雪覆盖区RGB之和分布范围大于无积雪覆盖RGB之和的分布，在非灌丛覆盖区利用RGB之和阈值法可以很好的区分积雪与裸地，分类精度达到98%。但灌丛覆盖区积雪的判定较为困难。\n（3）风吹雪动力过程\n盛行风向下的马粪沟流域积雪积累率空间参数化表明，风吹雪积累区主要集中在坡度突变区产生涡流的地方，这些积累区主要集中在高海拔区北坡，积累系数通常在1.5~3.5之间。\n（4）辐射模拟\n从模型各个能量输入输出项的验证结果来看，复杂地形下的总辐射模拟值与观测结果拟合R2达到0.9以上，模拟的向上及向下长波辐射与观测结果基本吻合。\n（5）点面雪深模拟与实测对比\n单点模拟雪深与观测雪深基本吻合，特别是两次大的积雪过程模拟效果很好，但雪层较薄时或进入雨雪交替的5月模拟结果较差。小流域积雪空间分布模拟表明，未调参时阳坡一号点模拟雪深与实测雪深有很好的一致性，但小阳沟流域内部模拟消融过程明显快于实际消融。由于这种差异主要体现在阴坡灌丛覆盖区，所以通过对灌丛覆盖区积雪反照率调整后，模拟积雪演化过程与通过摄影测量获取的积雪空间演化过程相对之前有所改善。但提取的模拟积雪面积和雪深与实际观测的积雪面积和雪深仍有一定的差异。这种差异主要位于小阳沟流域阴坡草地覆盖区的积雪消融模拟快于实际的消融。初步分析可能与地温的空间参数化方案不合理有一定的关系。\n 本论文在流域尺度的积雪观测和模拟方面仅仅处于初期阶段，目前并未解决积雪的时空演化机制、水文和生态效应。但在参数化方面很好的解决了复杂地形的总辐射计算和风吹雪动力过程。在后续的研究工作中将不断充实观测数据、完善和调整模型结构，以期解决马粪沟小流域乃至整个黑河山区和大范围积雪演化机制和水文效应等问题。 |
| 英文摘要 | High reflectivity and low conductivity of heat makes snow as one of the special land cover. All of its special characteristics and hydrological effects deeply affect energy and radiation balance, also affects water circulation on global scale. The past studies show that snow is very sensitive to climate change. In cold region of China, snow widely distributed. As the cradle of big rivers, Tibetan Plateau is very sensitive to climate change, and is thought as the Green shelters region. Because of the scarcity, reliability and difference of observation data and remote sensing data in Tibetan Plateau, the results of past studies about snow mass, area and change trend are different or even contrary. All of these made the effects of snow on hydrology, ecology, water resource and climate changes are highly unreliable. |
| 中文关键词 | MODIS ; 积雪日数 ; 积雪消融模型 ; 风吹雪 ; 马粪沟流域 |
| 英文关键词 | MODIS snow covered days snow melt model blowing snow Mafengou watershed |
| 语种 | 中文 |
| 国家 | 中国 |
| 来源学科分类 | 自然地理学 |
| 来源机构 | 中国科学院西北生态环境资源研究院 |
| 资源类型 | 学位论文 |
| 条目标识符 | http://119.78.100.177/qdio/handle/2XILL650/286957 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 刘俊峰. 高寒山区小流域积雪空间分布观测与模拟[D]. 中国科学院大学,2011. |
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