长江源区水文过程模拟及其变化归因

• 作 者: 齐嘉
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院大学
• 发表日期: 2019年期
• 关键词: 长江源区

青藏高原是“亚洲水塔”，孕育了亚洲众多的大江大河，为沿途及下游地区的生态系统和人类生活提供了重要的水源;青藏高原又素有“第三极”之称，拥有面积广阔的冰冻圈。在全球气候变化背景下，青藏高原有明显的增温趋势，冰冻圈活动加剧，冰冻圈的变化对区域和全球的水热过程都有重要的影响，也深刻影响着高原流域水文过程。长江源区是中国第一大河的源头区域，为中、下游地区提供了重要的水资源。近几十年来，长江源区气候变化剧烈，是青藏高原增温最为显著的地区之一。长江源区有面积广阔的积雪和冻土，在气候变化背景下，冰冻圈的变化对该流域径流有显著的影响。水文模型是研究流域水文过程的重要手段，在水文模型中耦合考虑积雪、冻土等冰冻圈物理过程，对于准确模拟及合理再现冰冻圈影响下的高寒流域水文过程，以及合理评估和利用水资源，具有重要的意义。基于水量能量平衡的多圈层分布式水文模型WEB-DHM-SF耦合了三层积雪模块和冻土过程模块，以焓代替温度来表征水的相变，减少了计算的不稳定，并且能够物理性地考虑太阳辐射在雪层中的衰减，以及土壤水的相态转化。本研究选择青藏高原上典型的高寒流域长江源区作为研究区域，以WEB-DHM-SF模型为主要研究工具，旨在基于水文模拟合理再现气候变化背景下长江源区水文过程，评估历史时段长江源区水资源时空变化特征以及解析径流变化的影响因素，并预估未来水资源变化。
　　本研究依托WEB-DHM-SF模型，建立了长江源区流域水文模型，依据1981-1985年直门达站径流率定了模型水热参数，并利用多源时空数据在1981-2016年对模型进行了综合验证。结果表明，模型很好地模拟了长期的流域出口径流变化，在流域尺度上准确地再现了陆面温度、积雪深度的时空变化，在单点尺度上也合理描述了土壤温湿度廓线。同时通过对比试验和敏感性分析分别验证了耦合三层积雪模块和冻土过程模块对模拟结果的改进。三层积雪模块考虑了能量在雪层中的衰减，改进了模型的积雪物理过程，在暖季因消融而产生的融雪径流更少。冻土物理过程考虑了冷暖交替时土壤水的相态转化，可以再现土壤各层含水量在消融期和冻结期阶梯式的变化，优化了流域出口径流的季节分配。
　　基于合理可靠的模拟结果，分析了1981-2016年长江源区水资源的时空变化，以及气候变化、冰冻圈变化、植被变化对径流的影响，并借助气候模式数据产品预估了不同气候变化情景（RCP2.6和RCP8.5）下2021-2040年水资源的变化特征。研究表明:①在过去的36年间，长江源区降水、蒸散发都呈显著增加趋势，径流不显著增加且2000年后增速更快。②降水是影响径流的主导因素，平均增速为2.66mm/年;降水增加也导致蒸散发增加，蒸散发平均增速为1.69mm/年;在降水和蒸散发等的共同影响下，出口径流也有所增加，增速为0.56mm/年。③冰冻圈要素中，冰川消融对径流贡献较小，仅占总径流的2.3％;积雪消融约占总径流的23％，融雪径流量有不显著的减少，其贡献率也不显著下降;土壤冻融主要影响径流的季节分配，冻土退化的趋势并未显著影响径流的长期变化。④植被条件趋好，植被蒸腾和冠层截留蒸发增大，土壤表层蒸发和地表截留蒸发减少，导致总蒸散发增大以及径流减少。⑤未来气候变化情景下，2021-2040年长江源区径流将持续缓慢增长，在RCP8.5情景下增速更快。