【类型】期刊

【作者】李晶，刘时银，韩海东，张勇，王建，魏俊锋（中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室）

【作者单位】中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室

【刊名】气候变化研究进展

【关键词】 天山；度日因子；融雪径流模型(SRM)；科其喀尔冰川；气候变化

【资助项】...；中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX2-YW-GJ04)；中国科学院寒区旱区环境与工程研究所人才成长基金项目“冰川流域冷季风吹雪过程及其对积雪分布的影响”

【ISSN号】1673-1719

【页码】P41-47

【年份】2019

【期号】第5期

【期刊卷】1;|7;|8

【摘要】天山冰雪融水是塔里木河的重要补给水源。利用融雪径流模型(SRM)对天山南坡科其喀尔冰川流域冰雪径流进行模拟研究。基于流域的气象梯度观测,确定了不同高度带降水梯度和月气温直减率。基于2007和2008年的实测径流值优化确定了各月的积雪、裸冰以及表碛覆盖冰的度日因子值。模拟结果表明,融雪和融冰径流过程都得到了比较好的模拟。流域径流对气候变化的响应研究表明,气温是敏感因子。气温分别升高1℃、2℃和4℃时,以融雪径流为主的3—5月径流分别增加48%、155%和224%,以冰川径流为主的5—10月径流分别增加30%、77%和104%。气候变化也会影响流域径流过程,气温升高4℃、降水增加20%时,春季径流峰值出现时间由5月中旬提前到4月20日左右。流量由6 m3/s增大到17 m3/s。

【全文】 文献传递

天山托木尔峰南坡科其喀尔冰川流域径流模拟

李 晶，刘时银，韩海东，张 勇，王 建，魏俊锋

中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冰冻圈科学国家重点实验室，兰州 730000

摘 要：天山冰雪融水是塔里木河的重要补给水源。利用融雪径流模型（SRM）对天山南坡科其喀尔冰川流域冰雪径流进行模拟研究。基于流域的气象梯度观测，确定了不同高度带降水梯度和月气温直减率。基于2007和2008年的实测径流值优化确定了各月的积雪、裸冰以及表碛覆盖冰的度日因子值。模拟结果表明，融雪和融冰径流过程都得到了比较好的模拟。流域径流对气候变化的响应研究表明，气温是敏感因子。气温分别升高1℃、2℃和4℃时，以融雪径流为主的3—5月径流分别增加48%、155%和224%，以冰川径流为主的5—10月径流分别增加30%、77%和104%。气候变化也会影响流域径流过程，气温升高4℃、降水增加20%时，春季径流峰值出现时间由5月中旬提前到4月20日左右。流量由6 m3/s增大到17 m3/s。

关键词：天山；度日因子；融雪径流模型（SRM）；科其喀尔冰川；气候变化

李晶, 刘时银, 韩海东, 等. 天山托木尔峰南坡科其喀尔冰川流域径流模拟 [J]. 气候变化研究进展, 2012, 8 (5): 350-356

引 言

我国最大的内流河——塔里木河的显著特点是高山冰雪带为水资源的形成区，中下游河段为水资源的耗散区。高山冰雪径流是十分宝贵的淡水资源，是绿洲经济的命脉，其变化与出山径流丰枯变化、冰雪洪水灾害等密切相关。尤其是在我国西北干旱区气候向暖湿转型的背景下[1]，认识和评估山区冰雪径流显得更为紧迫和重要。

根据冰雪消融计算方法的差异可将冰雪径流模拟模型分为两类，一类是能量平衡模型，一类是度日因子模型。能量平衡模型以消融过程取决于能量

收支状况为基本思想，比较精确地计算各能量项,模型物理意义明确，但模型涉及的参数较多，需要有比较详细的观测，在偏远的缺少观测数据的高海拔山区难以应用。度日因子模型以度日因子模拟消融过程，概念明确，计算相对简单,适合观测资料缺乏的地区。融雪径流模型（SRM）被认为是当前模拟和预报山区流域冰雪径流最重要的水文模型。该模型已在25个国家的80多个不同流域得到应用，结果都比较理想。该模型在我国西北山区流域的应用研究也已经开展，在天山巩乃斯河流域[2]、开都河流域[3]、祁连山黑河流域[4]有过应用，结果都比较好。然而，尽管上述研究流域内也发育有冰川，但均未详细考虑冰川的径流过程。已有的估算表明，冰川融水在塔里木河主要源流区出山径流中所占的比例在40%以上，其中渭干河高达85%[5]。可见，认识冰川融水的变化是评估河川径流的必要前提。为了用该模型模拟冰川径流，选择位于天山托木尔峰南坡的科其喀尔冰川流域开展SRM模型的应用研究。利用该流域观测项目齐全、持续时间长的优势，重点研究模型在冰川流域应用时关键参数值的确定，为将SRM模型推广应用到有冰川分布的大流域奠定基础。

1 研究区概况

科其喀尔冰川流域位于西天山托木尔峰南坡，是库玛拉克河源区之一，属塔里木河流域（图1）。流域海拔2960～6342 m，面积117 km2。流域内的科其喀尔冰川面积94 km2，占流域面积的80%。流域下垫面类型包括粒雪、裸冰、表碛覆盖冰、裸露基岩、草地及积雪。冰川区3700 m以上是裸冰和粒雪，3700 m以下基本被表碛覆盖，表碛区面积为22 km2。非冰川区3300 m以上为裸露基岩，3300 m以下为草地。科其喀尔冰川属于大陆性冰川，净辐射提供冰川表面能量收入的80%以上[6]。受局地环流影响，暖季流域对流型降水时有发生，且降水多出现在白天的午后[7]。流域所在的托木尔峰地区降水主要来自大西洋和北冰洋的水汽，春季和夏季降水较多，秋冬两季降水量相对较少[8]137-140。

自2004年春季开始在流域布设了比较完整的气象水文梯度观测系统。流域内有3个长期的气象观测站点，分别是冰川末端附近海拔3000 m处人工气象观测场，冰川上海拔3700 m和4200 m处的2个自动气象站（图1）。冰川末端有水文断面进行径流观测。2004年10月至2005年5月在人工气象场附近区域进行了积雪密度的测量，同时沿积雪调查路线进行了积雪深度、密度、积雪水当量的空间分布调查（图1）。结果表明，裸露山坡的积雪在3月份基本消融完毕。测量结果显示，流域积雪的密度变化不大，基本保持在0.25～3.0 g/cm3。

2 SRM模型

SRM融雪径流模型是Martinec[9]于20世纪70年代提出来的概念性分布式水文模型。该模型最突出的特点是提出了概化的径流计算公式，其基本思想是计算每天消融和降水所产生的水量，将它们叠加到前一日计算的退水流量上，得到日径流量。具体的计算公式如下:

式中：Q为平均日流量（m3/s）；cs为融雪径流系数；cR为降雨径流系数； a为度日因子(cm/(℃·d))；T为度日数（℃·d)； ∆T为根据温度直减率在不同高程进行温度插值后度日数的修正值（℃·d)，S为分带流域雪盖面积百分比；P为降水（cm)；A为流域或分带面积（km2）；k为衰退系数；n为模拟流量连续计算的天数；10000/86400是径流量到径流深的换算系数。当流域的垂直高度差＞500 m时，对流域进行分带，总的模拟值为各个分带之和。

模型效果采用两个常用的精度分析指标进行评价，即拟合优度系数（Nash-Sutchliffe系数，R2）和体积差（Dv)。R2值越接近1，Dv值越接近0，表明模拟效果越好。

式中：Qi为实测的日径流量；Qi′为模拟得到的日径流量；Q—为模拟得到的整个融雪期的平均径流量；n为模拟融雪期的天数。

式中VR为模拟期的实际径流量，VR′为相对应的模拟的径流量。

3 流域径流模拟

3.1 流域特征参数

流域分带面积和面积中值高程是SRM模型运行必需的流域特征参数。该模型以高程带的方式来离散流域。科其喀尔冰川流域海拔跨度大，且消融下垫面有表碛覆盖冰和裸冰两种类型。4000 m以下区域主要是表碛覆盖冰，以上区域为裸冰。将流域按照500 m间隔划分高度带（表1）可以较好地保证消融下垫面类型的一致性。

3.2 主要参变量确定

(1) 气温垂直递减率。尽管流域有3个气温观测点，但仍然不够，需要利用气温垂直递减率来外推气温。大多数研究使用自由大气的气温垂直递减率0.65℃/100m，但这在冰川流域很多时候并不适用。由于海拔3700 m左右是比较明显的表碛覆盖冰和裸冰的分界线，因此，分3000～3700 m和3700 m以上两个高程带计算月平均气温直减率（图2）。不同月份以及不同高程带之间的气温递减率差别较大。3700～4200 m高程带2—10月的气温直减率大于自由大气的气温直减率。这主要是由该高程带内下垫面类型的变化造成的，高程带内3900 m以下为表碛覆盖冰，3900 m以上为裸露白冰和积雪。在消融强烈的8月气温直减率达到最大值，为1.01℃/100m。3000～3700 m高程带各月的气温直减率波动变化，起伏明显：2月最小，为0.43℃/100m；7月最大，为0.96℃/100m。值得提出的是，冰川区的气温直减率随空间和时间变化显著，因此，布设比较合理的气温梯度观测才能获得比较准确的空间气温数据。

(2) 流域降水及其分布。影响流域降水的主要是西风环流，它带来了大西洋和北冰洋的潮湿气流。天山高大山体对气流的抬升作用使得山区的降水比平原和盆地要丰富得多。在临近的台兰河流域的观测研究表明，托木尔峰地区存在两大降水带，第一大降水带在2550 m左右，第二大降水带在3200 m以上。为了能比较准确地获得流域内降水的分布特征，在3000 m、3700 m和4200 m处分别设立了降水观测点，3处的年降水量分别为669.4 mm、566.0 mm和830.0 mm。可见从3000 m到3700 m降水减少，降水梯度为-14.8 mm/100m；从3700 m到4200 m降水增加，降水梯度为52.8 mm/100m。4200 m以上降水量与4200 m一致。

(3) 冰雪覆盖率。利用目前广泛应用的MODIS积雪数据产品制作各高度带的积雪覆盖变化曲线，是目前认识流域积雪覆盖变化比较通行的方法。MODIS积雪数据产品是根据冰雪在可见光和近红外的反射差异，使用归一化积雪覆盖指数计算得到的。本研究使用的是500 m空间分辨率的MOD10A2积雪覆盖率数据产品。该产品经过8 d最大化合成，去除了云的影响。叠加积雪影像图和流域分带图，统计流域以及各高程带中积雪像元的个数及其所占面积的比例，从而得到流域以及流域各带的冰雪覆盖率，进而得到其变化过程（图3）。

(4) 降雨贡献面积和临界气温。参考天山巩乃斯河流域[2]、开都河流域[3]的研究结果和流域气候背景，将6—9月流域降雨贡献面积设为1，10—5月为0。降雨临界气温一般随着气温的升高而降低，6—9月流域降雨临界气温为0.25℃，10—5月为3℃。

(5) 退水系数。精确的退水系数可根据流域的径流数据计算得到。退水系数的计算公式[10]如下：

式中k为退水系数，Q为日均流量，c和b是根据Qn和Qn+1的双对数散点图确定的两个常数。

模型应用研究表明，模型的径流系数和度日因子值是比较敏感的参数，一般受气候背景和流域特征的影响。本文将径流系数和度日因子值作为率定参数，利用实测径流对这两类参数进行人工率定。

3.3 参数率定和径流模拟

冰雪的径流系数略小于1。因为冰雪的蒸发/升华部分相对融化来说比例较小。研究表明，雪面蒸发/升华与消融量的比值为0.09[6]，冰面为0.07[8]130，表碛覆盖冰为0.10[11]。因此，雪面径流系数为0.91，冰面为0.93，表碛覆盖冰为0.90。

根据研究，雪的度日因子变化范围为3.0～6.0 mm/（℃·d），流域裸冰及表碛覆盖冰的度日因子变化范围为2.0～10.0 mm/(℃·d)[12]。准确判断积雪消融时段和冰川消融时段是度日因子值优化调整的前提条件，本文采用如下方法来区分积雪消融时段和冰川消融时段。选择冰川裸冰区占整个流域面积的比例58.5%为阈值，当流域冰雪覆盖率基本等于该值时，认为上一个积累期以来的积雪消融完毕；此日期以前的时段为积雪消融时段，根据雪的度日因子进行优化；此日期以后的时段为冰川消融时段，根据冰的度日因子值调整优化。根据流域的冰雪覆盖率变化过程（图3），2007年的融雪时段到5月23日结束，2008年的融雪时段持续到6月2日。选择2007年和2008年为率定期，根据已确定的参变量、融雪和融冰时段和实测径流，率定了积雪、裸冰以及表碛覆盖冰的度日因子值（表2）。可见，积雪度日因子值变化较小，为3.0～3.5 mm/(℃·d)；裸冰度日因子值变化较大，为5.5～11.5 mm/(℃·d)；表碛覆盖冰度日因子值也较稳定，为4.5～6.5 mm/(℃·d)。图4和图5分别是率定期2007年和2008年模拟径流和实测径流的对比。

对流域2005年和2006年的径流进行模拟。利用Nash-Sutchliffe系数（R2）和体积差（Dv）对模拟结果进行评价。结果表明，2005年R2值为0.93，Dv值为3.5；2006年R2值为0.88，Dv值为2.5。与在25个国家80多个流域的平均模拟精度（R2=0.84，Dv=3.8）相比，SRM模型对科其喀尔冰川流域的模拟达到了比较好的精度。

从具体的模拟过程上看，在主要为融雪的2005年（图6a），6月2日之前的积雪衰退过程在产生的多个径流峰值处都得到了比较好的模拟。而在主要为冰川消融的2006年，模拟与实测径流的高低值对应较好（图6b），模型较好地模拟了冰川径流过程。总的来说，SRM模型在有冰川覆盖且下垫面多样的科其喀尔冰川流域得到了成功应用。

3.4 流域径流对气候变化的响应

为了获得流域当前的气候变化背景以便研究流域径流对气候变化的响应，以距离流域最近的有较长观测记录的海拔1103 m处的阿克苏气象站为基准站，将该站的气象数据外推到科其喀尔冰川流域。为合理地递推气温，计算了阿克苏气象站与流域海拔3000 m处气象站间的气温直减率。根据各月的气温直减率，获得了流域海拔3000 m处30年平均的气温。同样，计算了阿克苏气象站与流域末端3000 m处高程区间的降水梯度，该值为49.8 mm/100m。通过空间推广，获得了驱动模型的流域当前气候背景数据。

利用气候和积雪覆盖率数据，驱动模型模拟当前和多种不同气候变化背景下的流域径流过程。对比各种气候变化下的径流数值（表3）可见，单独的降水变化对流域径流的影响较小，降水增加20%，3—5月径流只增加了2.4%，5—10月径流增加了1.3%。而气温分别升高1℃、2℃和4℃时，以融雪径流为主的 3—5月径流分别增加48%、155%和224%，以冰川径流为主的5—10月径流分别增加30%、77%和104%。可见，气温是影响流域径流变化的敏感因子。而且，流域4月份径流对气候变化最为敏感。原因分析表明，4月份流域气温已达到0℃以上，且积雪覆盖率大，气温和降水都会对流域径流增加产生显著影响。

为了合理地模拟气候变化对流域融雪径流的影响，需确定气温升高对流域积雪衰退过程的影响。以MODIS积雪覆盖率产品计算的2001—2008年平均的冰雪覆盖率变化过程代表目前气候背景下流域积雪的衰退过程，根据模型手册提供的方法[10]，计算了气温升高后的积雪衰退变化。图7给出气温升高4℃后各高程带的积雪衰退变化过程。

从过程来看，气候变暖及增湿条件下，春季融雪径流峰值出现时间明显提前，而且径流峰值升高显著（图8）。当前气候变化背景下流域的融雪径流峰值最早出现于5月中旬，在气温升高4℃、降水增加20%的气候背景下，融雪径流峰值在4月20日左右出现。5月中旬的峰值径流量由6 m3/s增大到17 m3/s。冰川径流的峰值也由14 m3/s增大到28 m3/s。

4 结 论

(1) 以2007和2008年为率定期，优化确定了各月积雪、裸冰以及表碛覆盖冰的度日因子值。积雪度日因子值变化较小，为3.0～3.5 mm/(℃·d)；裸冰度日因子值变化较大，为5.5～11.5 mm/(℃·d)；表碛覆盖冰度日因子值也比较稳定，为4.5～6.5 mm/(℃·d)。2005年和2006年模拟结果表明，SRM模型在科其喀尔冰川流域应用效果较好，融雪径流和冰川径流过程都得到了较好的模拟。说明模型参数值的确定是合理的，模型可以用于冰川流域径流模拟。

(2) 气候变化响应研究表明，对于科其喀尔冰川流域，气温是径流变化的敏感因子。气温分别升高1℃、2℃和4℃时，以融雪径流为主的3—5月径流分别增加48%、155%和224%，以冰川径流为主的5—10月径流分别增加30%、77%和104%。气候变化也会影响流域径流过程，气温升高4℃、降水增加20%时，春季径流峰值出现时间由5月中旬提前到4月20日左右。流量由6 m3/s增大到17 m3/s。

参考文献

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Evaluation of Runoff from Koxkar Glacier Basin,
Tianshan Mountains, China

Li Jing, Liu Shiyin, Han Haidong, Zhang Yong, Wang Jian, Wei Junfeng
State Key Laboratory of Cryosphere Science, Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China

Abstract: Glacier and snowmelt water are precious resource for inland district in Northwest China.This paper applied the snowmelt runoff model (SRM) in the Koxkar glacier basin, southwestern Tianshan Mountains in China. Based on the field observation and MODIS snow cover product over the research basin, the parameters of the SRM were determined. The degree-day factor is very sensitive and important in the model, therefore this parameter was calibrated monthly by the runoff data in 2007 and 2008. For 2005 and 2006, the model result is acceptable compared with SRM model results applied in 80 catchments for 25 countries. Hence the model is suitable for the glacier cover basin. The response sensitivity of basin runoff to climate change has been done. Temperature is the control factor. Under the climate background of 1℃, 2℃ and 4℃ temperature rising, the runoff of Mar.-May increases by 48%, 155% and 224% respectively, and the runoff of May-Oct. increases by 30%, 77% and 104%. The runoff process of the basin also changes under the increasing temperature of 4℃and precipitation of 20%, the peak time of snowmelt runoff shifts from middle May to late April, and the peak of snowmelt runoff increases from 6 m3/s to 17 m3/s, and the peak of glacier runoff increases from 14 m3/s to 28 m3/s.

Key words: Tianshan Mountains; degree-day factor; snowmelt runoff model (SRM); Keqicar Glacier; climate change

book=5,ebook=134

doi:10.3969/j.issn.1673-1719.2012.05.006

收稿日期：2012-02-21;

修回日期：2012-08-16

资助项目：科技部国际合作项目（2010DFA92720-23）；中国科学院知识创新工程重要方向项目（KZCX2-YW-GJ04）；中国科学院寒区旱区环境与工程研究所人才成长基金项目“冰川流域冷季风吹雪过程及其对积雪分布的影响”

作者简介：李晶，男，助理研究员，从事冰雪径流模拟研究，jingli@lzb.ac.cn