塔里木河流域積雪時空變化及融雪徑流模擬

魏光輝，向怡衡，陳 杰,3，夏 軍,3，劉 潔，巴音達(dá)拉

(1. 新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒 841000；2. 武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢 430072；3. 武漢大學(xué) 海綿城市建設(shè)水系統(tǒng)科學(xué)湖北省重點實驗室， 武漢 430072)

塔里木河流域是中國最大的內(nèi)陸河流域，其周圍山區(qū)(如天山、東帕米爾山、喀喇昆侖山和昆侖山脈)大范圍地存在著終年積雪或者季節(jié)性冰雪覆蓋。山區(qū)的冰雪融水是塔里木河流域徑流的重要組成部分，是下游綠洲經(jīng)濟(jì)賴以生存和發(fā)展的寶貴資源。流域內(nèi)積雪面積的時空變化及融雪徑流研究對于區(qū)域水資源管理和利用具有重要的現(xiàn)實意義。

積雪監(jiān)測的傳統(tǒng)方法一般是基于氣象站的積雪數(shù)據(jù)，然而氣象站點的數(shù)據(jù)有限并且在空間的分布上較為稀疏且不均勻。近年來，衛(wèi)星遙感技術(shù)已經(jīng)成為監(jiān)測積雪變化的有效手段，其不僅可重復(fù)觀測，且觀測尺度大，時間和空間的分辨率也在逐步提高。由于MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectro-radiometer)數(shù)據(jù)可免費下載獲取(http:∥nsidc.org/data)，且時空分辨率較高、積雪分類精度高，成了近年來積雪時空變化研究中使用最廣泛的遙感數(shù)據(jù)之一[1-4]。特別是MOD10A2產(chǎn)品(MODIS的8天合成積雪產(chǎn)品)在我國西北山區(qū)的精度已得到了廣泛的驗證與應(yīng)用[5-8]。

用于模擬融雪徑流的模型主要分為物理型模型和概念型模型，其中概念型模型結(jié)構(gòu)簡單，所需數(shù)據(jù)較少，在資料相對缺乏的山區(qū)流域具有較好的適用性。SRM[9](Snowmelt Runoff Model)是一種設(shè)計用來模擬和預(yù)報山區(qū)流域徑流的概念型融雪徑流模型，在全球范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用[10-12]。該模型已經(jīng)在全球20多個國家上百個流域(面積0.76～91.74 萬km2，海拔346～7 690 m)成功通過了世界氣象組織評價測試[13]。同時，在我國西部地區(qū)流域也進(jìn)行了較好的測試與應(yīng)用[14-17]。該模型不僅可以較好地模擬流域徑流量，還可以較好的分離徑流中融雪徑流與降雨徑流的占比。

通過遙感積雪產(chǎn)品與融雪徑流模型相結(jié)合，國內(nèi)學(xué)者針對西北流域內(nèi)積雪變化特征和融雪徑流模擬已開展了較多的研究，但專門針對中國最大內(nèi)陸河流域—塔里木河流域的研究較少，特別是尚缺少專門針對塔里木河流域的冰雪融水占比研究。本論文在基于MOD10A2遙感產(chǎn)品分析塔里木河流域2001-2013年間積雪覆蓋(雪蓋)時空變化的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了葉爾羌河與玉龍喀什河流域SRM融雪徑流模型，基于徑流模擬結(jié)果，分析了融雪徑流對總徑流的相對貢獻(xiàn)。

1 研究區(qū)域

塔里木河流域位于中國新疆維吾爾自治區(qū)南部的塔里木盆地內(nèi)，處于東經(jīng)73°10′～94°05′，北緯34°55′～43°08′之間，流域總面積為102.7 萬km2。塔里木河流域遠(yuǎn)離海洋，地處中緯度歐亞大陸腹地，四周高山環(huán)繞，東部是塔克拉瑪干大沙漠，形成了干旱環(huán)境中典型的大陸性氣候[18]。塔里木干流是典型的內(nèi)陸河，其徑流量主要由源區(qū)冰川融雪補(bǔ)給。受人類活動及氣候變化等影響，目前與塔里木干流有地表水聯(lián)系的只有和田河、葉爾羌河和阿克蘇河三條源流，開都河下游的孔雀河通過揚水站從博斯騰湖抽水經(jīng)庫塔干渠向塔里木河下游灌區(qū)輸水，形成“四源一干”的格局，因此本文以“四源一干”為研究對象；同時，受流域徑流資料的限制，在進(jìn)行融雪徑流模擬時僅選擇了其子流域葉爾羌河與玉龍喀什河流域(圖1)。

圖1 塔里木河流域“四源一干”格局Fig.1 The Tarim River Basin and its 4 headwater regions 注：“四源”包括和田河(包括玉龍喀什河、喀拉喀什河兩條支流，出山口水文站分別為同古孜洛克、烏魯瓦提)、葉爾羌河(出山口水文站為卡群)和阿克蘇河(包括庫馬拉克河、托什干河兩條支流，出山口水文站分別為協(xié)合拉、沙里桂蘭克)三條源流，孔雀河向塔里木河下游灌區(qū)輸水，開都河(出山口水文站為大山口)為孔雀河上游。圖中突出顯示的子流域(葉爾羌河與玉龍喀什河)用于融雪徑流模擬。

“四源一干”氣溫年較差和日較差都很大，年平均日較差14～16 ℃，年最大日較差在25 ℃以上。多年平均年降水量為236.7 mm，蒸發(fā)能力很強(qiáng)，一般山區(qū)潛在蒸散發(fā)為800～1 200 mm，平原盆地1 600～2 200 mm?！八脑匆桓伞绷饔蛎娣e占流域總面積的35.4%，多年平均年徑流量占流域年徑流總量的64.4%，流域高程范圍為780～8 300 m。

2 數(shù)據(jù)與模型

2.1 MODIS積雪數(shù)據(jù)

MODIS數(shù)據(jù)是近年來積雪時空變化和融雪徑流模型研究中使用最廣泛的遙感數(shù)據(jù)， MOD10A1和MOD10A2為Terra衛(wèi)星的三級產(chǎn)品，分別提供了每日最大雪蓋和8 d合成雪蓋的數(shù)據(jù)，用于局部地區(qū)雪蓋監(jiān)測。MOD10A2是由每日MOD10A1的數(shù)據(jù)合成的積雪產(chǎn)品，為8 d中雪蓋的最大值，可較好的消除云層對積雪監(jiān)測的影響，其精度已得到了驗證[4]。本文下載了研究區(qū)2001-2013年的MOD10A2積雪產(chǎn)品，采用線性插值法得到逐日雪蓋面積，用于分析“四源一干”雪蓋時空變化并作為SRM的一項重要輸入變量。

2.2 水文氣象數(shù)據(jù)

流域內(nèi)的水文氣象數(shù)據(jù)是應(yīng)用SRM進(jìn)行融雪徑流模擬的必要變量。本文所使用的水文氣象數(shù)據(jù)包括葉爾羌河與玉龍喀什河流域的日均氣溫、日降水量和日均流量(用于模型的率定)。本文所用氣溫數(shù)據(jù)來自流域內(nèi)或與流域距離最近的氣象站，流域內(nèi)各高程帶的氣溫值由高程差及氣溫直減率6.5 ℃/km推算得到?？紤]到降水在空間上分布差異較大，研究區(qū)地形復(fù)雜且氣象站點稀少，本研究采用中國地面降水日值0.5°×0.5°格點數(shù)據(jù)集(CGRD)(http:∥data.cma.cn/)。該數(shù)據(jù)集基于國家氣象信息中心基礎(chǔ)資料專項最新整編的中國地面高密度臺站(2 472 個國家級氣象觀測站)的降水資料，利用ANUSPLIN軟件的薄盤樣條法進(jìn)行空間插值生成。徑流數(shù)據(jù)來源于葉爾羌河流域卡群站和玉龍喀什河流域同古孜洛克站，可獲逐日徑流數(shù)據(jù)時長分別為2005-2012年、2003-2012年，氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)時段與徑流數(shù)據(jù)保持一致(表1)。

表1 葉爾羌河、玉龍喀什河水文氣象數(shù)據(jù)信息Tab.1 Hydrometeorological data information for Yarkant and Yurukash watersheds

2.3 地形數(shù)據(jù)

進(jìn)行積雪時空分布分析時，需要流域的高程信息，本文使用由美國航空局和國防部國家測繪局聯(lián)合測量的SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) 雷達(dá)影像數(shù)據(jù)制成了數(shù)字地形高程模型DEM。該數(shù)據(jù)最大的正高程9 000 m，覆蓋全球陸地表面的80%以上，覆蓋中國全境?；赟RTM數(shù)據(jù)的“四源一干”高程帶信息見表2。

表2 “四源一干”高程帶信息Tab.2 Information of different elevation zones

2.4 SRM模型

SRM模型基本思想是計算每天冰雪消融和降水所產(chǎn)生的水量，將它們疊加到前一天的退水流量上，得到每天的日徑流量，其表達(dá)式如下：

Qn+1=[Csnan(Tn+ΔTn)Sn+CrnPn]×

(1)

本研究采用Zhang[19]等人在中國西北估算的度日因子值a=0.3，采用全球通用氣溫直減率6.5 ℃/km，K由實測流量資料計算得到，Cs、Cr在模型運行過程中需要參考流域的地形地貌、水文特征，根據(jù)經(jīng)驗、實測流量資料進(jìn)行率定。SRM在應(yīng)用時，如果研究區(qū)的垂直高度超過500 m時，需要對研究區(qū)進(jìn)行高程帶劃分，總的模擬值為各高程帶之和。

本文采用納什效率系數(shù)(NSE)和體積差(Dv)兩個指標(biāo)評價SRM率定效果，計算公式如下：

(2)

(3)

NSE介于-∞～1之間，其值越接近于1表明模擬精度越高；Dv的絕對值越小，表明模擬結(jié)果越好。

3 結(jié)果與討論

3.1 積雪覆蓋的時空變化特征

3.1.1 各高程帶積雪覆蓋的年內(nèi)變化特征

將MOD10A2積雪產(chǎn)品合成為月均值，分月統(tǒng)計了“四源一干”不同高程帶在2001-2013年間雪蓋率的年內(nèi)變化趨勢(圖2)。由圖2可知，整個高程范圍的年內(nèi)曲線呈“V”型，1月雪蓋率最大，為34.5%，2、12月雪蓋率也較高，分別為29.8%、30.0%。 4-10月雪蓋率小于25%，雪蓋率的最低值發(fā)生在七八月，分別為11.0%、12.1%。研究區(qū)雪蓋率的年內(nèi)變幅較大，主要受氣溫年內(nèi)分布的影響，11月-次年3月雪蓋率較高，主要是由于研究區(qū)秋末、冬季、早春氣溫較低，有利于積雪的發(fā)育，而夏季氣溫高，冰雪消融。

圖2 “四源一干”不同高程帶雪蓋率的年內(nèi)變化Fig.2 Monthly variation of snow coverage at different elevation zones

對不同的高程帶而言，4 500 m海拔以下的高程區(qū)占整個“四源一干”面積的85%，該范圍內(nèi)的雪蓋率在4-10月存在明顯的消融現(xiàn)象，為塔里木河“四源一干”的融雪期，這與4-10月氣溫較高有關(guān)。6 000 m海拔以上的高程區(qū)在4-10月雪蓋率增加，主要是由于該區(qū)全年低溫，而夏季降水較多，該區(qū)冬季雪蓋率較低，可能是由于山峰的風(fēng)吹雪現(xiàn)象，導(dǎo)致了雪蓋的再分布。4 500～6 000 m處于過渡的高程帶。

“四源”包含的和田河、葉爾羌河、阿克蘇河、開都河在2001-2013年間雪蓋率的年內(nèi)變化如圖3所示。阿克蘇河、開都河積雪覆蓋年內(nèi)變化曲線與整個研究區(qū)類似，大致呈“V”型；和田河、葉爾羌河積雪覆蓋年內(nèi)變化曲線表現(xiàn)為“雙峰單谷型”。雙峰為雪蓋比例的最大值，發(fā)生在3月或4月以及10月，雪蓋比例的最小值，即“單谷”，發(fā)生在7月或8月。

圖3 “四源”各子流域雪蓋率的年內(nèi)變化Fig.3 Monthly variation of snow coverage for 4 headwater regions

3.1.2 各高程帶積雪覆蓋的年際變化特征

“四源一干”不同高程帶在2001-2013年間雪蓋率的年際變化如圖4所示，13年間年均雪蓋率在18.8%～23.5%之間(平均值為21.7%)，雪蓋面積在6.9～8.7 萬km2之間，最低值發(fā)生在2007年，最高值發(fā)生在2006年。在整個研究時段內(nèi)，積雪覆蓋的年際變化呈波動下降的趨勢，但趨勢不顯著，年遞減率為210 km2/a。在不同年份，年均雪蓋率具有一定的波動，如2007年年均雪蓋率降低到18.8%，2008年又上升至23.2%；研究區(qū)積雪覆蓋出現(xiàn)兩個波峰，分別在2006年、2008年，雪蓋比例年均值均超過23%，同時在2007年、2013年雪蓋比例年均值出現(xiàn)低值，均低于20%。除7 500～8 300 m的山峰區(qū)域，其他高程帶的積雪覆蓋率隨海拔升高而增大，4 500 m海拔以上的雪蓋率在50%以上。4 500 m海拔以下的高程區(qū)雪蓋率年際變化趨勢與整個研究區(qū)相似。

圖4 “四源一干”不同高程帶雪蓋率的年際變化Fig.4 Annual variation of snow coverage at different elevation zones

“四源”包含的4個子流域在2001-2013年間雪蓋率的年際變化如圖5所示。各個子流域雪蓋率的年際變化呈現(xiàn)波動狀態(tài)，與整個研究區(qū)相似，2007年均為13年間的雪蓋率低值期。和田河、葉爾羌河、阿克蘇河、開都河多年平均雪蓋率分別為50.8%、50.5%、56.6%、47.5%，各子流域的雪蓋率均高于“四源一干”整體。

3.2 基于SRM的融雪徑流模擬

基于葉爾羌河流域2003-2012年的日徑流序列和玉龍喀什河流域2005-2012年的日徑流序列對SRM進(jìn)行參數(shù)率定，奇數(shù)年作為率定期、偶數(shù)年作為檢驗期。圖6分別展示了兩個流域在率定期、檢驗期模擬徑流與實測徑流過程線，由圖6可知，整體上模擬序列能較好地刻畫實測日徑流過程，特別是玉龍喀什河流域的模擬效果優(yōu)于葉爾羌河流域。在葉爾羌河流域，檢驗期的模擬徑流較實測值偏低，可能是由于葉爾羌河流域面積大(46 000 km2)，而流域內(nèi)僅有一個氣象站(卡群)，氣象資料代表性不夠?qū)е侣识ǖ哪Ｐ筒粔蚍€(wěn)?。煌瑫r，葉爾羌河流域降水徑流資料具有明顯的非一致性，率定期流域年均降水量為216.3 mm，年徑流深為143.6 mm；檢驗期流域年均降水量為251.7 mm，年徑流深為180.6 mm，驗證期徑流模擬較差表明SRM參數(shù)隨時間的轉(zhuǎn)移能力較差。兩個子流域在率定期的NSE均高于0.75，Dv絕對值均小于10%；在驗證期的NSE高于0.7，Dv均絕對值小于15%(表3)，說明了SRM模型具有較好的適用性。同時，表3也展示了SRM在我國西北干旱半干旱區(qū)其他部分流域的模擬結(jié)果[15，17，20-23]，通過與其他流域?qū)Ρ缺砻鱏RM在塔河流域的表現(xiàn)良好，可以進(jìn)行融雪徑流模擬。

圖5 “四源”各子流域雪蓋率的年際變化Fig.5 Annual variation of snow coverage for 4 headwater regions

圖6 葉爾羌河、玉龍喀什河率定期、檢驗期徑流過程線Fig.6 Observed and simulated daily hydrographs in calibration and validation periods for Yarkant and Yurukash watersheds

表3 SRM模型在塔里木河子流域及我國西北部分流域模擬結(jié)果Tab.3 Performance of SRM simulations in the 2 sub-watersheds of the Tarim river basin and 6 river basins in northwest China

3.3 融雪徑流和降雨徑流占比分析

基于葉爾羌河(2005-2012年)和玉龍喀什河(2003-2012年)的徑流模擬序列，從年內(nèi)、年際兩方面分析了融雪徑流對總徑流的貢獻(xiàn)率，如圖7所示。由圖7可知，冬季(12、1、2月)、春季(3、4、5月)融雪徑流占比很大，主要由于冬季基本無降雨，春季降雨也較少。6-8月降雨較多，因此融雪徑流占比較小。葉爾羌河、玉龍喀什河流域融雪徑流占比的年際變化呈現(xiàn)波動狀態(tài)，在整個模擬期內(nèi)分別以、1.0的速度緩慢上升，與流域冰雪覆蓋的緩慢下降趨勢一致，這可能與全球氣候變暖導(dǎo)致冰雪消融有關(guān)。圖8展示了兩個子流域降雨量、降雪量及降雪占降水量比例的年際變化，由圖可知年降雨量、降雪量呈波動狀態(tài)；圖8的降雪量占比與圖7的融雪徑流占比的年際變化趨勢基本一致，較大的年降雪量占比與較高的融雪徑流占比對應(yīng)。兩個子流域多年平均融雪徑流占比分別為68.6%和70.2%，進(jìn)一步表明塔里木河是典型的以融雪徑流為主的流域，降雨對徑流貢獻(xiàn)相對較小。

圖7 葉爾羌河(2005-2012年)、玉龍喀什河(2003-2012年)融雪徑流占比的年內(nèi)、年際變化Fig.7 Monthly (the upper subplots) and annual (the lower subplots) variations of snowmelt contribution for Yarkant and Yurukash watersheds

圖8 葉爾羌河(2005-2012年)、玉龍喀什河(2003-2012年)降雨量、降雪量及降雪占降水量比例的年際變化Fig.8 Annual variations of snowfall, rainfall and the ratio of snowfall to precipitation for Yarkant and Yurukash watersheds

4 結(jié) 語

本文在利用MOD10A2遙感積雪產(chǎn)品分析塔里木河“四源一干”的積雪覆蓋時空變化特征的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了SRM融雪徑流模型，模擬研究區(qū)內(nèi)葉爾羌河、玉龍喀什河流域徑流序列并分析了融雪徑流對總徑流的相對貢獻(xiàn)。得出了如下結(jié)論。

(1)塔里木河“四源一干”冬季雪蓋率較高，4-10月為融雪期，雪蓋率在七八月達(dá)最低值；研究區(qū)在2001-2013時段內(nèi)的年均雪蓋率為18.8%～23.5%(平均值為21.7%)，呈統(tǒng)計上不顯著的波動下降趨勢，年遞減率為210 km2。

(2)SRM在葉爾羌河、玉龍喀什河流域具有較好的適用性，模擬徑流的NSE值在0.7以上，Dv的絕對值在15%以內(nèi)，可以用于流域徑流模擬與氣候變化對徑流的影響評估。

(3)葉爾羌河流域和玉龍喀什河流域融雪徑流占比分別為68.6%和70.2%，進(jìn)一步表明塔里木河是典型的以融雪徑流為主的河流；融雪徑流占比的年際變化呈波動狀態(tài)，在模擬期內(nèi)分別以0.3%和1.0%每年的速度緩慢上升。

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