西北内陆苏干湖流域冰川变化规律及对径流影响研究

论文摘要

近年来,水资源严重短缺逐渐成为了中国西北地区绿洲系统维持和发展的制约因素。与地球上其它干旱区不同,西北干旱内陆河流域分布有众多山系,对水汽起到阻隔和抬升作用,使得山区降水较为充足,并孕育了丰富的冰川、积雪和冻土等,成为山区河川径流的重要来源。据调查,20世纪60年代初西北干旱区发育冰川数量、面积和储量均占全国冰川相应量的40%以上,主要分布于昆仑山、天山、祁连山等山系,而内陆河流域年冰川融水量高达全国冰川融水量的3 9%。近半世纪以来,西北内陆干旱区气温上升显著,加剧了山区冰川的消融和退缩,影响了流域水文循环要素的转化,从而改变了水资源的组成结构及年内分配,加剧了水资源的不稳定性,也将进一步突出干旱区水资源与生产力分布空间不匹配的特性,使得该区域水资源供需矛盾愈加尖锐。因此,对西北干旱内陆区产汇流中各水文分量之间的转换和变化过程的把握,尤其是气候变化下冰川消融对径流情势的影响研究显得尤为迫切。位于祁连山的西部的苏干湖流域,是丝绸之路的重要通道,研究区内冰川发育较多,冰川面积和冰储量占据祁连山冰川总量比例较高,可作为西北内陆河冰川研究的典型区域。本研究以苏干湖流域为研究区,利用遥感和气象水文实测数据,结合常规的数理统计方法、遥感技术和地理信息系统分析技术,监测了该流域1989-2016年来冰川变化格局,并分析了冰川对气候和地形因子变化的响应关系,基于考虑冰川融水过程的WEP-L（Water and Energy transfer Process in Large river basins）分布式水文模型深刻揭示了在气候变化背景下以冰川融水补给为主的山区径流情势变化,并基于前人在IPCC报告基础上对全国气候模式的预估结果,预测了未来气候情景下山区冰川及各径流组分的变化趋势。本文的主要研究内容及成果如下:（1）基于Land sat遥感影像利用波段比值阈值法提取1989-2016年苏干湖流域共计十期的冰川面积分布结果,通过参考冰川编目分条规则进行冰川的条目划分,并采用冰川面积-储量经验公式分别计算单条冰川储量。研究结果表明,1989年来,冰川面积显著消融,退缩率约为-1.61km2/a（-0.5%/a）,年际冰川退缩速率呈加速缩减趋势;面积较小的冰川（<0.1km2）呈逐渐消失的态势。（2）根据实测气象数据进行气候因子的地形修正,并分别分析了研究区、冰川区及各气象站点冰川消融期（7-8月份）平均气温和年均降水变化与冰川面积变化之间的相关性,比较结果显示,气温的升高是苏干湖流域冰川退缩的主导因素,而冰川变化对降水变化的敏感性相对较低。冰川区的冰川消融期平均气温和冰川面积之间的线性决定系数（R2）略大于整个苏干湖流域消融期平均气温和冰川面积之间的决定系数,而各气象站的温度和冰川面积之间的决定系数差异很大。（3）通过数字高程数据（DEM）提取研究区包括高程、坡度和坡向在内的地形指数,分析了冰川特征随地形条件变化的分布规律。研究结果认为,冰川随地形因子分布具有较好的变化特征,冰川面积集中分布在4900-5200m海拔区间内,且在5000-5100m范围内冰川分布最多,并逐渐向两边递减;在不同的高程带内,随着海拔的升高,冰川面积的减少率在逐渐减少。此外,就冰川面积分布而言,西北坡向的冰川面积与冰川数量比值远远大于东北坡向,从而说明了西北坡向利于较大冰川的发育,这得益于西风环流和西南季风影响下的水汽输送,但其冰川面积的退缩速度小于偏南坡。冰川面积分布随坡度的增加先增加后减小,在1-20°坡度之间最为适合冰川发育。冰川面积与气温在各海拔区域之间存在较强的负线性相关性,并可建立较好的回归模型。不同海拔区冰川面积的退缩主要取决于气温的升高,而退缩的速度则受海拔的影响。（4）基于考虑山区冰川融水过程的分布式水循环模型（WEP-L）能够很好地模拟该流域山区2000-2016年出山口径流和降水、融冰、融雪产流变化规律及未来径流演变规律。得到如下结论:WEP-L模型能够较好地描述苏干湖流域山区水循环过程,现状条件下（2000-2016年）,模拟的苏干湖流域山区多年平均径流为48.03nm,径流组分中融冰产流占23%,融雪产流占29%,降雨产流占48%。2000年以来,山区地表径流量呈不显著的上升趋势,径流年均变化率约为0.01 8mm/a,主要归因于该时期降水量增加补给及气温升高使得冰川融水量增加所引起的。此外,遥感监测的冰川面积、中国第二次冰川编目（Second Chinese Glacier Inventory,SCGI）数据以及模型模拟的冰川储量结果显示,三者数据对比具有较高的一致性。（5）基于不同高程带及冰川区7-8月平均气温与相应冰川面积数据建立的回归模型用以未来冰川面积预测,参考前人在IPCC报告基础上对全国未来气候的预估结果,以1989-2016年为基准期,分别对2041-2070年和2071-2100年冰川面积进行预测,预测结果显示,未来冰川面积将持续退缩,分高程带预测的冰川面积消融量将略小于整个冰川区变化量。在径流预测方面,以现状年2000-2016年为基准期,采用WEP-L模型,对未来2041-2070年和2071-2100年设置三种不同的气候情景,山区径流量预测结果显示:当未来增加气温1.4℃时,径流量减少6.2%;当未来增加气温2.5℃时,径流量减少10.2%;气温增加导致了研究区冰川融水有所增加,而部分降雪转化为降雨,使得融雪产流减小,降雨产流增大,且气温越高径流减少量越多。同时考虑气温与降水量的增加,山区径流量未来变化情势较为复杂。未来降水增加5%,温度上升1.4℃时,将会减少径流量2.7%;未来降水增加8%,温度上升2.5℃时,将会减少径流量2.8%左右。整体而言,径流量对气温的响应相较降水更为强烈。暖湿化趋势下,未来径流量的下降主要归因于气温升高影响下融冰产流的增加难以抵消积雪量及融雪产流的持续减少、蒸散发的加大。未来融冰产流和降雨产流有持续的增加趋势,但降水产流整体减少;融冰产流和降雨产流对苏干湖流域山区径流的贡献率在逐渐增加。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 研究目的和意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 冰川变化规律研究进展

1.2.2 冰川对径流变化影响研究

1.2.3 国内外研究现状评析

1.3 研究内容及技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

第二章研究区概况与数据说明

2.1 研究区域概况

2.1.1 地理位置

2.1.2 气候特征

2.1.3 河流和冰川分布

2.2 数据的搜集

2.2.1 遥感影像数据

2.2.2 模型所需数据

2.3 本章小结

第三章基于遥感的冰川变化特征分析

3.1 研究方法

3.1.1 冰川面积提取方法

3.1.2 冰川分条方法

3.1.3 冰川储量计算方法

3.1.4 变化趋势的时间序列分析法

3.2 冰川变化研究的结果与分析

3.3 本章小结

第四章气候与地形影响下冰川变化规律分析

4.1 冰川变化对气候变化的响应

4.1.1 研究区气象数据处理

4.1.2 冰川区气温和降水变化趋势

4.1.3 冰川面积与气象因子的相关关系

4.1.4 不同温度带内冰川面积和覆盖率的分布特征

4.2 地形因子对冰川分布变化的影响分析

4.2.1 冰川面积随海拔、坡度和坡向的分布特征

4.2.2 分高程带的冰川面积与气温相关关系

4.3 基于回归关系的未来气候情景下冰川变化预估

4.4 本章小结

第五章考虑冰川融水过程的分布式水循环模型模拟

5.1 模型结构

5.2 模型原理

5.2.1 水循环系统各要素过程的模拟

5.2.2 能量循环过程的模拟

5.3 模型构建

5.3.1 计算单元划分

5.3.2 气象要素的时空展布

5.4 模型模拟与验证

5.4.1 基本参数率定

5.4.2 模型模拟结果评价方法

5.4.3 冰川参数的率定和验证

5.4.4 模型模拟的率定和验证

5.5 基于WEP-L模型的流域山区历史径流模拟分析

5.6 基于WEP-L模型的流域山区未来径流情景分析

5.7 本章小结

第六章结论与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 韩宁

导师: 周祖昊

关键词: 西北内陆,苏干湖流域,冰川变化,径流组分,气候变化,遥感,分布式水文模型

来源: 中国水利水电科学研究院

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地球物理学,地球物理学

单位: 中国水利水电科学研究院

分类号: P343.6;P333.1

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