黄河源区积雪和融雪径流模拟及其对气候变化的响应

This study aims to discuss the historical (1981-2010) and future (2021-2050) climate influences on snow (Snow cover, Snow duration, Snow water equivalent et al.) and snowmelt runoff (Snowmelt duration, Peak time of snowmelt runoff, Snow runoff amount et al.) in the upper Yellow River basin using the meteorological observations, satellite snow products, land surface hydrological model with physical snow modular (WEB-DHM-S) and Global Climate Models (GCMs). Because most of hydrological models lack of the physical descriptions for frozen soil hydro-thermal process and there exist data scale mismatch gap during the one-way coupling between GCMs output and hydrological models, this study (1) would couple the hydro-thermal processes of snow and frozen soil in the land surface hydrological model: WEB-DHM-S, to improve the simulation accuracy for snowmelt runoff; (2)A multivariable and multisite stochastic downscaling model would be constructed to downscale the GCMs outputs to meteorological station scale to meet the demand of land surface hydrological models. This project proposed could not only deepen our knowledge for the interact mechanism between snow, frozen soil and land surface hydrological process, but also provide us scientific basis for water resource management, disaster prevention and eco-environmental protection under the changing climate in the upper Yellow River Basin.

本研究拟采用分布式陆面水文模型（WEB-DHM-S）、气候模式、地面积雪观测和遥感积雪产品相结合的手段探讨黄河源区过去(1981-2010)和未来（2021-2050）气候变化对积雪（积雪面积、积雪时间和雪水当量等）和融雪径流（融雪径流时间，峰值出现时间和融雪径流量等）的影响。针对目前大多数水文模型缺乏对积雪冻土水热耦合机制的物理描述以及陆面水文模型与气候模式离线模拟过程中存在数据空间尺度不匹配问题等不足，本研究将（1）在WEB-DHM-S模型的物理积雪模块基础上耦合冻土水热过程，改善模型对积雪和融雪径流的模拟精度；（2）构建多变量多站点随机降尺度模型，将气候模式输出的格点数据降尺度到站点尺度，作为陆面水文模型的输入。本项目的开展将有助于深入认识积雪、冻土与陆面水文过程的相互作用机制，并能够为气候变化背景下黄河源区水资源管理、灾害预警和生态环境保护提供科学依据。

雪是高寒山区水资源的重要组成部分，对气候变化十分敏感。黄河源区位于青藏高原东部，是我国母亲河-黄河的水源地。深入理解气候变化背景下黄河源区水循环演变机制，特别是雪水文过程对流域暖湿化的响应机制，对黄河流域的水资源安全具有重要意义。本研究在多圈层生物圈水文模型WEB-DHM（Water and Energy Budget-based Distributed Hydrological Model）基础上，通过耦合SSiB3模型中的三层水热平衡积雪模块和简化冻土水热传输模型构建了黄河源区WEB-DHM-SF模型。通过WEB-DHM-SF与ISI-MIP气候模型输出数据离线模拟的方式，预估了不同温室气体排放情境下气候暖湿化对黄河源区雪水文过程的影响。研究表明：（1）构建的WEB-DHM-SF陆面水文模型在黄河源区径流和雪水文过程模拟过程中取得了较好的精度（月径流模拟NSE达到0.82）；（2）在流域暖湿化背景下，黄河源区1996-2025年间降雪/降水比例逐渐减少，融雪径流和总径流量有所增加，特别是在流域中部、东部和南部地区；（3）从1996-2005, 2006-2015到2016-2025年，流域十年平均月雪深和雪水当量逐渐减少；（4）敏感性分析表明流域每升温1oC, 流域雪深和雪水当量分别减少32.92%和77.69（RCP4.5情景）以及19.26%和73.51（RCP8.5情景）。同时在两种温室气体排放情境下，融雪径流占总径流的比例分别减少9.29%和6.60%。气候模型和偏差校正方法的不确定性会导致模型模拟相关变量的绝对数值存在一定的误差，但不同气候模型和不同温室气体排放情景下模拟的雪水文过程对气候变化的响应（变化和敏感性）具有高度的一致性。项目组按计划完成了全部工作，研究成果在Journal of Geophysical Research -Atmosphere, Journal of Hydrology, Journal of Hydrometeorology, Hydrology and Earth System Sciences等地学和水文学期刊杂志发表，相关结论能够为高山区及其下游流域水资源管理、环境保护和气候变化应对提供科学依据和参考