面向黑河上游水文模型集成的基于风吹雪动力学过程的积雪分布研究

Centering around the snow distribution problem of the integration project “The Coupling and Modeling of Eco-hydrological Process in the Upper Researches of Heihe River” and based on field observation, remote sensing retrieval, wind tunnel experiment, and model simulation, this project plans to carry out researches on snow distribution of the upper mountainous area of Heihe River using multi-scale and multi- coupling methods, to establish a snow distribution model, which takes consideration of the dynamic process of snow drift and is suitable for complex terrain and underlying surface, and to quantitatively simulate non-homogeneous turbulence field, as well as snow drift over complex surface and under complicated environment, and then to obtain the temporal and spatial variation of snow distribution of the upper mountainous area of Heihe River. The main research contents are: 1) the parametric inversion of snow distribution under complex terrain and underlying surface through improving the existing remote sensing retrieval; 2) based on experimental measurement and theoretical analysis, establish a snow distribution model and simulate the spatial and temporal distribution of snow over the Upper of Heihe River; 3) preparation the products of snow parameter oriented to the integration project.

围绕“流域计划”集成项目--“黑河流域上游生态水文过程耦合机理研究”中的积雪分布问题，本项目拟在野外观测、遥感反演、风洞实验以及模型模拟多技术手段的基础上，在黑河上游山区开展多尺度、多种方法耦合的积雪分布研究；建立适合复杂地形及下垫面条件的基于风吹雪动力学过程的积雪分布模型，实现对非均匀湍流风场、复杂地表和环境下风雪流的定量模拟，获取黑河流域上游积雪分布的时空变化。项目的主要内容为：1）改进遥感反演算法实现复杂地形、不同下垫面条件下的积雪参数获取，为风吹雪模拟提供初始数据以及验证数据；2）通过实验研究和理论分析，建立积雪分布模型，模拟黑河上游山区积雪的时空分布；3）制备面向集成项目的积雪分布产品。

黑河是我国西北地区第二大内陆河，支撑着整个河西地区的淡水资源，而上游祁连山的冰川融雪是黑河的主要水源。因此，黑河上游地区的雪水储量估算对于评估、管理以及调控河西地区的淡水资源有着重要的意义。对于高寒地区，积雪分布及其时空变化深刻地影响着当地的水文循环、气候系统和生态演变，而风吹雪过程则是准确描述积雪分布和雪水文过程的关键。本项目通过野外观测、风洞实验以及理论分析，建立了考虑水汽-温度-湿度-风速-颗粒多场相互耦合作用的风吹雪模型以及风吹雪升华模型，并考虑地形对其的影响，发展了坡面风吹雪参数化方案；在此基础上，结合基于大涡模拟和拉格朗日粒子追踪方法的降雪沉积模型，开发了一个复杂地形下基于降雪和风吹雪模拟的积雪分布预测系统。并通过改进遥感反演方法，制备了复杂地形与不同下垫面条件下的积雪面积、雪粒径产品，为积雪分布预测系统提供初和验证数据。最后结合WRF模式获取的降尺度驱动数据，开展了风吹雪重分布模型与积雪水热模型的耦合工作，并在此基础上，模拟了完整水文年的包括风吹雪过程在内的寒区水文过程，分析了风吹雪在流域尺度上对积雪重分布、升华以及融雪产流等水文过程的影响。项目研究结果表明，1）由于水汽输运，近地表的风吹雪升华会持续发生，甚至能够产生高于悬移层吹雪升华的升华总量，在风吹雪输运模型中不能忽略；2）复杂地形下的降雪具有优先沉降效应，且降雪随着大气稳定度和风速的变化，表现出不同的沉积规律；3）考虑雪颗粒与流场的耦合作用以及坡面对风吹雪输运的影响对于积雪分布的模拟评估具有更好的精度；4）对风吹雪在流域尺度上进行模拟的结果表明，高海拔处吹雪现象较为严重，风吹雪与积雪分布有着显著的相关性。项目面向黑河上游水文模型集成的需求，发展了山区的积雪分布模型，为实现黑河流域重大科学计划的总体目标提供了基础支撑，同时也提升了我国在相关领域的科研水平和国际知名度。