青藏高原冰川区气温估算及其冰川流域水文模拟适用性研究

The Tibetan Plateau (TP) is one of the most sensitive areas to global warming and the rapid glacier melting induced by temperature rise has significant influence on regional discharge. Air temperature of glacierized areas is not only an important variable for study on altitudinal dependence of climate warming, but also a key input for hydrological modeling of glacierized basins. However, due to the great difficulty in acquiring observations on glaciers, it still lacks in the knowledge of spatiotemporal varying characteristics of air temperature over glacier surface. This project plans to focus on four glaciers including Muztagh Ata in northwestern TP, Dongkemadi and Zhadang in central TP and Parlung Zangbo in southeastern TP. Based on spatially downscaled MODIS LST in combination with other variables including snow albedo, snow index, Julian day and solar zenith, a new method for air temperature estimation applicable to glacierized areas will be developed. Through comparison with the air-temperature-lapse-rate method, its feasibility for runoff modeling based on the distributed land surface hydrological model WEB-DHM in a glacierized basin will be comprehensively evaluated. Based on the air temperature data on glacier surface of 2003~2018 generated with the new method, both the altitudinal gradients and the warming rates of glacier- and non-glacier regions will be analyzed and compared. This project will help to increase the knowledge of the spatiotemporal varying characteristics of air temperature and altitudinal dependence of climate warming. It will also contribute to improving the precision of runoff modeling in glacierized basins.

青藏高原是全球气候变暖最强烈的区域之一，近年来温度升高导致的冰川消融加剧对区域径流有显著影响。冰川区气温不仅是气候变化海拔效应研究的重要变量，也是冰川流域径流模拟的关键输入。由于冰川区观测困难，目前仍缺乏对青藏高原冰川区气温时空变化特点的认识。本研究选取青藏高原西北部的慕士塔格冰川、中部的冬克玛底冰川和扎当冰川、东南部的帕隆藏布冰川为研究区，基于空间降尺度的MODIS地表温度，结合积雪反照率、积雪指数、儒略日和太阳天顶角等变量，发展适用于冰川区的气温估算方法。通过与气温递减率方法的比较，综合评价其在冬克玛底冰川流域基于分布式水文模型WEB-DHM径流模拟的适用性。基于新方法生成的2003~2018年冰川区气温数据，对比分析冰川区与非冰川区气温的海拔梯度和升温率的差异。本项目的开展将有助于增进对青藏高原冰川区气温变化特点及气候变化海拔效应的认识，并有助于提高冰川流域径流模拟精度。

气温不仅是气候变暖的最直接指示器，而且是影响青藏高原水文和生态过程的重要因素。但是，由于复杂的地形和严酷的气候条件，气温观测在青藏高原较为稀疏。这一问题在以冰川区为代表的高海拔地区尤为突出，目前仍缺乏对青藏高原冰川区和非冰川区气温时空变化特点及其差异的认识。本项目首先在青藏高原四个典型冰川区，基于MODIS地表温度(LST)发展了适用于冰川区的气温估算方法。接着，为了获得长时间序列的无缺失高分辨率气温数据，本项目一方面提出了基于MODIS LST估算气温递减率（TLR）的新方法，另一方面综合使用地面观测和Landsat-8影像为青藏高原重新确定了新的雪冰指数阈值，进而对8种主流再分析气温产品进行空间降尺度，结合遥感积雪日数等辅助变量，使用机器学习模型进行整合，生成青藏高原1公里分辨率1980-2014日平均气温产品。本项目还选取卡鲁雄曲典型冰川流域，将基于MODIS LST估算的TLR与基于周边站点观测计算的TLR分别输入到分布式水文模型J2000径流模拟中，进一步评价新方法在冰川流域水文模拟中的适用性。最后，基于新方法生成的35年气温数据，对比分析冰川区与非冰川区升温率的差异。结果表明：气温-LST关系在冰面和非冰面显著不同，而本项目建立的冰面气温估算方程在冰川区比基于非冰川区站点的TLR方法精度更高；基于MODIS LST估算的TLR在青藏高原可以获得相对较高的气温插值精度；受复杂地形导致的强烈尺度效应影响，遥感积雪产品在青藏高原的精度较低，且TERRA积雪产品最优雪冰指数阈值（0.29）要远低于全球参考值（0.4）；相比于基于站点观测得到的TLR，新TLR估算方法有效提高了卡鲁雄曲冰川流域的径流模拟精度，表现出较好的适用性；青藏高原冰川区的升温率要显著低于非冰川区。本项目的开展将有助于增进对青藏高原高海拔地区气温变化特点的认识，并有助于提高青藏高原无观测流域径流模拟精度。