水文模型追蹤青藏高原東北部流域融雪水文過程

山區積雪是全球水循環過程中的關鍵要素之一，其特殊的物理特性對土壤凍融循環、流域水文過程、植被物候、農田灌溉和水力發電等方面具有重要影響。作為天然的固體水庫，積雪是中高緯度地帶和高海拔山區水資源的重要組成部分，為全球約1/6人口提供日常飲水。然而，氣候變暖背景下，全球積雪覆蓋面積及其累積和消融動態過程發生顯著改變。因此，準確量化積雪變化對水文過程的影響是應對氣候變化潛在風險、加強當地水資源管理的必要前提。鑒于現有的水文模型大多不含有水源路徑追蹤算法，即缺少了從產流至流域出口處的輸送路徑，僅能根據模型模擬的降雪量、融雪量、降水量和徑流量等指標間接估算融雪的徑流貢獻，無法反映融雪在每個水文環節中的參與程度。此外，變暖背景下積雪變化和水庫調節對流域水資源的協同效應研究尚存在空白。

針對上述科學問題，中科院青藏高原所環境變化與多圈層過程團隊蘭措研究員等通過在基于物理過程的高分辨率分布式水文模型DHSVM (Distributed Hydrology Soil Vegetation Model) 中，耦合融雪路徑追蹤算法和水庫調節模塊，結合野外監測、積雪遙感資料、水庫運行數據和氣象水文站點數據，從徑流、積雪覆蓋率、水庫變量、土壤含水量等方面檢驗模型的模擬效果，揭示并預估了青海祁連山南坡北川河流域的積雪動態變化及其水文效應。

圖1 研究區地形與野外觀測點實拍

研究結果表明：1）1965年至2019年間，北川河流域積雪覆蓋率在月尺度和年尺度上均顯著下降；相較降水和風速，氣溫是影響積雪覆蓋率變化的最主要因素。2）年尺度上，積雪對土壤水和徑流的貢獻率也呈顯著下降趨勢，深層土壤水和下游河道徑流的下降速率相對較緩。月尺度上，深層土壤水的融雪貢獻率變化幅度較窄，其峰值的出現時間晚于淺層土壤融雪貢獻率；河道徑流的融雪貢獻率在年內呈雙峰型分布。3）水庫調節雖然對月徑流量起到明顯的“削峰填谷”作用，但對下游徑流的融雪貢獻率影響較小(<2%)。4）隨著積雪的雪深持續下降，未來流域出口處年徑流量將減少8%左右，特別是春季徑流量的下降顯著，需要關注。現有的水庫調節無法緩解這種下降趨勢，亟需制定新的方案應對水資源短缺風險。

圖2 歷史和未來條件下流域出口處徑流對比 (a,b)、有無水庫調節下徑流融雪貢獻率對比(c)和流域積雪覆蓋率對比(d,e)

作者進一步分析發現，以往研究常用的間接指數法忽視了融雪在下滲和蒸散發等過程中的損失，往往高估了徑流的融雪貢獻率。入射輻射，尤其是入射長波輻射，是積雪累積消融過程的關鍵驅動，建議未來加強對高海拔地區入射輻射的觀測。

上述研究結果以“Tracking snowmelt during hydrological surface processes using a distributed hydrological model in a mesoscale basin on the Tibetan Plateau”為題，發表在水文學期刊《Journal of Hydrology》，我所蘭措研究員為通訊作者。本研究獲得第二次青藏高原綜合科學考察研究(2019QZKK0203)、中國科學院A類戰略性先導科技專項(XDA20060202)和國家自然科學基金(41571067)的資助。