CN106295194B - 一种基于流域水量平衡原理的冰川蓄变量评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于流域水量平衡原理的冰川蓄变量评估方法，包括以下步骤：（1）选取冰川所在的流域，以水文站控制断面为流域出口；（2）分别获取一定时期内所述流域范围内的降水量、蒸发量、及土壤水蓄变量；（3）获取一定时期内所述流域出口水文站点监测的流量过程，并统计产流量；（4）根据所述降水量、蒸发量、土壤水蓄变量及产流量，依据流域水量平衡原理，计算得到所述流域内冰川的蓄变量，本发明根据流域水量平衡原理，可估算出流域内冰川蓄变量，可定量描述冰川退缩或扩张的程度，对研究气候变化、干旱区水资源补给、生态保障等具有重要意义，为水资源的管理和合理利用以及防灾减灾提供科学依据。
Description
技术领域
本发明属于遥感数据获取和水文水资源学领域，涉及一种基于流域水量平衡原理的冰川蓄变量评估方法。
背景技术
在全球气候变暖的大背景下，冰川的消融加速对海平面上升、全球水循环、人类生命财产安全等均有重要影响。冰川对区域环境变化反应敏感，因此其被认为是气候变化的指示器。研究冰川变化的关键在于冰川对气候变化的响应，冰川体积变化作为冰川研究的一项重要内容，越来越被学者重视。
在目前的研究工作中，关于冰川变化主要集中于冰川面积和体积的研究，主要方法包括传统测量法、经验公式法、冰川地形测量法、遥感监测法，这些方法对于获取冰川体积有很大的帮助，但结果的精确性和可靠性需要进一步的提高。实际上对于冰川体积的研究，学者们不仅应该关注其存储量的多少，即“存量”，更应该关心冰川蓄变量的多少，即“通量”。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于流域水量平衡原理的冰川蓄变量评估方法，该方法正是针对冰川“通量”的研究而提出，同时在推算冰川蓄变量的过程中运用流域水量平衡原理，其中，各水分要素的获取均采用多种方法进行相互校验的方式，以提高数据的精确性和可靠性，从而为冰川蓄变量的评估提供更好的保障。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于流域水量平衡原理的冰川蓄变量评估方法，包括以下步骤，
步骤1：选取冰川所在的流域，以水文站控制断面为流域出口；
步骤2：分别获取一定时期内所述流域范围内的降水量、蒸发量及土壤水蓄变量；
步骤3：获取一定时期内所述流域出口水文站点监测的流量过程，并统计产流量；
步骤4：根据所述降水量、蒸发量、土壤水蓄变量及产流量，依据流域水量平衡原理，计算得到所述流域内冰川的蓄变量。
本发明的有益效果是：利用空间单元为流域，降水量、蒸发量、土壤水蓄变量及产流量的获取采用多方法的校验方式，包括模型与实测、遥感与实测相互验证等，同时在推算冰川蓄变量的过程中运用流域水量平衡原理，以提高数据的精确性和可靠性，可定量描述冰川退缩或扩张的程度，对研究气候变化、干旱区水资源补给、生态保障等具有重要意义，为水资源的管理和合理利用以及防灾减灾提供科学依据。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述步骤2中的降水量通过实测站点数据与卫星面上数据相互校验的方式获得。
采用上述进一步方案的有益效果是，利用实测站点数据对卫星面上数据进行修正，得到更加精确的流域数据。
进一步，所述实测站点数据由气象站监测数据获得；所述卫星数据包含TRMM、GSMaP、GPCP和CMORPH数据。
进一步，所述校验方式为利用实测站点数据对卫星面上数据采用线性回归方法进行修正。
进一步，所述步骤2中的蒸发量通过气象站的监测数据与遥感的蒸发模型估算的数据进行相互校验的方式获得。
采用上述进一步方案的有益效果是，利用监测数据对蒸发模型估算的数据进行修正，得到更加精确的流域数据。
进一步，所述校验方式为利用气象站的监测数据对蒸发模型估算的数据采用最小二乘法与回归法进行修正。
进一步，所述遥感为NOAA/AVHRR和Landsat，所述蒸发模型为SEBAL模型，其SEBAL模型采用如下公式：
Rn＝λ·ET+G+H
式中，Rn为净辐射能量，G为土壤热通量，H为感热通量，这三个参数分别通过遥感数据的VIS、NIR、TIR波段反演得到，λ为水的汽化潜热，可通过汽化潜热查询表查询得到，ET为蒸发量。
进一步，所述步骤2中的土壤水蓄变量通过遥感反演数据和分布式水文模拟的方式得到。
采用上述进一步方案的有益效果是，利用监测数据对分布式水文模拟的数据进行修正，得到更加精确的流域数据。
进一步，所述分布式水文模拟采用WEP模型,其核心算法是采用Green-Ampt模型，其公式如下：
I＝(θs-θi)Zf
式中，I为土壤水累积入渗量，θs为土壤饱和含水率，θi为土壤初始含水率，Zf为湿润峰深度。
进一步，所述步骤4中计算得到所述流域内冰川的蓄变量的具体步骤为：采用下面公式计算得到：
ΔVg＝(P-E-ΔVs-ΔVu-Q)/k
其中，ΔVg为冰川蓄变量，正为增加，负为减少；P为降水量；E为蒸发量；ΔVs为土壤水蓄变量，正为增加，负为减少；ΔVu为地下水蓄变量，正为增加，负为减少，冰川地区地下水变化小甚至没有变化，因此蓄变量ΔVu以0计；Q为流域产流量；k为相态转换系数，冰的密度为0.9g/cm3，k一般取0.9。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为本发明方法原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1、图2所示，本发明旨在提供一种基于流域水量平衡原理的冰川蓄变量评估方法，从流域水量平衡的角度来进行计算，为研究冰川体积变化提供一些思路和参考，同时可以为区域气候变化和水资源演变的研究提供支撑，该方法特征在于利用流域水量平衡原理，空间单元为流域，方法上各要素过程的求取采用多方法校验的方式，包括模型与实测、遥感与实测相互验证等，发明内容包括以下步骤：
步骤1：选取冰川所在的流域，以水文站控制断面为流域出口；
步骤:2：获取一定时期内流域范围的面上降水量P，，降水数据的获取主要通过实测与卫星数据相互校验的方式，其中实测数据可由气象站监测数据(中国气象科学数据共享服务网)获得卫星数据包含TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)(ftp://disc2.nascom.nasa.gov/data/)、GSMaP(Global Satellite Mapping of Precipitation)(http://sharaku.eorc.jaxa.jp/GSMaP_crest/index.html)、GPCP(GlobalPrecipitation Climatology Project)(ftp://ftp.cpc.ncep.noaa.gov/precip/GPCP_PEN_RT/data/)、CMORPH(Climate Prediction Center Morphing Technique)(ftp://ftp.cpc.ncep.noaa.gov/precip/global_CMORPH)等数据，均可由互联网免费获取，括号内的网址为数据获取网址。利用实测站点数据对卫星面上数据进行修正，修正方法采用线性回归方法，得到更加精确的流域面上数据；
获取一定时期内流域的蒸发量E，蒸发数据的获取可通过气象站的监测数据(中国气象科学数据共享服务网)中得到，同时目前也可用一些遥感如NOAA/AVHRR和Landsat的数据蒸发模型，如SEBAL模型来估算，进行相互校验，所述校验方式为利用气象站的监测数据对蒸发模型估算的数据采用最小二乘法与回归法进行修正；其中SEBAL模型公式如下：
Rn＝λ·ET+G+H
式中，Rn为净辐射能量，G为土壤热通量，H为感热通量，这三个参数可通过遥感数据(NOAA/AVHRR和Landsat)的VIS/NIR/TIR波段反演得到，λ为水的汽化潜热，可通过汽化潜热查询表查询得到，ET为蒸发量。
获取一定时期内流域的土壤水蓄变量ΔVs，主要通过遥感反演数据和分布式水文模拟(如WEP模型等)的方式得到，其中遥感反演的土壤水数据可从可从NASA戈达地球科学与信息服务中心(GES DISC)(http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/)或者美国冰雪数据中心(NSIDC)(ftp://n5eil01u.ecs.nsidc.org/SAN/AMSA/AE_Land3.002/)下载，WEP模型可输出给定时间内的土壤含水量，其核心算法是采用了Green-Ampt模型，公式如下：
I＝(θs-θi)Zf
式中，I为土壤水累积入渗量，θs为土壤饱和含水率，θi为土壤初始含水率，Zf为湿润峰深度；
步骤3：获取一定时期内流域出口水文站点监测的流量过程，并统计产流量Q，可通过查阅相关水文年鉴得到；
步骤4：根据所述降水量P、蒸发量E、土壤水蓄变量ΔVs及产流量Q，依据流域水量平衡原理，计算得到所述流域内冰川的蓄变量，其具体步骤为：采用下面公式计算得到：
ΔVg＝(P-E-ΔVs-ΔVu-Q)/k
其中，ΔVg为冰川蓄变量，正为增加，负为减少；P为降水量；E为蒸发量；ΔVs为土壤水蓄变量，正为增加，负为减少；ΔVu为地下水蓄变量，正为增加，负为减少，冰川地区地下水变化小甚至没有变化，因此蓄变量ΔVu以0计；Q为流域产流量；k为相态转换系数，冰的密度为0.9g/cm3，k一般取0.9。
本发明的工作原理：山地冰川所在流域水量平衡一般包括降水、蒸发水、土壤水、冰川融水、产流量、地下水等要素，本发明采用多方法的校验方式获取除冰川融水外其他各要素的水量来估算冰川融水的蓄变量，其中降水量通过实测和卫星反演数据进行相互校验得到；蒸发水量通过实测与遥感模型相结合的方法获取；土壤水蓄变量采用遥感反演数据和分布式水文模拟的方式得到；产流量通过统计水文控制站点的实测径流获得；山地冰川地区地下水多数出露为基流，地下水量几乎没有变化，因此地下水对冰川蓄变量的估算影响微小，于是根据流域水量平衡原理，可估算出流域内冰川融水蓄变量，再通过液态—固态转换系数得到冰川蓄变量的体积变化。
本发明提供一种估算山地冰川蓄变量的估算方法，可定量描述冰川退缩或扩张的程度，对研究气候变化、干旱区水资源补给、生态保障等具有重要意义，为水资源的管理和合理利用以及防灾减灾提供科学依据。
本发明可广泛应用于中低纬度山地冰川的体积变化研究，特别适用于我国青藏高原地区的冰川演变评价。
实施例1
选取我国青藏高原的某一冰川为例，说明其在近10年的冰川蓄变量估算过程。
步骤1：结合DEM数据与水文站点位置，运用GIS技术提取该冰川所在的流域范围，流域出口设定为水文站点所在位置；
步骤2：依据流域范围提取范围内及附近气象站点所在位置及编号，同时通过中国气象科学数据共享服务网下载各站点近10年来逐日降水资料，，其次获取TRMM卫星近10年降水资料并进行初步处理得到流域范围内近10年来逐日降水格点数据，TRMM卫星数据可通过网站(ftp://disc2.nascom.nasa.gov/data/)免费下载获得；利用站点观测资料对卫星降水数据进行线性回归分析，将得到的线性参数运用于TRMM栅格数据的修正，获得修正后的流域面上逐日降水数据，累加得到近10年来流域总降水量P，同时可为后续建立水文模型提供基础数据；
依据提取的气象站点及编号，通过中国气象科学数据共享服务网下载获得所有站点近10年来的蒸发数据，插值得到流域面上逐日蒸发量，如有卫星遥感数据支撑，可选用遥感蒸发模型SEBAL计算流域蒸发量，与站点数据相互校验，所述校验方式为利用气象站的监测数据对蒸发模型估算的数据采用最小二乘法与回归法进行修正，最终得到流域近10年来的总蒸发量E，同时为后续建立水文模型提供基础数据；
准备流域内建立水文模型的基础数据，建立水文模型并率定，通过模型输出该流域范围内近10年来的土壤水蓄变量ΔVs，同时从美国冰雪数据中心(NSIDC)(ftp://n5eil01u.ecs.nsidc.org/SAN/AMSA/AE_Land3.002/)下载近些年的土壤水遥感数据，与模型输出的土壤水含量进行验证；
步骤3：查阅相关水文年鉴，获取流域出口水文站点近10年来的监测流量过程，统计得到近10年来的总产流量Q，同时为后续建立水文模型提供基础数据；
步骤4：根据流域水量平衡原理将所述步骤2和步骤3中分别获得的降水量P、蒸发量E、土壤水蓄变量ΔVs及产流量Q带入冰川的蓄变量公式中，推算出所述流域内冰川的蓄变量。公式如下：
ΔVg＝(P-E-ΔVs-ΔVu-Q)/k
其中，ΔVg为冰川蓄变量，正为增加，负为减少；P为降水量；E为蒸发量；ΔVs为土壤水蓄变量，正为增加，负为减少；ΔVu为地下水蓄变量，正为增加，负为减少，冰川地区地下水变化小甚至没有变化，因此蓄变量ΔVu以0计；Q为流域产流量；k为相态转换系数，冰的密度为0.9g/cm3，k一般取0.9。
以上对本发明所提供的一种基于流域水量平衡原理的冰川蓄变量评估方法进行了详尽介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，对本发明的变更和改进将是可能的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种基于流域水量平衡原理的冰川蓄变量评估方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤1：选取冰川所在的流域，以水文站控制断面为流域出口；
步骤2：分别获取一定时期内所述流域范围内的降水量、蒸发量及土壤水蓄变量；
所述降水量通过实测站点数据与卫星面上数据相互校验的方式获得；所述实测站点数据由气象站监测数据获得；所述卫星面上数据包含TRMM、GSMaP、GPCP和CMORPH数据；所述校验方式为利用实测站点数据对卫星面上数据采用线性回归方法进行修正；
所述蒸发量通过气象站的监测数据与遥感的蒸发模型估算的数据进行相互校验的方式获得；所述校验方式为利用气象站的监测数据对蒸发模型估算的数据采用最小二乘法与回归法进行修正；所述遥感为NOAA/AVHRR和Landsat，所述蒸发模型为SEBAL模型，其SEBAL模型采用公式如下：
Rn＝λ·ET+G+H
式中：Rn为净辐射能量，G为土壤热通量，H为感热通量，这三个参数分别通过遥感数据的VIS、NIR、TIR波段反演得到，λ为水的汽化潜热，可通过汽化潜热查询表查询得到，ET为蒸发量；
所述土壤水蓄变量通过遥感反演数据和分布式水文模拟的方式得到；所述分布式水文模拟采用WEP模型,其核心算法是采用Green-Ampt模型，其公式如下：
I＝(θs-θi)Zf
式中，I为土壤水累积入渗量，θs为土壤饱和含水率，θi为土壤初始含水率，Zf为湿润峰深度；
步骤3：获取一定时期内所述流域出口水文站点监测的流量过程，并统计产流量；
步骤4：根据所述降水量、蒸发量、土壤水蓄变量及产流量，依据流域水量平衡原理，计算得到所述流域内冰川的蓄变量；
所述计算得到所述流域内冰川的蓄变量的具体步骤为：采用下面公式计算得到：
△Vg＝(P-E-△Vs-△Vu-Q)/k
其中，△Vg为为冰川蓄变量，正为增加，负为减少；P为降水量；E为蒸发量；△Vs为土壤水蓄变量，正为增加，负为减少；△Vu为地下水蓄变量，正为增加，负为减少，冰川地区地下水变化小甚至没有变化，因此蓄变量△Vu以0计；Q为流域产流量；k为相态转换系数，冰的密度为0.9g/cm3，k取0.9。
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