CN110147620B

CN110147620B - 一种冰冻圈水文过程分析方法及系统

Info

Publication number: CN110147620B
Application number: CN201910433397.6A
Authority: CN
Inventors: 韩春坛; 陈仁升; 阳勇; 刘国华; 宋耀选; 刘俊峰; 刘章文
Original assignee: Northwest Institute of Eco Environment and Resources of CAS
Current assignee: Northwest Institute of Eco Environment and Resources of CAS
Priority date: 2019-05-23
Filing date: 2019-05-23
Publication date: 2021-12-10
Anticipated expiration: 2039-05-23
Also published as: CN110147620A

Abstract

本发明提供一种冰冻圈水文过程分析方法及系统，涉及冰冻圈科学技术领域。冰冻圈水文过程分析方法包括：获取冰冻圈流域不同下垫面的水文特征参数，水文特征参数包括：控制参数、地理坐标、气象、冰川、植被和土壤的数据；根据控制参数数据分析其他数据得到冰冻圈流域的对应的信息；根据分析得到的信息输出冰冻圈流域的水文过程。本发明独特的分析了气候数据对冰冻圈水文过程的影响，以及植被数据和冰冻圈水文过程的产流、入渗和蒸散发。气候变化对冰冻圈评估带来的不确定性，植被数据和冰冻圈水文过程的产流、入渗和蒸散发可以为冰冻圈流域的水情变化和径流过程提供依据。因此，本发明通过多因素全面的分析，能对冰冻圈的水文过程进行全面的评估。

Description

一种冰冻圈水文过程分析方法及系统

技术领域

本发明涉及冰冻圈科学技术领域，具体而言，涉及一种冰冻圈水文过程分析方法及系统。

背景技术

冰冻圈包括冰川、冻土、积雪、固态降水、海冰、河冰、湖冰等，主要分布于高纬度两极地区，在中、低纬度高山、高原也广泛存在。冰冻圈的水资源状态主要是以固态为主，由于冰冻圈的固态水相变引起的冻结过程和消融过程是冰冻圈水文过程的主体，进而影响海洋、河流水文过程及大气水分循环过程，所以对冰冻圈水文过程的分析对整个水循环的研究有着重要意义。

现有技术中，冰冻圈水文过程的分析主要是通过分布式水文模型进行简单的描述，从而进行对融雪、冰川径流等预报工作，然后对冰川水文的过程。

但是，现有技术中，多数分布式水文模型通过考虑基于度日因子的冰川、积雪消融过程，没有考虑冰川运动及汇流过程等。完全包含冰冻圈要素的较少，并且忽略了与水文过程相伴的物理、化学、生物过程，也没有包含冻土水热耦合过程及其对流域产流、入渗、蒸散发和汇流的过程的模型，因此，通过这些模型得到的冰冻圈的数据比较单一，所以不能全面评估冰冻圈的水文过程。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种冰冻圈水文过程分析方法及系统，通过全面考虑冰冻圈的物理、化学、生物过程，并且对冻土水热耦合过程及其对流域产流、入渗、蒸散发和汇流的过程也有相关分析，从而达到对冰冻圈的水文过程进行全面的评估。

为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种冰冻圈水文过程分析方法，所述方法包括：

获取冰冻圈流域不同下垫面的水文特征参数，其中，所述水文特征参数包括：控制参数数据、地理坐标数据、气象数据、冰川数据、植被数据和土壤数据；

根据所述控制参数数据分析所述地理坐标数据、所述气象数据、所述冰川数据、所述植被数据和所述土壤数据得到所述冰冻圈流域的坐标信息、气象信息、冰川信息、植被信息和产流信息；

根据所述分析模块得到的坐标信息、气象信息、冰川信息、植被信息和产流信息输出所述冰冻圈流域的水文过程。

一种实施方式中，所述方法还包括：根据所述地理坐标数据得到多年冻土下限，根据所述多年冻土下限确认所述冰冻圈流域的冻土分布状况。

一种实施方式中，获取预设时刻的积雪消融数据得到冰冻圈流域的融雪径流量。

一种实施方式中，获取冰冻圈流域的河道长度和坡度得到所述冰冻圈流域中多个单元格的汇流时间。

一种实施方式中，通过纳什效率确定系数、平衡误差和解释方程对输出冰冻圈流域的水文过程检验。

第二方面，本发明实施例还提供了一种冰冻圈水文过程分析系统，包括：输入模块、分析模块和输出模块；

所述输入模块用于获取冰冻圈流域不同下垫面的水文特征参数，其中，所述水文特征参数包括：控制参数数据、地理坐标数据、气象数据、冰川数据、植被数据和土壤数据；

所述分析模块包括：坐标转换模块、气象插值模块、冰川模块、植被截留模块和产流模块，其中，所述坐标转换模块用于根据所述控制参数数据通过所述坐标转换模块分析所述地理坐标数据得到所述冰冻圈流域的坐标信息，所述气象插值模块根据所述控制参数数据通过所述气象插值模块分析所述气象数据得到所述冰冻圈流域的气象信息，所述冰川模块根据所述控制参数数据通过所述冰川模块分析所述冰川数据得到所述冰冻圈流域的冰川信息，所述植被截留模块根据所述控制参数数据通过所述植被截留模块分析所述植被数据得到所述冰冻圈流域的植被信息，所述产流模块根据所述控制参数数据通过所述产流模块分析所述土壤数据得到所述冰冻圈流域的产流信息；

所述输出模块用于根据所述分析模块得到的坐标信息、气象信息、冰川信息、植被信息和产流信息输出所述冰冻圈流域的水文过程。

一种实施方式中，所述分析模块还包括冻土模块，所述冻土模块用于根据所述地理坐标数据得到多年冻土下限，根据所述多年冻土下限确认所述冰冻圈流域的冻土分布状况。

一种实施方式中，所述分析模块还包括积雪模块，所述积雪模块用于获取预设时刻的积雪消融数据得到冰冻圈流域的融雪径流量。

一种实施方式中，所述分析模块还包括汇流模块，所述汇流模块用于获取冰冻圈流域的河道长度和坡度得到所述冰冻圈流域中多个单元格的汇流时间。

一种实施方式中，所述输出模块还包括校验模块，所述校验模块用于通过纳什效率确定系数、平衡误差和解释方程对输出冰冻圈流域的水文过程检验。

本发明的有益效果是：

本发明实施例提供的一种冰冻圈水文过程分析方法及系统。通过获取控制参数数据、地理坐标数据、气象数据、冰川数据、植被数据和土壤数据，然后对获取的地理坐标数据、气象数据、冰川数据、植被数据和所述土壤数据得到冰冻圈流域的坐标信息、气象信息、冰川信息、植被信息和产流信息进行分析，最后由分析结果可以输出对冰冻圈流域的水文过程。因此，本发明不但对常用的冰川、土壤进行了分析，还分析了气候数据对冰冻圈的水文过程的影响，以及植被数据和冰冻圈水文过程的产流、入渗和蒸散发。其中，气候变化会对冰冻圈评估带来的不确定性，植被数据和冰冻圈水文过程的产流、入渗和蒸散发可以为冰冻圈流域的水量来源、水情变化和径流过程提供依据。综上所述，本发明通过对多因素全面分析，进而可以对冰冻圈的水文过程进行全面的评估。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一种冰冻圈水文过程分析方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种冰冻圈水文过程分析系统结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种冰冻圈水文过程分析系统结构示意图；

图4为本发明实施例提供的又一种冰冻圈水文过程分析系统结构示意图。

图标：10-输入模块；20-分析模块；21-坐标转换模块；22-气象插值模块；23-冰川模块；24-植被截留模块；25-冻土模块；26-积雪模块；27-产流模块；28-汇流模块；30-输出模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示：本发明实施例提供一种冰冻圈水文过程分析方法，包括：

S101.获取冰冻圈流域不同下垫面的水文特征参数，其中，水文特征参数包括：控制参数数据、地理坐标数据、气象数据、冰川数据、植被数据和土壤数据。

具体地，下垫面为大气与其下限的固态地面或液态水面的分界面，是大气的主要热源和水汽源，也是低层大气运动的边界面，下垫面包括：地形、植被和土壤等。再对下垫面的水文特征参数进行分析时，可以先将冰冻圈流域内的下垫面均分为网格状，网格中每个格子即为单元格，分别获取不同的单元格内的水文特征参数即为获取不同的下垫面的水文特征参数。

具体的，水文特征参数中控制参数数据主要为各种可调整参数，包含计算时段、流域面积和需要分析的冰冻圈流域的流域面积、冰川密度和积雪密度等；地理坐标数据为单元格内的经纬度以及流域海拔高程、坡向、坡度和流向等；气象数据主要为冰冻圈流域内或流域附近的气象站点降水、气温和水面蒸发实测数据及站点的地理坐标信息以及流域出口的径流数据等；冰川数据主要为第一次和第二次冰川编目冰川基本数据，具体为纬度、经度、总面积、裸冰面积、最高海拔、平均海拔、最低海拔、平均厚度、冰储量、平均坡度和平均坡向等；植被数据主要为流域下垫面分类及相应植被的植被叶面积指数、饱和截留容量、植被盖度等；产流信息主要为各栅格的基础土壤数据，具体为包含厚度、孔隙度、比重、田间持水量、枯萎含水量、初始含水量、饱和导水率、孔隙分布指数、残余水分和热容等。

S102.根据控制参数数据分析地理坐标数据、气象数据、冰川数据、植被数据和土壤数据得到冰冻圈流域的坐标信息、气象信息、冰川信息、植被信息和产流信息。

具体地，获取到的地理坐标数据为经纬度，通常不方便计算分析，为了方便计算分析，需要将冰冻圈流域内的坐标和气象站点统一在一个坐标系下，所以需要将冰冻圈流域和气象站点的经纬度信息通过控制参数数据转化为Alberts投影坐标。

气象参数来源于气象站点，气象站点的采集的是整个冰冻圈流域的数据，所以需要将气象参数分别插值到每个单元格中。通过获取的气象数据以及气象站点的地理位置，则通过如下方程可以计算得到气象数据和气象站点的地理位置的回归系数：

B＝regress(M_s,Gs)

其中，M_s为由气象数据得到的降水、气温和水面蒸发，G_s为气象站的地理位置，包括经纬度和海拔，B为M_s和G_s的回归系数，由此，则各个单元格中的气象数据有如下方程计算：

M_f＝f(M_s,G_s)

其中，M_f为各单元格的降水、气温和水面蒸发，G_s为单元格地理坐标位置。此外在对每个单元格气象插值之后，还需要对单元格内的雨雪进行分离，以方便具体观察单元格内的降水情况，通过如下方程进行分离：

其中，T_S和T_L为固液态降水分离的临界气温值，T为月平均气温，P为月降水量，P_L为月降雨量。降水分离的临界气温和校准系数均为可调整参数，需根据计算流域实际情况确定。

冰川数据需要通过控制参数数据来分析冰川的消融量和冰川的体积和面积的变化量。通过采用度日因子模型可以来计算冰川在某段时间的消融量，从控制参数数据中的冰川的度日因子以及对应的正积温通过如下方程可以得到冰川在某段时间的消融量：

M＝DDF·PDD

其中，M是某时段内冰川消融水当量，DDF是冰川的度日因子，PDD是同一时段内的正积温。冰川的体积和面积的变化也是分析冰川的重要依据，通过冰川数据中第一次冰川编目，将每一条冰川，按照30米海拔梯度分带，确定了每一条冰川、不同分带的冰川面积。冰川运动将积累区的冰雪物质不断运移到消融区，是冰川得以长期存在的关键。因此，在冰川数据分析中，必须考虑冰川运动过程，否则会过快估计冰川的萎缩速率，导致冰雪融水估算结果与实际的巨大差异。所以，采用冰川面积-体积转换法来表征冰川的运动过程及冰川储量的变化。由冰川数据中的第一、二次冰川编目，单条冰川的总面积和储量之间的换算关系如下：

V＝0.205S^1.3478

其中，V为冰川储量，S为冰川面积，通过比例变换，则上述方程可得到如下等式：

其中，h为冰川分带厚度，再根据得到的某段时间的冰川消融量，从而可以进行对冰川体积和面积进行分析。

由于在降水过程中，植物的叶片、枝干会挡住部分降水，留在植物叶片和枝干的降水不会落在地上，而是在植物叶片和枝干上进行蒸散发。虽然这部分降水量很小，但是也能通过计算植被截留量，来提高对冰冻圈水文过程的分析精度。所以通过植被数据中的植被饱和截留容量、植被叶面积指数以及最大叶面积指数，通过如下公式：

其中，V_pmax为植被饱和截留容量，LAI和LAI_max分别为植被叶面积指数和最大叶面积指数，V_p0为植被的实际截留量。由此则得到了植被对单元格内的降水的影响。

分析土壤数据的是对单元格内的产流情况分析。由于冰冻圈流域内冻土的存在，其产流过程均伴随土壤水的相变，进而影响土壤中热量、水分的传导。冰冻圈流域的土壤分为三种情况：完全冻结状态、未冻结状态和部分冻结状态。当土壤为未冻结状态时，通过土壤数据的土壤体积含水量，以及经验系数，通过如下有机层的土壤导热系数公式可以得到未冻结状态土壤的有机层土壤导热系数：

K_h0＝h₁+h₂θ

其中，h₁和h₂为经验系数，θ为土壤体积含水量，K_h0为未冻结状态有机层的土壤导热系数。再由土壤数据中的土壤干密度以及经验系数，通过如下矿物质层的土壤导热系数公式可以得到未冻结状态土壤的矿物质层土壤导热系数：

其中，a₁、a₂、a₃为经验系数，ρ_s为土壤干密度，K_hm为未冻结状态土壤的矿物质层土壤导热系数。

完全冻结状态的土壤和部分冻结状态的土壤的导热系数需要通过土壤中的热量比来计算，由土壤数据中土壤中的总能量、感热、冻结潜热和可冻结水量，可通过如下土壤中热量比公式计算：

其中，E为土壤中的总能量，H为感热，L_f为冻结潜热，W_ice为可冻结水量。

则完全冻结状态的土壤有机质层的导热系数由如下公式可得：

其中，K_h0，i为完全冻结状态的土壤有机质层的导热系数，则完全冻结状态的土壤矿物质层的导热系数计算公式如下：

其中，b₁、b₂、b₃、b₄为经验系数，K_hm，i为完全冻结状态的土壤矿物质层的导热系数。

则部分冻结土壤的土壤导热系数由如下公式可得：

K_h＝QK_h,i+(1-Q)K_h

其中，K_h,i为完全冻结土壤的导热系数，K_h为未冻结土壤的导热系数。

通过三种不同状态土壤的导热系数，再由土壤数据中的水汽通量、液态水通量、水的比热、地温、土壤深度和蒸发潜热，可以得到土壤内的热量传输，具体公式如下：

其中，q_h为土壤内的热量传输，q_v为水汽通量，q_w为液态水通量，C_w为水的比热，K_hs为土壤导热系数，T_s为地温，z为土壤深度，L_v为蒸发潜热。

除土壤导热系数外，土壤导水率也与土壤的三种状态有关。其中，当土壤处于未冻结状态，此时饱和导水率为K_mat；当土壤处于完全冻结状态，饱和导水率为0；当土壤处于部分冻结时，土壤饱和导水率不同，需要由土壤数据中的土壤含水量、土壤含冰量和未冻结土壤的导水率来计算，计算公式如下：

其中，θ为土壤含水量；θ_ice为土壤含冰量；K_mat为土壤饱和导水率,K₀′为部分冻结状态的土壤饱和导水率。

地表能否产流主要取决于到达地表面的净水量是否大于地表面的饱和导水率，如果到达地表面的净水量大于地表面的饱和导水率，则会产流；如果到达地表面的净水量小于地表面的饱和导水率，则不会产流。

通过三种不同状态的土壤饱和导水率，以及由气象数据得到的到达地表的净水量、冰川数据得到的冰川融化量和积雪融化量，可以得到地表产流量，计算公式如下：

R_surface＝max(0,P_groud+R_snow or R_glacier-K)

其中，R_surface为地表产流量，P_groud为到达地表的液态净水量，R_snow为季节性积雪融化量，R_glacier为冰川融化量，K在土壤冻结时为0，在土壤部分冻结时为K₀′，在土壤非冻结时为K_mat。

除判断地表能否产流外，还可以判断第一层土壤是否可以产流，第一层土壤由所分析的单元格的土壤剖面本身的分层决定。扣除地表产流量以后，剩余液态水分全部入渗到第一层土壤。由土壤数据中第一层土壤的液态含水量、第一层土壤固态含水量、第一层土壤孔隙度、第一层土壤残余含水量和第一层土壤厚度判断第一层是否有产流。具体判断条件如下方程：

其中，R₁为第一层土壤产流量，θ_l,1为第一层土壤液态水分含量，θ_s,1为第一层土壤孔隙度，θ_r,1为第一层土壤残余含水量，θ_solid,1为第一层土壤固态含水量，z₁为第一层土壤厚度。则如果第一层土壤能发生产流，就有第一层土壤液态含水量必须大于第一层土壤残余含水量，而且总含水量必须大于第一层土壤孔隙度。

单元格内的蒸散发也是产流过程中一个重要的分析要素。由土壤数据中的土壤液态含水量、土壤残余含水量、水面蒸发量、土壤厚度，以及控制参数数据中的土壤蒸发调整系数，可以由如下公式和方程得到土壤蒸发：

E_s′＝aE₀(θ_l-θ_r)

E_s＝min[E_s′,max(0,(θ_l-θ_r)z₁)]

其中，E_s为土壤蒸发量，θ_l为土壤液态含水量，θ_r为土壤残余含水量，E₀为水面蒸发量，z₁为土壤厚度，a为土壤蒸发调整系数。

由土壤数据中的土壤枯萎含水量、土壤液态含水量、水面蒸发量、以及植被数据中的植被实际截留量、叶面积指数，可以由如下方程得到植被蒸腾：

E′_v＝b(E₀-VE)(θ_l-θ_wilt)LAI

E_v＝min[E_v′,max(0,(θ_l-θ_wilt)z₁)]

其中，E_v为植被蒸腾，θ_wilt为土壤枯萎含水量，b为植被蒸腾统一调整系数，E₀为水面蒸发量，VE为植被实际截留蒸发量，θ_l为土壤液态含水量，LAI为叶面积指数，z₁为土壤厚度。

通过植被蒸腾和土壤蒸发即可得到单元格的蒸散发量，由植被蒸发、土壤蒸发和植被数据中的植被盖度，通过如下公式可得到单元格蒸散发：

E＝E_s(1-V_cov)+E_vV_cov

其中，E为单元格蒸散发，V_cov为植被盖度，E_s为土壤蒸发，E_v为植被蒸发。

S103.根据分析得到的坐标信息、气象信息、冰川信息、植被信息和产流信息输出冰冻圈流域的水文过程。

具体地，通过分析地理坐标数据可以得到冰冻圈流域内的所有单元格和附近气象站点的Alberts投影坐标，Alberts投影坐标可以方便后续气象数据等数据的分析；通过分析气象数据，可以把不同单元格的气象数据进行分配，并且可以得到不同单元格的降水表，还有详细的降雨降雪表；通过分析冰川数据，可以得到单元格内冰川在某段时间的消融情况表，以及对应的某段时间的体积和面积变化表；通过分析植被信息，可以得到单元格内植被的实际截留情况；通过分析土壤数据，可以得到单元格内的产流信息，产流信息包括：单元格内的土壤导热系数，单元格内的产流情况和单元格的蒸散发情况。

本发明实施例提供的一种冰冻圈水文过程分析方法及系统。通过获取控制参数数据、地理坐标数据、气象数据、冰川数据、植被数据和土壤数据，然后对获取的地理坐标数据、气象数据、冰川数据、植被数据和土壤数据得到冰冻圈流域的坐标信息、气象信息、冰川信息、植被信息和产流信息进行分析，最后由分析结果可以输出对冰冻圈流域的水文过程。因此，本发明不但对常用的冰川、土壤进行了分析，还分析了气候数据对冰冻圈的水文过程的影响，以及植被数据和冰冻圈水文过程的产流、入渗和蒸散发。其中，气候变化会对冰冻圈评估带来的不确定性，植被数据和冰冻圈水文过程的产流、入渗和蒸散发可以为冰冻圈流域的水量来源、水情变化和径流过程提供依据。综上所述，本发明通过对多因素全面分析，进而可以对冰冻圈的水文过程进行全面的评估。

一种实施方式中，根据地理坐标数据得到多年冻土下限，根据多年冻土下限确认冰冻圈流域的冻土分布状况。

具体地，由地理坐标数据中获取的单元格的地理纬度，则可以通过如下公式得到单元格内的多年冻土海拔下限：

其中，H为多年冻土海拔下限，

为地理纬度。得到多年冻土海拔下限后，需要和单元格的实际海拔比较，若单元格的实际海拔高于多年冻土海拔下限，则这个单元格的冻土为多年冻土；若单元格的实际海拔低于多年冻土海拔下限，则这个单元格的冻土为季节冻土，单元格实际海拔由地理坐标数据提供。

具体地，与冰川数据相同，融雪径流量也可以由控制参数信息中的积雪度日因子和对应的正积温来计算，具体计算公式与冰川消融量一样：

M＝DDF·PDD

其中，M为积雪在某段时间的消融量，DDF为积雪度日因子，PDD为与DDF对应的正积温。

一种实施方式中，获取冰冻圈流域的河道长度和坡度得到冰冻圈流域中多个单元格的汇流时间。

具体地，由地理坐标数据中的单元格的河道长度、坡度，可以分析得到某条河道的汇流时间，列如某条河道由第i个单元格到第j个单元格，则有如下公式：

其中，t_i,j为自第i个单元格中心点到第j个单元格中心点的汇流时间，l_i和l_j分别为第i个和第j个单元格内的河道长度，α_i和α_j为单元格坡度；a和b为可调参数。

具体地，在分析结束后还需要对分析结果进行一定的评估，评价分析结果是否准确，分析结果的精度是否在误差允许范围内，则可以用分析得到的某段时间的计算径流值和对应时间的实测径流值来通过以下三个公式评价分析结果的精度：

其中，NSE，B和EV分别系统计算结果的纳什确定系数，平衡误差和解释方程。Q_iobs和Q_ical分别第i个月的实测和计算径流值。NSE和EV越接近于1，B越接近于0，表示分析结果越符合实测值，精度越高。

另外，如图2所示，本发明还提供一种冰冻圈水文过程分析系统，包括：输入模块10、分析模块20和输出模块30；

输入模块10用于获取冰冻圈流域不同下垫面的水文特征参数，其中，水文特征参数包括：控制参数数据、地理坐标数据、气象数据、冰川数据、植被数据和土壤数据；

如图3所示，分析模块20包括：坐标转换模块21、气象插值模块22、冰川模块23、植被截留模块24和产流模块27，其中，坐标转换模块21用于根据控制参数数据通过坐标转换模块21分析地理坐标数据得到冰冻圈流域的坐标信息，气象插值模块22根据控制参数数据通过气象插值模块22分析气象数据得到冰冻圈流域的气象信息，冰川模块23根据控制参数数据通过冰川模块23分析冰川数据得到冰冻圈流域的冰川信息，植被截留模块24根据控制参数数据通过植被截留模块24分析植被数据得到冰冻圈流域的植被信息，产流模块27根据控制参数数据通过产流模块27分析土壤数据得到冰冻圈流域的产流信息；

输出模块30用于根据分析模块20得到的坐标信息、气象信息、冰川信息、植被信息和产流信息输出冰冻圈流域的水文过程

上述系统用于执行前述实施例提供的方法，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。

一种实施方式中，如图4所示，分析模块20还包括冻土模块25，冻土模块25用于根据地理坐标数据得到多年冻土下限，根据多年冻土下限确认冰冻圈流域的冻土分布状况。

一种实施方式中，如图4所示，分析模块20还包括积雪模块26，积雪模块26用于获取预设时刻的积雪消融数据得到冰冻圈流域的融雪径流量。

一种实施方式中，如图4所示，分析模块20还包括汇流模块28，汇流模块28用于获取冰冻圈流域的河道长度和坡度得到冰冻圈流域中多个单元格的汇流时间。

一种实施方式中，输出模块30还包括校验模块、校验模块用于通过纳什效率确定系数，平衡误差和解释方程对输出冰冻圈流域的水文过程检验。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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

1.一种冰冻圈水文过程分析方法，其特征在于，所述方法包括：

根据所述控制参数数据分析所述地理坐标数据、所述气象数据、所述冰川数据、所述植被数据和所述土壤数据得到所述冰冻圈流域的坐标信息、气象信息、冰川信息、植被信息和产流信息，其中，所述控制参数数据包含计算时段、流域面积和所述冰冻圈流域的流域面积、冰川密度和积雪密度；

根据分析得到的坐标信息、气象信息、冰川信息、植被信息和产流信息输出所述冰冻圈流域的水文过程；

其中，所述获取冰冻圈流域不同下垫面的水文特征参数，包括：

将所述冰冻圈流域不同下垫面均分为网格状，网格中每个格子即为单元格，通过分别获取不同单元格内的水文特征参数来获取不同下垫面的水文特征参数；

所述方法还包括：

根据所述地理坐标数据得到多年冻土下限，根据所述多年冻土下限确认所述冰冻圈流域的冻土分布状况；所述冰冻圈流域包括三种状态的土壤：完全冻结状态、未冻结状态和部分冻结状态；根据所述三种状态的土壤导热系数，以及水汽通量、液态水通量、水的比热、地温、土壤深度和蒸发潜热，得到土壤内的热量传输；

获取预设时刻的积雪消融数据得到冰冻圈流域的融雪径流量；

将每一条冰川，按30米海拔梯度分带，确定所述每一条冰川、不同分带的冰川面积；从控制参数数据中的冰川的度日因子以及对应的正积温得到冰川在时间段内的冰川消融量。

2.根据权利要求1所述的一种冰冻圈水文过程分析方法，其特征在于，获取冰冻圈流域的河道长度和坡度得到所述冰冻圈流域中多个单元格的汇流时间。

3.根据权利要求1所述的一种冰冻圈水文过程分析方法，其特征在于，通过纳什效率确定系数、平衡误差和解释方程对输出冰冻圈流域的水文过程检验。

4.一种冰冻圈水文过程分析系统，其特征在于，包括：输入模块、分析模块和输出模块；

所述输入模块用于获取冰冻圈流域不同下垫面的水文特征参数，其中，所述水文特征参数包括：控制参数数据、地理坐标数据、气象数据、冰川数据、植被数据和土壤数据，其中，所述控制参数数据包含计算时段、流域面积和所述冰冻圈流域的流域面积、冰川密度和积雪密度；

所述输出模块用于根据所述分析模块得到的坐标信息、气象信息、冰川信息、植被信息和产流信息输出所述冰冻圈流域的水文过程；

其中，所述输入模块具体用于将所述冰冻圈流域不同下垫面均分为网格状，网格中每个格子即为单元格，通过分别获取不同单元格内的水文特征参数来获取不同下垫面的水文特征参数；

所述分析模块还包括冻土模块，所述冻土模块用于根据所述地理坐标数据得到多年冻土下限，根据所述多年冻土下限确认所述冰冻圈流域的冻土分布状况；所述冰冻圈流域包括三种状态的土壤：完全冻结状态、未冻结状态和部分冻结状态；根据所述三种状态的土壤导热系数，以及水汽通量、液态水通量、水的比热、地温、土壤深度和蒸发潜热，得到土壤内的热量传输；

所述分析模块还包括积雪模块，所述积雪模块用于获取预设时刻的积雪消融数据得到冰冻圈流域的融雪径流量；

所述冰川模块，用于将每一条冰川，按30米海拔梯度分带，确定所述每一条冰川、不同分带的冰川面积；从控制参数数据中的冰川的度日因子以及对应的正积温得到冰川在时间段内的冰川消融量。

5.根据权利要求4所述的一种冰冻圈水文过程分析系统，其特征在于，所述分析模块还包括汇流模块，所述汇流模块用于获取冰冻圈流域的河道长度和坡度得到所述冰冻圈流域中多个单元格的汇流时间。

6.根据权利要求4所述的一种冰冻圈水文过程分析系统，其特征在于，所述输出模块还包括校验模块，所述校验模块用于通过纳什效率确定系数、平衡误差和解释方程对输出冰冻圈流域的水文过程检验。