一种高寒区冰川和积雪水热过程精细化模拟方法

本发明涉及水文地理领域，尤其涉及一种高寒区冰川和积雪水热过程精细化模拟方法。

背景技术：

1、以青藏高原为核心的“第三极”地区是地球上仅次于南极和北极的最大冰雪储存区，孕育了长江、黄河和澜沧江等大江大河，被称为亚洲水塔。亚洲水塔主要功能是将降水以雪或冰的形式储存起来，然后在春夏季融化形成径流。随着全球气候变化，冰冻圈出现加速变化之势，冰冻圈水文过程对气候变化的响应及其影响已成为全球变化研究的热点问题之一。

2、当前，对于冰冻圈径流及其组分的变化模拟、归因及预测，目前学界尚未达成共识，究其原因是目前针对冰冻圈特殊地理水文过程的模拟面临诸多难题，其中主要问题就在于区域内冰川/积雪水热过程的定量精细化刻画能力不足，因此，如何解决该问题是目前需要考虑的。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种高寒区冰川和积雪水热过程精细化模拟方法，解决了现有技术存在的不足。

2、本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种高寒区冰川和积雪水热过程精细化模拟方法，所述方法包括：

3、分区：根据海拔高度与固态累计状态，首先将高寒区分为季节性冰雪带（文中称为：积雪区）和多年冰雪带（文中称为：冰川区），划分依据为是否有两年或两年以上的积雪覆盖。如果区域有两年或以上时间有积雪覆盖，区域划分为冰川区，否则为积雪区。冰川区根据密度不同，将冰川剖面进一步分为积雪层和冰层，划分依据为：雪层密度小于0.85 g/cm³，冰层密度大于或等于0.85 g/cm³。积雪区表层为积雪，下层为土壤，积雪状态随季节动态变化。冰川区表层为积雪、下层为冰层，或直接为裸冰状态，冰川区内积雪层呈动态变化过程。消融期气温升高时，表层积雪融化，冰川也随之消融减薄。当积雪层消失后表现为裸冰状态。积累期降雪增加时，新雪在冰川区通过压实、粒雪化过程逐渐累积转变为冰川冰，表层恢复积雪覆盖，呈现积雪层-冰层双层结构，该动态变化主要受能量平衡和物质平衡控制，体现了冰川区积雪-冰川系统的季节性转换特征；

4、积雪层水热过程计算步骤：分别进行动态雨雪分离计算、积雪压实过程计算、积雪能量平衡计算和积雪内部水分通量计算；

5、冰层水热过程计算步骤：通过入射短波辐射、入射长波辐射、出射长波辐射、感热通量、潜热通量和地热通量构建冰川能量平衡过程的计算，构建冰川物质平衡方程。

6、所述动态雨雪分离计算包括：基于气温、湿度和海拔的三维判据，采用分段函数确定降水相态，提高雪雨判识精度。

7、所述积雪压实过程计算包括：在识别降水相态后，通过大气温度判断实际积雪密度，建立分层压实模型，区分新雪破坏性压实与密实化阶段，引入指数型压实速率公式，耦合液态水含量、空气密度及附加压力影响，计算积雪压实速率，最终通过固态水的密度判断积雪状态所处阶段。

8、所述积雪层内部水分通量计算包括：

9、首先计算积雪层中液态水含量的瞬态变化及其与固态水向水汽转化、固态水向液态水转化及液态水向气态水转化之间的水量平衡关系，并引入垂直水分通量项，计算水分在雪层间传递过程；给出雪层持水量随积雪干容重变化的分段线性经验函数，当干容量不低于临界值时持水量取恒定最小值，反之则在最小值与最大值之间线性插值；

10、规定入渗率由当前层可容纳液态水体积、上层可供水量及其粒径与干容量指数衰减的潜在入渗能力三者取最小值确定，径流量由扣除持水保留最后的液态水通量与入渗率之差计算。

11、所述积雪能量平衡计算包括：

12、积雪能量平衡通过能量守恒方程计算得到，积雪上边界为通量边界，分别由净短波辐射、净长波辐射、降水携带的能量、感热通量、潜热通量和地热通量的代数和得到；

13、净短波辐射通量与净长波辐射通量构成主导性热量输入项，用于表征大气与积雪界面间的辐射交换过程；降水带入的热通量用于描述液态或固态降水在接触雪层时传递的热量；

14、感热通量与潜热通量分别用于表征湍流交换过程中的感热与潜热传输；

15、地热通量用于表征由积雪层与土壤的热量交换，或者与下层冰层的热量交换。

16、所述净短波辐射通过大气层外辐射量经日照时数修正后，结合地表反照率计算获得；降水输入热通量根据液态降水与固态降水的比热容差异，分别计算两者由温度带来的热量贡献；感热通量与潜热通量则基于空气动力学阻抗法，由气温与雪面温度的梯度及水汽梯度驱动，反映湍流交换过程对积雪能量平衡的影响。

17、本发明具有以下优点：一种高寒区冰川和积雪水热过程精细化模拟方法，针对冰冻圈冰川和积雪覆盖量大的特点，采用水热耦合模型模拟冰川/积雪融水过程，实现了对冰川/积雪融水产流过程的科学描述。

1.一种高寒区冰川和积雪水热过程精细化模拟方法，其特征在于：所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的一种高寒区冰川和积雪水热过程精细化模拟方法，其特征在于：所述动态雨雪分离计算包括：基于气温、湿度和海拔的三维判据，采用分段函数确定降水相态，提高雪雨判识精度。

3.根据权利要求1所述的一种高寒区冰川和积雪水热过程精细化模拟方法，其特征在于：所述积雪压实过程计算包括：在识别降水相态后，通过大气温度判断实际积雪密度，建立分层压实模型，区分新雪破坏性压实与密实化阶段，引入指数型压实速率公式，耦合液态水含量、空气密度及附加压力影响，计算积雪压实速率，最终通过固态水的密度判断积雪状态所处阶段。

4.根据权利要求1所述的一种高寒区冰川和积雪水热过程精细化模拟方法，其特征在于：所述积雪层内部水分通量计算包括：

5.根据权利要求1所述的一种高寒区冰川和积雪水热过程精细化模拟方法，其特征在于：所述积雪能量平衡计算包括：

6.根据权利要求5所述的一种高寒区冰川和积雪水热过程精细化模拟方法，其特征在于：所述净短波辐射通过大气层外辐射量经日照时数修正后，结合地表反照率计算获得；降水输入热通量根据液态降水与固态降水的比热容差异，分别计算两者由温度带来的热量贡献；感热通量与潜热通量则基于空气动力学阻抗法，由气温与雪面温度的梯度及水汽梯度驱动，反映湍流交换过程对积雪能量平衡的影响。