李保琦，肖偉華，王義成，孫青言，劉卓婭

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；2.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴陽(yáng) 550002)

寒區(qū)，顧名思義是指寒冷地區(qū)，以氣溫因素為指標(biāo)的氣象學(xué)、以溫度帶為依據(jù)的氣候?qū)W、以植被線為依據(jù)的植被學(xué)、以棲息物種為依據(jù)的生態(tài)學(xué)等都有各自對(duì)寒區(qū)的認(rèn)識(shí)和寒區(qū)范圍的界定，故對(duì)于寒區(qū)的地理范圍，迄今為止尚無(wú)明確統(tǒng)一的說(shuō)法，不同的出發(fā)角度給出的寒區(qū)定義也不同，所給定的寒區(qū)范圍差異也較大.我國(guó)目前采用較多的是陳仁升[1]對(duì)我國(guó)寒區(qū)劃分的結(jié)論.水文過(guò)程考慮的是寒區(qū)水分和熱量?jī)煞矫娴囊蛩?，寒區(qū)水文過(guò)程應(yīng)該囊括固態(tài)水分顯著參與水文過(guò)程的主要地區(qū)，而固態(tài)水分地區(qū)較小、存在時(shí)間較短的地區(qū)固態(tài)水分對(duì)水文過(guò)程和水循環(huán)的影響較為微弱，所以在認(rèn)定寒區(qū)范圍時(shí)需要以不同氣候和地理?xiàng)l件下水循環(huán)和水文過(guò)程的特點(diǎn)為依據(jù).

寒區(qū)水文主要研究水分要素的時(shí)空分布及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，它的主要特點(diǎn)是水以固態(tài)形式儲(chǔ)存，以液態(tài)形式釋放，研究對(duì)象包括冰川水文、積雪水文、凍土水文、海冰水文和河湖冰水文[2].寒區(qū)水文作為冰凍圈科學(xué)和水文科學(xué)的交叉學(xué)科，其過(guò)程復(fù)雜多變.固態(tài)水分融化過(guò)程不僅與溫度等能量條件密切相關(guān)，而且與水體動(dòng)力學(xué)有關(guān)，同時(shí)還受到下墊面條件等因素的影響.寒區(qū)水文過(guò)程諸要素的時(shí)空差異性也增加了寒區(qū)水文的復(fù)雜性，以積雪為例，積雪的分布范圍、積雪厚度、積雪面積、風(fēng)速，日照、地形等都會(huì)對(duì)融雪產(chǎn)生影響.寒區(qū)自然環(huán)境惡劣，多為人跡罕至地區(qū)，這就增加了寒區(qū)色過(guò)程觀測(cè)的不確定性，導(dǎo)致觀測(cè)資料的不足和缺失.與非寒區(qū)水文要素相比，寒區(qū)水文要素有很大的差異性.冰—水相變是其最大的特點(diǎn)，固—液轉(zhuǎn)化是寒區(qū)水文的基本過(guò)程，所以寒區(qū)水文過(guò)程受溫度的影響更大.

針對(duì)寒區(qū)水文循環(huán)模型，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了很多探索，包括非寒區(qū)水文模型經(jīng)調(diào)試后在寒區(qū)的直接應(yīng)用、非寒區(qū)水文模型經(jīng)改進(jìn)后在寒區(qū)的應(yīng)用、基于模塊化建模方法的寒區(qū)水文過(guò)程模擬和寒區(qū)陸面過(guò)程模型的開(kāi)發(fā)等.本文回顧了近年來(lái)應(yīng)用于寒區(qū)水文循環(huán)的模式模型，將其分類為非寒區(qū)水文模型的直接應(yīng)用及其改進(jìn)、基于模塊化建模方法的寒區(qū)水文過(guò)程模擬、寒區(qū)陸面過(guò)程模型發(fā)展等三類，并以SWAT模型、新安江模型及其改進(jìn)、CRHM模型和CoupModel模型為例展開(kāi)論述，指出了以上三類現(xiàn)存模式的優(yōu)缺點(diǎn)及其適用性；最后給出了寒區(qū)水文過(guò)程研究的趨勢(shì)和發(fā)展方向的展望.

1 寒區(qū)水文循環(huán)模型發(fā)展

寒區(qū)水文循環(huán)與非寒區(qū)相比具有很大的特殊性，根據(jù)徑流特性指標(biāo)寒區(qū)年內(nèi)徑流過(guò)程分為五個(gè)環(huán)節(jié)，它們分別是春汛期、春汛退水期(夏初)、夏汛期、夏汛退水期(秋季)以及冬季凍結(jié)期，而每一個(gè)環(huán)節(jié)中凍土融水、積雪融水、降水、等在徑流中所占的比重也有所不同.同時(shí)，高海拔寒區(qū)與高緯度寒區(qū)、多年凍土區(qū)與季節(jié)性凍土區(qū)以及多年凍土區(qū)小流域和大流域尺度降水徑流特征都存在著明顯的差異.因此，任何一種以單一降水產(chǎn)流機(jī)制為基礎(chǔ)的水文模型都不適用于寒區(qū)水文循環(huán)，在回顧近年來(lái)應(yīng)用于寒區(qū)水文過(guò)程的模式模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)模型模式的使用方式和模擬用途將其分類為非寒區(qū)水文模型的直接應(yīng)用及其改進(jìn)、基于模塊化建模方法的寒區(qū)水文過(guò)程模擬、寒區(qū)陸面過(guò)程模型發(fā)展等三類，并分別選取了典型模型展開(kāi)論述，指出了以上三類現(xiàn)存模式的優(yōu)缺點(diǎn)及其適用性.

1.1 非寒區(qū)水文模型的直接應(yīng)用及其改進(jìn)

目前存在各種各樣的水文模型，但基本都是針對(duì)非寒區(qū)開(kāi)發(fā)研制的，沒(méi)有專門(mén)的典型寒區(qū)水文模型，所以在對(duì)寒區(qū)水文過(guò)程進(jìn)行研究時(shí)，最簡(jiǎn)單方便的做法就是根據(jù)所研究寒區(qū)的特點(diǎn)和所選水文模型的特色將非寒區(qū)水文模型經(jīng)調(diào)試后直接在寒區(qū)進(jìn)行水文計(jì)算模擬，或根據(jù)所研究寒區(qū)特點(diǎn)，針對(duì)非寒區(qū)水文模型的某一部分進(jìn)行改進(jìn)，而后應(yīng)用于寒區(qū).其中應(yīng)用最多的就是SWAT模型和新安江模型.

由美國(guó)農(nóng)業(yè)部(United States Department of Agriculture，USDA)農(nóng)業(yè)研究中心(Agriculture Research Service，ARS)Jeff Amold等[3]開(kāi)發(fā) SWAT 模型(Soil and water Assessment Tools)的最初目的是預(yù)測(cè)在不同土地利用方式、多種管理措施、和復(fù)雜土壤類型以及動(dòng)態(tài)植被覆蓋等條件下土地管理對(duì)水分、化學(xué)物質(zhì)和泥沙的長(zhǎng)期影響[4].因此，SWAT模型的應(yīng)用流域大多為人類活動(dòng)頻繁、下墊面變化明顯、植被生長(zhǎng)活躍的濕潤(rùn)及熱帶地區(qū)[5]，在寒區(qū)的研究則相對(duì)較少.寒區(qū)特殊的氣候條件和水文特性對(duì)徑流(尤其是冬春季徑流)的準(zhǔn)確模擬造成了很大的困難，比如日流量過(guò)程模擬，多數(shù)水文模型模擬的納什效率系數(shù)均較差.SWAT模型在寒區(qū)水文循環(huán)模擬過(guò)程中可以適用，但仍存在不足，如春汛洪峰流量偏小，融雪期徑流總量模擬結(jié)果明顯小于實(shí)測(cè)值等[6].所以，SWAT模型在寒區(qū)的適用性和通用性有待研究，或?qū)WAT模型中的某個(gè)部分改進(jìn)后再應(yīng)用到寒區(qū)水文過(guò)程模擬中.

Fontaine等[7]以SWAT模型為基礎(chǔ)對(duì)融雪徑流模塊進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的SWAT模型可進(jìn)行高寒山區(qū)徑流模擬，且模擬精度大幅提高；黃清華等[8-9]應(yīng)用改進(jìn)的SWAT模型SWAT-GIS對(duì)黑河干流山區(qū)流域進(jìn)行了模擬，證實(shí)了淺層蓄水層和海拔高度對(duì)地下徑流和融雪徑流過(guò)程的關(guān)鍵影響；車(chē)騫等[10]通過(guò)著重調(diào)試冰雪和凍土的水文過(guò)程的參數(shù)直接應(yīng)用SWAT模型對(duì)黃河源區(qū)水資源進(jìn)行了預(yù)測(cè)，模擬結(jié)果較好；孟現(xiàn)勇等[11-12]耦合了CMADS數(shù)據(jù)集和SWAT模型對(duì)黑河流域進(jìn)行了模擬，并基于SWAT模型對(duì)天山北部中段軍塘湖流域進(jìn)行模擬，分析了該流域降水和氣溫對(duì)融雪徑流的影響；余文君等[13]將SWAT模型和FASST模型積雪集成，改善了SWAT模型中的融雪徑流部分，使得融雪徑流精度得到顯著提高；郝振純等[14]應(yīng)用SWAT模型分析了地形和融雪對(duì)黃河源區(qū)水文過(guò)程的影響進(jìn)；李慧等[15]通過(guò)SWAT模型分析了山區(qū)冰雪融水河流的日徑流，精度較好；庫(kù)路巴依等[16]基于SWAT模型模擬了新疆葉爾羌河山區(qū)融雪徑流，結(jié)果可滿足研究區(qū)的融雪徑流模擬精度要求.

應(yīng)用SWAT模型模擬寒區(qū)水文過(guò)程不外乎兩種途徑，一是根據(jù)研究區(qū)域特點(diǎn)，對(duì)SAWAT模型某一部分進(jìn)行著重調(diào)參，使之盡可能的符合所研究寒區(qū)的水文過(guò)程，繁瑣的率定和校驗(yàn)過(guò)程不但增加了工作者的工作量，而且運(yùn)算結(jié)果只能在局部滿足研究需求，而不能全方位符合研究區(qū)域的水文特性，比如王樹(shù)才[5]在未改進(jìn)SWAT模型的前提下，應(yīng)用SWAT模型模擬北方高寒地區(qū)的徑流，雖然結(jié)論是模擬結(jié)果較好，但是對(duì)流量峰值的模擬效果很差，對(duì)2003年的洪水模擬結(jié)果比實(shí)測(cè)值小了將近1000m3/s.表明未經(jīng)改進(jìn)的SWAT模型雖然可以應(yīng)用于寒區(qū)，但適用性非常有限.二是根據(jù)寒區(qū)特點(diǎn)對(duì)SWAT模型的某一或某些特定部分進(jìn)行改進(jìn)，使之符合于寒區(qū)的單個(gè)或多方面的特性，但是局限性非常明顯.比如孫萬(wàn)光[6]對(duì)SWAT模型封凍和解凍期的截留量和土壤覆被指數(shù)，尤其對(duì)積雪的雪水當(dāng)量較大和較小時(shí)的土壤覆被指數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，模擬結(jié)果顯示冰凍期和非冰凍期之間的水文過(guò)程連續(xù)性精度有了明顯提高，但是對(duì)退水過(guò)程的模擬效果較差.這說(shuō)明改進(jìn)的SWAT模型雖然對(duì)寒區(qū)水文過(guò)程的某個(gè)環(huán)節(jié)針對(duì)性有所增強(qiáng)，但還是不能從根本上徹底解決SWAT模型在寒區(qū)水循環(huán)中的適用性問(wèn)題.

概念性集總式新安江模型[17]是典型的蓄滿產(chǎn)流模式的模型，在我國(guó)南方地區(qū)應(yīng)用比較廣泛，由于其提出較早、使用歷史悠久，在科研和實(shí)踐中得到了充分的驗(yàn)證，所以為廣大水利工作者所熟知.而寒區(qū)水文過(guò)程的特點(diǎn)[18]是：在積雪和凍土階段，固態(tài)降水不斷貯存，產(chǎn)流基本停止，主要是退水；在凍融階段，雖然這一時(shí)期的水文特性不穩(wěn)定而且是最復(fù)雜的，但是限于融凍速度，此時(shí)的匯流并非坡面上的，而是類似壤中流匯流，可以認(rèn)為該階段主要的產(chǎn)流模式也是蓄滿產(chǎn)流；主汛期階段，在沒(méi)有大的植被覆蓋變化和顯著的下墊面變化的前提下，這一時(shí)期寒區(qū)的水文特性和非寒區(qū)可以認(rèn)為是一致的.基于此，改進(jìn)新安江模型的思路是從寒區(qū)水文物理特性入手，抓住產(chǎn)流機(jī)制中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)并進(jìn)行概化抽象，在新安江模型的基礎(chǔ)上建立具有物理機(jī)制的適用于寒區(qū)的水文模型.

改進(jìn)的新安江模型通過(guò)假定地面氣溫與高空氣溫為線性關(guān)系[19]，解決了雨夾雪的分配問(wèn)題；根據(jù)熱力學(xué)原理，以氣溫和降水為自變量，計(jì)算融雪出水量；以凍土凍融過(guò)程物理機(jī)制為基礎(chǔ)模擬凍土中土壤水分的運(yùn)移；在假定融凍期產(chǎn)流損失分布與流域蓄水容量分布成正比和土壤蓄水能力是時(shí)間的線性函數(shù)的前提下，通過(guò)線性公式計(jì)算凍土融化時(shí)凍土中水分釋放的產(chǎn)流損失；根據(jù)溫度累計(jì)負(fù)氣溫的值來(lái)確定凍土開(kāi)始和結(jié)束的實(shí)際日期；通過(guò)給定各個(gè)月的蒸散發(fā)折減系數(shù)計(jì)算流域蒸散發(fā)；在水量平衡的原則下分別計(jì)算各種徑流成分以及自由水等并重新設(shè)置參數(shù)來(lái)計(jì)算融凍其壤中流和地下匯流；按蒸散發(fā)能力計(jì)算有積雪存在時(shí)的蒸散發(fā).至此，適用于寒區(qū)新安江模型的模型結(jié)構(gòu)[20-21]基本確定.

改進(jìn)的新安江模型結(jié)構(gòu)是合理的，模型特征與寒區(qū)物理特性一致，所以模擬結(jié)果與寒區(qū)徑流規(guī)律基本吻合.但是，這種改進(jìn)是很粗糙的，不能細(xì)致的體現(xiàn)寒區(qū)水文過(guò)程的每一個(gè)環(huán)節(jié)，所以不能給出水文變量在流域內(nèi)的分布，即水文變量空間變異性問(wèn)題沒(méi)有得到解決.還有忽略了一些具有寒區(qū)特征的問(wèn)題，比如降雪的分散性對(duì)融雪徑流的影響，陽(yáng)坡、背陽(yáng)坡等地形因素對(duì)融雪的影響以及凍土滲漏等問(wèn)題都沒(méi)有考慮在內(nèi).此外，狀態(tài)變量的過(guò)渡轉(zhuǎn)換和模型參數(shù)的確定等問(wèn)題也亟待解決.

應(yīng)用調(diào)試后或改進(jìn)的非寒區(qū)水文模型模擬寒區(qū)水文過(guò)程，存在先天的劣勢(shì)，即存在參數(shù)和物理過(guò)程的等效性問(wèn)題，因?yàn)椴荒艹浞挚紤]寒區(qū)的水文過(guò)程物理機(jī)制，僅僅從模擬效果的角度說(shuō)明非寒區(qū)水文模型在寒區(qū)是適用的[22].比如不考慮寒區(qū)實(shí)際的凍融過(guò)程，通過(guò)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，同樣可以獲得精準(zhǔn)的模擬效果，甚至比考慮寒區(qū)實(shí)際物理過(guò)程的模型模擬效果更好.然而，這種靜態(tài)輸入?yún)?shù)的方式，只能適用于穩(wěn)態(tài)條件(steady state)，而對(duì)瞬態(tài)(transient state)條件則考慮不足，靜態(tài)參數(shù)不能適用于動(dòng)態(tài)條件，模擬結(jié)果最終會(huì)受到影響.所以，開(kāi)發(fā)基于物理過(guò)程、結(jié)合土壤凍融等各種影響因素對(duì)水文過(guò)程影響的動(dòng)態(tài)寒區(qū)水文模型就十分必要.

1.2 基于模塊化建模方法的寒區(qū)水文過(guò)程模擬

物理分布式模型或是集總式模型，物理模型或是概念性模型，它們都是針對(duì)特定問(wèn)題或目標(biāo)、單一的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)、唯一的參數(shù)化方案過(guò)程(包括固有假定)和固定的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)要求而設(shè)定的模型結(jié)構(gòu)，使得模型的適用范圍受到很大限制，不能根據(jù)切實(shí)的建模條件進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè).近年來(lái)，隨著人們對(duì)寒區(qū)認(rèn)識(shí)的深入和科技的發(fā)展，基于建模環(huán)境的模塊化建模思路的模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為寒區(qū)水文過(guò)程研究的新思路.根據(jù)實(shí)際物理過(guò)程特征和數(shù)據(jù)限制設(shè)計(jì)和選擇模型結(jié)構(gòu)、建模策略并考慮模塊內(nèi)參數(shù)化方案和固有的假設(shè)，用戶可以相應(yīng)的搭建適合自己研究區(qū)的模型.同時(shí)，該方法數(shù)據(jù)庫(kù)可觀、建模環(huán)境開(kāi)放，不僅可以幫助用戶實(shí)現(xiàn)已存模塊功能，還可以在原有模塊的基礎(chǔ)上進(jìn)行模塊的二次開(kāi)發(fā)和新模型新模塊的研發(fā).

CRHM(Cold Regions Hydrological Model)模型[23]是由加拿大氣候與氣象委員會(huì)于2006年在IP3(Improved Processes and Parameterization for Prediction in Cold Regions)計(jì)劃中開(kāi)發(fā)的綜合性寒區(qū)水文建模平臺(tái)，該模型以面向?qū)ο蟮哪K化框架MMS(The Modular Modeling System)[24]為基礎(chǔ)，是第一個(gè)具備松散形式的模塊化集成思想[25]的模塊化寒區(qū)水文模型.

松散形式的模塊化集成[26]思想的精髓是描述寒區(qū)水文過(guò)程的模塊庫(kù)中刻畫(huà)寒區(qū)每個(gè)子水文過(guò)程的模塊之間形式上是松散的，使用者根據(jù)研究區(qū)特點(diǎn)和限制條件以及各子模塊特性所選擇的子模塊搭建的水文模型屬于集成研究.

國(guó)際上存在各種各樣的寒區(qū)水文過(guò)程模擬方法，比如與積雪消融過(guò)程有關(guān)的 EBSM模型[27]、SNTHERM 模型[28]、Snobal模型[29]、SNOWPACK 模型[30]等，CRHM將其進(jìn)行整合，組建了完整的寒區(qū)水文過(guò)程模塊庫(kù).選擇的模塊主要包括：Garnier和Ohmura輻射模塊[31]、Prairie風(fēng)吹雪模塊[32]、Gray和Landine反射率模塊[33]、能量平衡法融雪模塊[27]、積雪升華模塊[32]、Gray’s春季凍土區(qū)下滲模塊[34]、Green-Ampt土壤未凍結(jié)下滲模塊[35]、Granger和Gray’s[36]或 Priestley 和 Taylor’s[37]蒸散發(fā)模塊以及Leavesley[38]土壤水分平衡模塊.CRHM模塊化建模方法在寒區(qū)水文過(guò)程模擬中相關(guān)模塊流程見(jiàn)圖1.該模塊庫(kù)集成系統(tǒng)既包含概念性集總模型，又包括基于物理機(jī)制的分布式模型，涉及寒區(qū)水文過(guò)程的各個(gè)子環(huán)節(jié)：輻射交換過(guò)程、風(fēng)吹雪過(guò)程、積雪升華、積雪融化、蒸散發(fā)、降水截留、土壤凍融過(guò)程、凍土和未凍土中的水分遷移、凍土坡面匯流以及產(chǎn)匯流過(guò)程等.最新版本的CRHM已經(jīng)將冰川物質(zhì)平衡和消融過(guò)程考慮在內(nèi)[26].

由于CRHM寒區(qū)水文過(guò)程模塊庫(kù)集成系統(tǒng)的全面性和可選擇性，使用者可以根據(jù)研究區(qū)特性、各子模塊特點(diǎn)、計(jì)算目標(biāo)、現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)、子模塊參數(shù)化方案及其計(jì)算原理等條件有針對(duì)性的靈活選擇最合適的子模塊搭建與研究區(qū)和研究目的最吻合的寒區(qū)水文過(guò)程模型.正是由于模塊化寒區(qū)水文模型CRHM具有全面性(模塊庫(kù))和可選擇性的特點(diǎn)，該模型在應(yīng)用時(shí)具有針對(duì)性和靈活性的特點(diǎn)，即CRHM模型在使用時(shí)可以本地化[39]，在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上便利的選擇子模塊，保證了計(jì)算過(guò)程的便捷性和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性.

2013年周劍等[25]應(yīng)用基于模塊化建模方法CRHM在中國(guó)西北寒區(qū)對(duì)水文過(guò)程進(jìn)行了模擬，驗(yàn)證了該模型在典型寒區(qū)小流域是適用性，結(jié)果表明模塊化的建模方法可減少模型的不確定性，并且適用于無(wú)資料或資料缺少的寒區(qū)；2013年張偉等[40]應(yīng)用CRHM對(duì)高寒土壤熱狀況和水文過(guò)程進(jìn)行了模擬，解決了土壤、生態(tài)、水文、氣象和管理等多因素之間交錯(cuò)關(guān)系、相互作用等問(wèn)題；2017年韓麗等[39]采用CRHM解析了長(zhǎng)江源頭流域水文要素對(duì)氣候因子的響應(yīng)，在地形復(fù)雜、氣候因子空間差異性明顯、水文變量空間 變異性顯著的流域取得了顯著成果.

圖1 CRHM模塊化建模方法在寒區(qū)水文過(guò)程模擬中相關(guān)模塊流程圖Fig.1 The flow chart of CRHM in cold regions hydrology

總之，基于模塊化建模方法CRHM寒區(qū)水文過(guò)程模擬具有以下三方面的優(yōu)點(diǎn)：①可對(duì)現(xiàn)存關(guān)于寒區(qū)水文過(guò)程的模型和算法進(jìn)行評(píng)估；②可對(duì)這些模型和方法根據(jù)自己的理解繼續(xù)修改；③不斷吸納先進(jìn)的寒區(qū)水文模擬進(jìn)入CRHM模塊庫(kù)，進(jìn)而動(dòng)態(tài)發(fā)展新的模型和算法.模塊化建模方法真正踐行了“U盤(pán)化模型”的發(fā)展新思路，即“自帶信息，不裝系統(tǒng)，隨時(shí)插拔，自由協(xié)作”.各子模塊作為模塊庫(kù)的個(gè)體可以自由發(fā)揮本模型的長(zhǎng)處，也就是說(shuō)，各子模塊都具備一種相對(duì)于其他模型的優(yōu)點(diǎn)，該優(yōu)點(diǎn)可以在應(yīng)用中衡量出來(lái)，衡量的標(biāo)準(zhǔn)是計(jì)算結(jié)果的精準(zhǔn)度，這樣就可以在各子模塊之間實(shí)現(xiàn)“隨時(shí)插拔，自由協(xié)作”，規(guī)避了傳統(tǒng)模型對(duì)數(shù)據(jù)或參數(shù)的刻板要求和嵌入模式等問(wèn)題.

模塊化集成模型開(kāi)發(fā)理念是解決惡劣自然環(huán)境寒區(qū)水文循環(huán)的有效途徑.該理念雖然可以集成各寒區(qū)水文模型的優(yōu)點(diǎn)，但是在與陸面模式和氣候模式的耦合方面還很欠缺，不能站在水圈、大氣圈、生物圈、人類圈和巖石圈等圈層的高度考慮寒區(qū)水循環(huán)問(wèn)題，所以加強(qiáng)寒區(qū)陸面過(guò)程模式的開(kāi)發(fā)是很必要的.

1.3 寒區(qū)陸面過(guò)程模型發(fā)展

陸面水文過(guò)程研究的重要目標(biāo)之一就是模擬發(fā)生在地—?dú)饨唤缑嫔系母鞣N物理、化學(xué)和生物過(guò)程，并通過(guò)概化和假設(shè)將這些過(guò)程用于數(shù)值模擬，進(jìn)而準(zhǔn)確的反映發(fā)生在陸地和大氣之間的物質(zhì)和能量變化過(guò)程[41]，陸面水文過(guò)程研究的最終目的就是實(shí)現(xiàn)陸—?dú)怦詈夏Ｊ絒42].目前陸面水文過(guò)程在寒區(qū)的發(fā)展正處于開(kāi)始階段，以水量平衡和能量平衡為兩大理論基礎(chǔ)的陸面水文過(guò)程可以很好的滿足對(duì)能量依賴度更強(qiáng)的寒區(qū)，只是與常用的水文模式相比，陸面水文過(guò)程參數(shù)化方案對(duì)水文過(guò)程的處理都比較簡(jiǎn)單[41].

CoupModel(Coupled heat and mass transfer model for soil-plant-atmosphere system)[43]陸面過(guò)程模式是在SOIL[44]和SOILN[45]模型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的研究土壤—植物—大氣系統(tǒng)中水熱交換(Soil-vegetation-atmosphere transfer)系統(tǒng)中能量、動(dòng)量和質(zhì)量變化過(guò)程及其作用的重要模型.經(jīng)過(guò)數(shù)次修正后[46]，該模型已經(jīng)發(fā)展為不但能夠模擬土壤—植物—大氣系統(tǒng)中水熱交換過(guò)程，而且對(duì)碳氮運(yùn)移也可以進(jìn)行較好的模擬.Jansson[47]等對(duì)CoupModel陸面過(guò)程模式進(jìn)行了詳細(xì)描述.

圖2 CoupModel模型中水量平衡(左)和熱量平衡(右)Fig.2 Water balance(left)and heat balance in CoupModel

CoupModel模型涉及的主要過(guò)程包括土壤水過(guò)程、地表徑流過(guò)程、冠層截流過(guò)程、排水與深層滲透、植被蒸騰過(guò)程、土壤蒸發(fā)過(guò)程、土壤熱量過(guò)程和輻射過(guò)程等[48]，故該模型涵蓋了陸面過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)，可以模擬整個(gè)陸面過(guò)程.其中模型的核心是描述土壤水熱運(yùn)移2個(gè)控制性方程[49]：土壤熱通量方程和土壤水通量方程.新版本的模型加入了考慮輻射過(guò)程和表層地?zé)嵬俊⒒谫|(zhì)量守恒和能量平衡的積雪過(guò)程部分，涉及寒區(qū)的水文過(guò)程中該模型可以計(jì)算長(zhǎng)短波輻射、土壤熱通量、土壤溫度、土壤水分、土壤凍融起止時(shí)間和凍融深度等.此外，該模型含有多種參數(shù)化優(yōu)化方案，使之可以很好的適用于無(wú)資料和缺資料地區(qū).

CoupModel模型是一維動(dòng)態(tài)模型[50]，不能描述橫向的水熱流動(dòng)，故模型結(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步完善；在尺度方面，CoupModel模型屬于“點(diǎn)”尺度模型[51]，不能很好的刻畫(huà)下墊面不均勻性的影響，所以在流域尺度上很難得到應(yīng)用；CoupModel模型幾乎涵蓋了陸面過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)，所以涉及的參數(shù)較多，故在參數(shù)估計(jì)過(guò)程中就難免存在異參同效現(xiàn)象，需要對(duì)象進(jìn)行簡(jiǎn)化，確定影響水熱通量的關(guān)鍵性參數(shù)；CoupModel模型在歐洲地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用，但是在國(guó)內(nèi)尤其是寒區(qū)應(yīng)用較少，故其適用性尤其在寒區(qū)的適用性需要進(jìn)一步驗(yàn)證.

2 展望

寒區(qū)水文循環(huán)由于其處于冰凍圈科學(xué)和水文科學(xué)交叉學(xué)科上的特殊性，使其本身具有與生俱來(lái)的復(fù)雜性，加之寒區(qū)所處區(qū)域多為環(huán)境惡劣地區(qū)，又增大了第一手觀測(cè)資料的獲得難度.很多大型研究計(jì)劃，比如世界氣候研究計(jì)劃(WCRP)、國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃(IGBP)、氣候與冰凍圈計(jì)劃(Climate and Cryosphere，Clic)、PUB 計(jì)劃(Predictions in Ungauged Basins)以及IP3計(jì)劃等都將寒區(qū)水文過(guò)程的研究作為重要研究?jī)?nèi)容或核心計(jì)劃，體現(xiàn)了寒區(qū)水文循環(huán)研究的重要性和必要性.

在研究寒區(qū)水文循環(huán)的眾多模型中，本文通過(guò)歸納分類，將其分為非寒區(qū)水文模型的直接應(yīng)用及其改進(jìn)、基于模塊化建模方法的寒區(qū)水文過(guò)程模擬和寒區(qū)陸面過(guò)程模型等三類.

非寒區(qū)水文模型的直接應(yīng)用及其改進(jìn)方法雖然可以針對(duì)研究目的、寒區(qū)特點(diǎn)和模型特征三方面的綜合評(píng)估，按照“最近鄰”的原則將非寒區(qū)的水文模型“移植”到寒區(qū)進(jìn)行應(yīng)用，但是需要盡量大工作量的參數(shù)調(diào)試，應(yīng)用調(diào)試后或改進(jìn)的非寒區(qū)水文模型模擬寒區(qū)水文過(guò)程，存在先天的劣勢(shì)，即存在參數(shù)和物理過(guò)程的等效性問(wèn)題，因?yàn)椴荒艹浞挚紤]寒區(qū)的水文過(guò)程物理機(jī)制，僅僅從模擬效果的角度說(shuō)明非寒區(qū)水文模型在寒區(qū)是適用性.

基于模塊化建模方法的寒區(qū)水文過(guò)程模擬真正踐行了“U盤(pán)化模型”的發(fā)展新思路，具有以下三方面的優(yōu)點(diǎn)：①可對(duì)現(xiàn)存關(guān)于寒區(qū)水文過(guò)程的模型和算法進(jìn)行評(píng)估；②可對(duì)這些模型和方法根據(jù)自己的理解積雪修改；③不斷吸納先進(jìn)的寒區(qū)水文模擬進(jìn)入CRHM模塊庫(kù)，進(jìn)而動(dòng)態(tài)發(fā)展新的模型和算法.但是該方法還是以水文模型為基礎(chǔ)，多為中小尺度上的計(jì)算，缺少大格局、大尺度的陸—?dú)忾g水分能量通量的宏觀模擬.

寒區(qū)陸面過(guò)程模型彌補(bǔ)了以上不足，它不但可以模擬陸—?dú)忾g水分能量通量，還可以與上端口的氣候模式和全球模式、下端口的水文模型進(jìn)行耦合，但耦合技術(shù)尚不完善.陸面水文過(guò)程模式與水文模型在時(shí)空尺度上存在“十”字的不匹配性，即在空間上陸面水文過(guò)程多為大尺度，而水文模型多為中小尺度，在時(shí)間上，陸面過(guò)程多以秒、分、時(shí)為基本單位，而水文模型的基本時(shí)間步長(zhǎng)則多為分、時(shí)、日、月、年等.開(kāi)發(fā)具有高精度、小口徑的陸面水文過(guò)程模型，實(shí)現(xiàn)大氣陸面的雙向耦合是寒區(qū)水文循環(huán)研究中亟待解決的問(wèn)題.

雖然目前對(duì)于寒區(qū)水文循環(huán)的研究從機(jī)理認(rèn)識(shí)到模型模擬都還處于探索階段，各環(huán)節(jié)都還有待完善，但是隨著對(duì)寒區(qū)地表過(guò)程的研究，數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，包含冰川水文、積雪水文、凍土水文、海冰水文和河湖冰水文等各個(gè)模塊、適應(yīng)不同區(qū)域不同特點(diǎn)典型寒區(qū)水文模型也得到了長(zhǎng)足發(fā)展.由于寒區(qū)水文過(guò)程的特殊性、復(fù)雜性、不確定性和重要性，開(kāi)發(fā)基于寒區(qū)物理機(jī)制、符合實(shí)際的高精度、多尺度、可耦合的典型寒區(qū)水循環(huán)模型是寒區(qū)水文循環(huán)研究的重要方向之一.

3 結(jié)束語(yǔ)

寒區(qū)水文循環(huán)在全球水分和能量循環(huán)中占據(jù)特殊的地位，非寒區(qū)水文模型的直接應(yīng)用及其改進(jìn)、基于模塊化建模方法的寒區(qū)水文過(guò)程模擬和寒區(qū)陸面過(guò)程模型等都可以作為研究寒區(qū)水文循環(huán)的有效工具，并對(duì)認(rèn)識(shí)寒區(qū)水文循環(huán)過(guò)程和能量水分循環(huán)機(jī)理做出一定的貢獻(xiàn).但是寒區(qū)水文過(guò)程因其特殊性、復(fù)雜性和不確定性，模型中涉及寒區(qū)水循環(huán)的各環(huán)節(jié)都還有待完善，開(kāi)發(fā)基于寒區(qū)物理機(jī)制、符合實(shí)際的高精度、多尺度、可耦合的典型寒區(qū)水循環(huán)模型是寒區(qū)水文循環(huán)模型發(fā)展的必然趨勢(shì).

在模型完整性，應(yīng)該盡可能的開(kāi)發(fā)涵蓋春汛期、春汛退水期(夏初)、夏汛期、夏汛退水期(秋季)以及冬季凍結(jié)期五個(gè)環(huán)節(jié)的寒區(qū)水文模型，使得凍結(jié)期和非凍結(jié)期以及它們之間的過(guò)渡時(shí)段在徑流模擬上完成很好的銜接，尤其是過(guò)渡時(shí)段的模擬應(yīng)特別注重凍土融水、積雪融水、降水、等多水源寒區(qū)徑流組分的的構(gòu)成及其分割.同時(shí)，模型還應(yīng)考慮植被、氣溫、降水和土壤凍融對(duì)寒區(qū)水循環(huán)過(guò)程的影響.

在模型全面性方面，應(yīng)充分考慮冰川、積雪、凍土、海冰以及河湖冰等多方面的寒區(qū)水文過(guò)程，單獨(dú)考慮某一方面水文過(guò)程的寒區(qū)水文模型都是片面的.寒區(qū)水循環(huán)過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的水文過(guò)程，它既有非寒區(qū)水循環(huán)物理生化機(jī)理的共性，又有寒區(qū)所特有的特性，而隨著寒區(qū)區(qū)域不同、環(huán)境不同、成因不同，寒區(qū)水文過(guò)程彼此之間又存在差異，所以，典型的寒區(qū)水文模型應(yīng)該將影響寒區(qū)水文過(guò)程的全要素考慮在內(nèi).

在模型空間性方面，應(yīng)該開(kāi)發(fā)多尺度寒區(qū)水文模型.寒區(qū)水文過(guò)程是水文學(xué)的一個(gè)特殊分支，但同時(shí)它也是冰凍圈科學(xué)的重要組成部分，與水圈、大氣圈、生物圈、人類圈和巖石圈之間存在著相互影響、雙向互饋關(guān)系.寒區(qū)水文模型與陸面模式以及區(qū)域氣候模式和全球模式的雙向耦合已成為研究寒區(qū)對(duì)全球變化的響應(yīng)和影響的必然需求，發(fā)展精細(xì)的寒區(qū)陸—?dú)狻詈夏Ｊ绞呛畢^(qū)水文過(guò)程面臨的最大挑戰(zhàn)，也是寒區(qū)水循環(huán)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)和核心問(wèn)題之一.