楊金明，李誠(chéng)志,3?，房世峰，趙求東，秦 艷,3，劉永強(qiáng),3，孫志群,3，孟現(xiàn)勇，劉 洋，劉志輝

(1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊830046；2.新疆大學(xué) 干旱生態(tài)環(huán)境研究所，新疆 烏魯木齊830046；3.新疆大學(xué) 綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊830046；4.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所，北京100101；5.中國(guó)科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，甘肅 蘭州730000 )

0 引言

新疆是一個(gè)積雪廣布、雪災(zāi)和春洪多發(fā)地區(qū).春季積雪強(qiáng)烈消融期間，極易引發(fā)融雪性洪水，給當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)和人民的生活都帶來(lái)嚴(yán)重影響和經(jīng)濟(jì)損失.全球氣候變化大背景下，新疆積雪融水洪水頻次呈增大趨勢(shì)，造成巨大洪災(zāi)損失.融雪洪水模擬與預(yù)報(bào)中涉及水-熱耦合過(guò)程，其過(guò)程較降雨徑流物理過(guò)程更為復(fù)雜，融雪洪水模擬和預(yù)報(bào)一直是水文研究的難點(diǎn)[1].加之時(shí)空條件限制，數(shù)據(jù)采集與獲取困難，時(shí)空尺度轉(zhuǎn)換困難，融雪洪水模擬和預(yù)報(bào)研究在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)展緩慢.為應(yīng)對(duì)新疆社會(huì)經(jīng)濟(jì)及公眾安全的需求和融雪洪水科學(xué)問(wèn)題的解答，劉志輝及其研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了季節(jié)性融雪監(jiān)測(cè)、融雪產(chǎn)匯流機(jī)理、融雪徑流模型、融雪洪水預(yù)警決策支持系統(tǒng)等方面的研究.其中許多方面取得突破性研究成果，這些研究成果對(duì)于區(qū)域水資源管理、洪水預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義.

1 融雪期積雪特征監(jiān)測(cè)

積雪融化過(guò)程中，積雪蓋度、雪水當(dāng)量、雪表面溫度、雪深、雪含水率、雪孔隙率等積雪特征是影響積雪融化速度和融雪水量的關(guān)鍵因素.在季節(jié)性融雪中，這些積雪特征均會(huì)隨著積雪融化而改變，而融雪模型均需要對(duì)這些積雪特征進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).

1.1 積雪光譜特征

地物的波譜特性是遙感解譯的物理基礎(chǔ)，為解決融雪期雪蓋、雪水當(dāng)量、雪表面溫度、雪深、雪含水率、雪孔隙率等遙感識(shí)別問(wèn)題，劉志輝研究團(tuán)隊(duì)對(duì)融雪期積雪光譜特性進(jìn)行研究，期望從遙感方面獲得積雪特性的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用便攜式野外光譜儀測(cè)量融雪期積雪、冰、水以及土壤的光譜曲線及其變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)融雪期積雪、冰、水和土壤之間存在復(fù)雜交互式影響，各地物光譜特性及其變化較為復(fù)雜[2]，光譜在1 022 nm、1 241 nm和1 492 nm附近是積雪特征的吸收谷[3].積雪各參數(shù)幾乎都有對(duì)應(yīng)的敏感波段.地物光譜儀特征曲線和積雪含水率（Snow Folk積雪特性?xún)x測(cè)量）相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)積雪光譜特征與積雪表層含水率負(fù)相關(guān)，且隨著波長(zhǎng)增加這種負(fù)相關(guān)關(guān)系更明顯，在1 204 nm處相關(guān)性最高[4].融雪期積雪表面反射光譜與積雪深也存在相關(guān)性.積雪光譜的反射率（Reflectance）、倒數(shù)之對(duì)數(shù)log（1/R）、標(biāo)準(zhǔn)化比值（R/R_（450-750））、Box-Cox轉(zhuǎn)換值4種光譜指標(biāo)與不同波段組合建立雪深的多元線性回歸預(yù)測(cè)模型，結(jié)果顯示標(biāo)準(zhǔn)化比值與可見(jiàn)光、近紅外波段組合預(yù)測(cè)積雪深度精度最高[5]，運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型也可以得到較好反演進(jìn)精度[3].積雪含水率、雪密度和總孔隙率也可以通過(guò)積雪可見(jiàn)光、近紅外光和短波紅外波段的反射率組合來(lái)反演[6].習(xí)阿幸（2015）運(yùn)用偏最小二乘法（PLS）對(duì)相關(guān)性較高的波段進(jìn)行壓縮，提取四個(gè)主成分，運(yùn)用PLS-BP模型進(jìn)行積雪孔隙率反演，其反演精度得到提高，相關(guān)系數(shù)R2=0.915 9[7].積雪光譜特征研究結(jié)果為積雪特征定量遙感反演提供了理論基礎(chǔ).目前，研究團(tuán)隊(duì)主要進(jìn)行室外積雪光譜研究，然而室外積雪光譜受多種因素影響，如太陽(yáng)高度角、空氣氣溶膠、覆蓋面組合、下地面類(lèi)型、氣溫等，光譜的重現(xiàn)性不足，得出的積雪遙感反演規(guī)律受特定環(huán)境影響，制約其在其他區(qū)域或其他環(huán)境下的應(yīng)用，積雪特征的光譜特征規(guī)律研究還需要進(jìn)行大量的室內(nèi)控制實(shí)驗(yàn)研究.

1.2 積雪遙感監(jiān)測(cè)

遙感監(jiān)測(cè)具有監(jiān)測(cè)范圍廣、周期快、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn).在積雪監(jiān)測(cè)研究中，遙感監(jiān)測(cè)發(fā)展最迅速[8].劉志輝研究團(tuán)隊(duì)在積雪光譜特征的基礎(chǔ)上針對(duì)融雪洪水徑流模型需求對(duì)融雪期積雪雪蓋、雪深、雪表面溫度進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)研究[9].MODIS數(shù)據(jù)主要運(yùn)用歸一化差分雪蓋指數(shù)（NDSI）和反射率對(duì)積雪蓋度信息進(jìn)行提取[10]，然而它只能將像元辨別為積雪或非積雪，解決不了融雪期混合像元問(wèn)題.裴歡（2008）運(yùn)用線性光譜混合模型對(duì)MODIS歸一化差分雪蓋指數(shù)進(jìn)行修正，提高其在融雪期的監(jiān)測(cè)精度[11].NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)提取積雪雪蓋方式與MODIS數(shù)據(jù)不同，是利用可見(jiàn)光波段和近紅外波段信息提取.麻旭輝（2008）對(duì)NOAA/AVHRR與EOS/MODIS的積雪雪蓋提取模式進(jìn)行對(duì)比，顯示兩者在積雪監(jiān)測(cè)上各有優(yōu)點(diǎn)和不足[12].孫志群（2012）運(yùn)用NDSI和S3兩種雪蓋指數(shù)對(duì)HJ-1B數(shù)據(jù)林區(qū)的雪蓋信息提取，結(jié)果顯示加入植被信息后兩種雪蓋指數(shù)均能較好提取森林覆蓋下的積雪蓋度[13].Pei（2009）利用實(shí)測(cè)雪深數(shù)據(jù)和MODIS反射率進(jìn)行回歸，建立MODIS雪深反演模型，反演積雪雪深[14]，為融雪模型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).積雪表面溫度也是融雪模型中一個(gè)重要因子.邱冬梅（2011）參照MODIS陸面溫度的反演模型，對(duì)其加以修正提出了雪表面溫度反演模型[9].孫志群（2014）考慮融雪期林下積雪和混合像元條件，提出MODIS亞像元雪表面溫度反演公式[15].研究團(tuán)隊(duì)在融雪模型需求下利用遙感對(duì)融雪期的積雪特性進(jìn)行應(yīng)用性反演研究，為融雪模型應(yīng)用提供了必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也為光學(xué)積雪遙感發(fā)展提供有益的研究案例.從融雪模型需求看，目前積雪遙感監(jiān)測(cè)仍存在許多不足.MODIS屬于中分辨率數(shù)據(jù)，利用MODIS反演的雪蓋、雪深、雪溫?cái)?shù)據(jù)空間尺度過(guò)大，不能滿足分辨率更高的融雪模型.雪深反演精度仍不高，雪深數(shù)據(jù)的誤差導(dǎo)致融雪模型整體精度不高.另外，融雪模型需求的雪水當(dāng)量、雪密度、雪含水率、雪孔隙率等數(shù)據(jù)遙感反演方法仍未解決.

1.3 積雪地面監(jiān)測(cè)

針對(duì)融雪模型需求，劉志輝研究團(tuán)隊(duì)在天山北坡典型流域（軍塘湖流域）開(kāi)展常規(guī)地面積雪監(jiān)測(cè).王剛（2013）基于ZigBee技術(shù)將各個(gè)積雪監(jiān)測(cè)設(shè)備組建成網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS傳輸至監(jiān)測(cè)中心，實(shí)現(xiàn)了積雪實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[16].基于地面積雪觀測(cè)數(shù)據(jù)，王元（2014）對(duì)融雪期雪層溫度、雪層含水量和雪密度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)融雪期間上層雪層平均溫度最高，中層最低；融雪前期陽(yáng)坡雪層平均溫度大于陰坡，而融雪后期陰坡積雪平均溫度則大于陽(yáng)坡；融雪期下層積雪含水率最大，上層次之，中層最小，其中陽(yáng)坡雪層平均含水率大于陰坡；融雪期初期雪層剖面密度梯度較大，后期密度梯度縮小，其中陽(yáng)坡平均密度大于陰坡[17].融雪后期積雪含水量變化較大，融雪前期、后期積雪含水率從上向下依次減少，而融雪中期則完全相反；在氣溫影響下，積雪含水率日間會(huì)產(chǎn)生變化，但存在滯后性[18].另外，對(duì)融雪期的積雪粒徑、積雪密度、雪水當(dāng)量也進(jìn)行了監(jiān)測(cè)[19].魏召才（2010）觀察到積雪在融雪期不斷密實(shí)化和熟化，積雪顆粒粒徑和冰晶之間的空隙不斷增大，雪層最大持水能力不斷減小，這為融雪水的出流創(chuàng)造了條件[20].地面積雪監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為融雪模型的修正和模型模擬提供了大量數(shù)據(jù)，但地面監(jiān)測(cè)均是點(diǎn)監(jiān)測(cè)，不能提供模型模擬所需求的面狀數(shù)據(jù).在開(kāi)展研究過(guò)程中，受到經(jīng)費(fèi)、人員等客觀條件限制，研究團(tuán)隊(duì)在地面設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)較少，監(jiān)測(cè)點(diǎn)梯度設(shè)置仍不足.

2 凍土下積雪融化產(chǎn)流機(jī)理

因季節(jié)性?xún)鐾链嬖?，淺層土壤的水熱變化直接影響融雪水下滲及積雪產(chǎn)流過(guò)程，淺層土壤溫度和土壤濕度是融雪產(chǎn)流模擬的重要參數(shù).

2.1 季節(jié)性?xún)鐾镣寥罍貪穸茸兓?/h3>

土壤溫濕度變化直接影響季節(jié)性?xún)鐾恋膬鋈谶^(guò)程，進(jìn)而影響融雪水下滲，是融雪水徑流產(chǎn)流機(jī)制的重要因子，是融雪洪水發(fā)生的關(guān)鍵所在.劉志輝研究團(tuán)隊(duì)對(duì)融雪期淺層土壤（0～50cm）溫度和濕度進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)，分析淺層土壤溫度和濕度對(duì)融雪水徑流的影響.

融雪期，淺層土壤溫度主要受氣溫作用.大氣溫度傳導(dǎo)到土壤引起土壤溫度變化.在日尺度上，土壤溫度隨大氣溫度變化而呈單峰單谷型波動(dòng)變化[21].土壤溫度傳導(dǎo)由淺到深逐層傳導(dǎo)，深層土壤出現(xiàn)明顯延遲現(xiàn)象，隨著土壤深度增加氣溫對(duì)土壤溫度的影響逐步減弱[22].氣溫作用下凍土層從上向下逐層融化.積雪存在時(shí)，雪蓋阻礙大氣熱量向土壤傳導(dǎo)，具有明顯的絕熱保溫作用[21]，且積雪越厚，這種絕熱現(xiàn)象越明顯[22].在融雪后期，深層土壤溫度上升，逐步向上層土壤傳導(dǎo)，影響淺層土壤溫度[23]，凍土層從底部開(kāi)始融化[24].氣溫和底部地?zé)峁餐饔脤?dǎo)致淺層土壤和深層土壤溫度同時(shí)上升，致使凍土從上下層同時(shí)融化，即“雙向融化” 現(xiàn)象[24].

融雪期，土壤濕度變化是土壤溫度和融雪水熱量交換的綜合作用結(jié)果[25].土壤溫度直接影響土壤中的自由水.土壤溫度高于凍土融化溫度時(shí)，凍土融化，土壤自由水增加；土壤溫度低于凍土融化溫度時(shí)，土壤凍結(jié)，土壤自由水減少.淺層土壤溫度與氣溫相關(guān)，因此土壤濕度與氣溫也存在較高相關(guān)性，10～20cm土壤濕度與氣溫相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.908[26].土壤濕度日變化和土壤溫度一樣也呈單峰單谷型波動(dòng)[26].在太陽(yáng)輻射和滯后的熱傳導(dǎo)作用下，在日尺度上，土壤濕度呈現(xiàn)兩個(gè)峰值，分別在當(dāng)?shù)貢r(shí)間15：00和17：00[27].根據(jù)氣溫和淺層土壤濕度的相關(guān)性，可以利用氣溫變化模擬淺層土壤濕度變化[28].深層土壤濕度則主要受下層地溫影響.融雪后期，土壤剖面在氣溫和地溫共同作用下，呈現(xiàn)表層和下層土壤濕度高，中間濕度低的“凹形”曲線分布[29].融雪水入滲后補(bǔ)給土壤水分，使淺層土壤水分迅速增加.融雪水溫度一般高于凍土融化溫度，融雪水帶來(lái)的熱量進(jìn)一步融化凍土，土壤濕度進(jìn)一步增加[28].地表積雪完全融化后，劇烈蒸發(fā)引起淺層土壤水分損耗較多[22]，淺層土壤水分迅速下降.融雪期，陰坡、陽(yáng)坡和林間太陽(yáng)輻射存在明顯差異，其土壤水分變化規(guī)律也不同，各自的變化規(guī)律有待進(jìn)一步比較研究.

2.2 季節(jié)性?xún)鐾翖l件下的產(chǎn)流機(jī)制

凍土在水冰轉(zhuǎn)換作用下具有明顯的凍脹性.凍土中土壤水轉(zhuǎn)變?yōu)楸?，體積膨脹使土壤中孔隙度減小，土壤下滲率降低，阻礙融雪水下滲.季節(jié)性?xún)鐾恋臏p滲能力與土壤凍土深度成正比[30].融雪期，融雪水下滲帶來(lái)的熱量、氣溫上升傳導(dǎo)的熱量、太陽(yáng)輻射傳導(dǎo)的熱量以及地溫傳導(dǎo)的熱量使土壤冰逐步融化，土壤孔隙逐步得以融通，融通后的土壤孔隙比未凍結(jié)土壤孔隙還要大，凍土溶化后融雪水的下滲得到增強(qiáng).融雪期，影響凍土融化的直接因素是土壤溫度和土壤濕度.土壤溫度控制著土壤水分的冰與水轉(zhuǎn)換、土壤凍融深度，影響融雪水入滲[30].季節(jié)性?xún)鐾烈话憬?jīng)歷穩(wěn)定凍結(jié)期、凍融交替變化期、無(wú)凍期三個(gè)階段[31].季節(jié)性?xún)鐾羶鋈谧兓绊懼谘┧a(chǎn)流機(jī)制變化.

（1）超滲產(chǎn)流機(jī)制

在積雪融化初期，淺層土壤溫度低于凍土融化溫度，凍土處于穩(wěn)定凍結(jié)狀態(tài)，土壤表面即為凍土層上界面，土壤初始下滲率(f)等于凍土層的下滲率（ff），而凍土下滲率很小，積雪融水（m）到達(dá)土壤面后僅少量下滲，大部分形成地表徑流(rs），此時(shí)融雪水的產(chǎn)流方式（圖1 a）與雨水超滲產(chǎn)流方式相同.其中，地表徑流rs=m?ff；當(dāng)m≥ff，地表產(chǎn)流量Rt為：

式中Rt為地表產(chǎn)流量，t為出流時(shí)間，m為單位時(shí)間的融雪水量，ff為凍土下滲率.

融雪初期，如經(jīng)歷一個(gè)氣溫急劇上升過(guò)程，出現(xiàn)大面積積雪融化，而下腹凍土還未融化，則會(huì)導(dǎo)致流域超滲產(chǎn)流，形成快速的融雪性洪水，這種洪水過(guò)程線峰尖偏瘦，洪水形成速度快，預(yù)測(cè)預(yù)警較為困難，對(duì)生產(chǎn)生活破壞較大.經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)多年觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：氣溫、雪深和季節(jié)性?xún)鐾恋纳疃葲Q定著這種超滲產(chǎn)流洪水過(guò)程線峰值[32].季節(jié)性?xún)鐾链嬖跅l件下，融雪水出流時(shí)間比沒(méi)有季節(jié)性?xún)鐾烈崆?天[31].

圖1 凍土存在下的融雪產(chǎn)流示意圖Fig 1 Schematic diagram of snow-melt runoff in the presence of frozen soil

a凍土未融化時(shí)形成超滲產(chǎn)流：m為單位時(shí)間的融雪水量，rs為地表徑流，ff為凍土下滲率，f1為土壤下滲率；b 上層凍土融化后形成飽和產(chǎn)流：rss為壤中流，f2為凍土融化后的土壤下滲率，其他同a.

（2）飽和產(chǎn)流機(jī)制

隨著積雪-土壤層所獲得的熱能增加，土壤溫度逐步上升，凍土開(kāi)始緩慢融化.當(dāng)凍土開(kāi)始融化但未融穿時(shí)，下滲的融雪水在土壤-凍土的上界面積聚，形成積水層，直至積水層蓄滿才產(chǎn)生地表面徑流（如圖1 b），即凍土融化層土壤含水量達(dá)到飽和狀態(tài)后形成飽和產(chǎn)流方式.融化凍土壤層的下滲率（f2）在下滲初期速率較大，并隨土壤含水量的增加而遞減，最后達(dá)到穩(wěn)定下滲率（f2c）.下部未融化的凍土下滲率（ff）相對(duì)于融化凍土壤層的下滲率仍較小，在凍土融化界面逐步形成積水層，如果凍融土壤界面存在坡度，則在凍融土壤界面形成壤中流（rss）.隨著融化土壤含水量的增加，達(dá)到飽和后，在土壤和積雪界面形成地表徑流（rs）.此時(shí)融雪出水率為：rs+rss=m?ff，地表產(chǎn)流量Rt為：

式中Rt為地表產(chǎn)流量，t為出流時(shí)間，m為單位時(shí)間的融雪水量，ff為凍土下滲率，rss為融化凍土中的壤中流.

飽和產(chǎn)流機(jī)制主要出現(xiàn)在融雪中期，此時(shí)上層凍土已融化，下層凍土仍然凍結(jié)，融雪水下滲使上層融化凍土層飽和后產(chǎn)生地表徑流，形成融雪洪水，此種洪水歷時(shí)長(zhǎng)，洪峰平緩.凍土融化深度越深其洪峰越平緩，洪峰值越小，洪峰歷時(shí)越長(zhǎng).有時(shí)，洪水從凍土融化開(kāi)始一直持續(xù)到凍土全部融化，洪水洪峰一般不大，對(duì)生產(chǎn)生活影響較小.從土壤濕度變化角度看，表層凍土的土壤濕度快速上升，下層土壤濕度變化?。ㄏ聦觾鐾廖慈诨﹦t會(huì)導(dǎo)致此種融雪洪水產(chǎn)生[27]，凍土濕度變化的深度越深融雪水洪峰峰值越小[33].

（3）超滲-飽和交替產(chǎn)流機(jī)制

融雪期，淺層土壤受大氣溫度、太陽(yáng)輻射等能量的周期性波動(dòng)，淺層土壤凍-融也出現(xiàn)晝夜周期性變化.白天在大氣溫度、太陽(yáng)輻射作用下上層凍土融化，晚上氣溫下降使上層融化凍土又凍結(jié)，形成凍融交替變化期.此時(shí)融雪水的產(chǎn)流機(jī)制包含了凍土未融化的超滲產(chǎn)流機(jī)制和上層凍土融化后的飽和產(chǎn)流機(jī)制.凍融交替變化期形成的洪水會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)洪峰[34].一個(gè)洪峰形成于當(dāng)?shù)貢r(shí)間15：00左右，洪峰歷時(shí)短，峰值相對(duì)較高；另一個(gè)洪峰形成于當(dāng)?shù)貢r(shí)間19：00左右，洪峰持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，峰值相對(duì)較低.

（4）凍土融化后融雪水下滲

融雪末期，熱量條件達(dá)到能夠?qū)鐾寥诖┗蛲耆诨ㄈ鐖D2）.此時(shí)融化凍土層下滲率（f2）相對(duì)于未凍結(jié)土壤下滲率（f1）要大.如果融雪水（m）小于融化凍土層下滲率，融雪水則全部下滲至土壤中，不產(chǎn)流.如果氣溫快速回升或降雨，融雪水（m）大于融化凍土層下滲率，地表形成超滲產(chǎn)流.地表徑流rs=m?f2；地表徑流為：

式中Rt為地表產(chǎn)流量，t為出流時(shí)間，m為單位時(shí)間的融雪水量，f2為融化凍土下滲率.

凍土融化后，融雪水產(chǎn)流機(jī)制和雨水產(chǎn)流機(jī)制一樣，僅融化凍土的下滲率比土壤下滲率稍大.只有在融雪期偶遇氣溫迅速回升或是融雪期出現(xiàn)降雨的情況下才導(dǎo)致洪水[30]，洪水歷時(shí)短，洪峰小.

融雪期間的產(chǎn)流機(jī)制相比雨水產(chǎn)流機(jī)制要更加復(fù)雜.凍土存在改變了融雪水的下滲速率，融雪水下滲少，直接形成地表徑流，從而導(dǎo)致春洪的發(fā)生.相反，若凍土層融化，融雪水快速下滲，減少了地表徑流，降低了春洪發(fā)生的概率[35].

圖2 凍土融化后的融雪產(chǎn)流示意圖Fig 2 Schematic diagram of snow-melt runoff after thawing of frozen soil

3 分布式融雪徑流模型

基于遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)和地面觀測(cè)數(shù)據(jù)，劉志輝研究團(tuán)隊(duì)建立了分布式融雪徑流模型[36].分布式融雪徑流過(guò)程模型基于能量平衡和水量平衡，由分布式柵格融雪過(guò)程、分布式柵格產(chǎn)流過(guò)程以及分布式柵格匯流過(guò)程組成，融雪以及產(chǎn)匯流過(guò)程全部基于柵格尺度，實(shí)現(xiàn)了融雪過(guò)程的分布式模擬[37].融雪過(guò)程模擬分別考慮概念模型和物理模型，即度-日融雪模型和能量平衡融雪模型[38].

3.1 度-日模型

度-日模型是基于冰雪消融與氣溫尤其是冰雪表面的正積溫之間的線性關(guān)系而建立的[38]，是一個(gè)廣泛使用的概念性融雪模型.度-日模型為：

式中M積雪消融量(mm/d)；Cm為積雪消融的度-日因子（mm/?C · d），Tair為氣溫(?C)，Tmelt為融雪的臨界溫度(?C).

度-日模型相對(duì)比較簡(jiǎn)單，模型的主要參數(shù)只有氣溫，分布式氣溫容易獲取，容易實(shí)現(xiàn)分布式模型[38].房世峰（2007）等人在柵格單元上運(yùn)用度-日模型形成每個(gè)柵格的度-日融雪過(guò)程[39]，轉(zhuǎn)換度-日模型中的“日單元時(shí)段”為半小時(shí)的“分單元時(shí)段”，形成“度-分融雪模型”[37]，為度-日模型的時(shí)間尺度轉(zhuǎn)換提供了新思路[40].在模型中首次引入“凍融系數(shù)”，用“凍融系數(shù)”來(lái)刻畫(huà)融雪過(guò)程中復(fù)雜的凍-融現(xiàn)象[37,39,40].模型需要的積雪信息、地表溫度來(lái)源于MODIS等遙感數(shù)據(jù)解譯[11,14,15,41].劉永強(qiáng)（2011）利用DEM計(jì)算流域的坡度、坡向、水流流向等特征信息，提取流域匯流網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)用Java解決融雪匯流模型中到出口斷面的時(shí)間長(zhǎng)度和匯流量的關(guān)鍵算法，實(shí)現(xiàn)逐個(gè)柵格匯流演算[42].針對(duì)融雪徑流模型需求建立融雪模型的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、方法庫(kù)、模型庫(kù)、知識(shí)庫(kù)[43]，從根本上解決了模型的表示、管理、組合運(yùn)行，模型數(shù)據(jù)的共享和交換及復(fù)用等關(guān)鍵性問(wèn)題.基于“3S”技術(shù)，構(gòu)建了B/S與C/S相結(jié)合的融雪洪水預(yù)警決策支持系統(tǒng)[43?45].基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以進(jìn)一步構(gòu)建融雪洪水預(yù)警系統(tǒng)[46]和綜合水資源管理信息系統(tǒng)[47].

3.2 能量平衡模型

能量平衡融雪模型是基于融雪物理基礎(chǔ)而建立的模型，能量項(xiàng)包括：雪蓋儲(chǔ)熱變化，凈輻射（凈短波輻射和長(zhǎng)波輻射），地下的熱傳輸，大氣和雪蓋之間的熱傳遞，蒸發(fā)潛熱，降雨所傳送的熱量（如圖3），其積雪層能量平衡公式如下：

式中M為融雪量，λ為雪的融解熱（3.34 ×105J/kg），Qm為積雪層儲(chǔ)熱變化量，QR為凈輻射，Qp為融雪期降雨所帶來(lái)的能量，Qh為感熱，Qle為潛熱，Qg為地?zé)?積雪層水量（W）平衡方程為：

式中P為降雨量，M為融雪量(M=m×△t)，Es為升華和蒸發(fā)量，F(xiàn)為土壤下滲量，Rt為地表產(chǎn)流量.

分布式水文模型在國(guó)內(nèi)外發(fā)展非常迅速，已具有一些成熟的模型，諸如SHE(System Hydrological European）、SWAT（Soil&Water Assessment Tool）等，但是基于能量平衡的融雪徑流的研究相對(duì)較少，幾乎沒(méi)有理想的模型能夠模擬融雪徑流.趙求東（2009）利用WRF預(yù)報(bào)出的氣象數(shù)據(jù)（氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、輻射）驅(qū)動(dòng)DHSVM模型（Distributed Hydrology-Soil-Vegetation Model），首次實(shí)現(xiàn)了能量平衡融雪模型下的融雪洪水短期預(yù)報(bào)[48].秦艷（2010）根據(jù)能量平衡和水量平衡原理構(gòu)建單層融雪模型[49]，喬鵬（2011）用國(guó)家氣象局的T639L60預(yù)報(bào)場(chǎng)數(shù)據(jù)，WRF耦合單層融雪模型形成基于能量平衡的分布式融雪徑流模型，并取得較好的模擬精度[50].賀青山（2012）在單層融雪模型的基礎(chǔ)上將雪層分為兩層，形成雙層融雪模型[35]，精度較好.

圖3 水熱平衡的融雪產(chǎn)流示意圖Fig 3 Schematic diagram of snow-melt runoff on water-heat balance

孟現(xiàn)勇（2013）運(yùn)用GIS技術(shù)與遙感技術(shù)獲取積雪、植被、土壤等雙層融雪模型需要的信息，WRF預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)雙層融雪模型構(gòu)建流域雙層融雪徑流模型[51].藺虎（2013）采用GDAL(Geospatial Data Abstraction Library)對(duì)GeoTIFF文件進(jìn)行操作，結(jié)合柵格疊合的空間分析方法及分布式能量平衡融雪洪水模型，采用面向?qū)ο蟪绦蚪⒔缑媸降姆植际疆a(chǎn)匯流過(guò)程模擬系統(tǒng)ARSSVM（Arid Region Soil-Snow-Vegetation snowmelt hydrology Model）[52].此外，孟現(xiàn)勇（2014）將SWAT模型融雪模塊修改為能量平衡模塊[53]，并對(duì)其敏感因子進(jìn)行選優(yōu)[54]，取得了較為合理的模擬結(jié)果[55].

分布式融雪徑流模型的建立為新疆以及其他中高緯地區(qū)的融雪洪水預(yù)警預(yù)報(bào)提供了模擬手段，為干旱區(qū)中小尺度短期融雪洪水的模擬與預(yù)報(bào)模式的完善提供了理論與技術(shù)支撐.目前，研究團(tuán)隊(duì)的融雪預(yù)警模型對(duì)具有凍土的積雪融化產(chǎn)流機(jī)理仍然考慮不足.雖然習(xí)阿幸（2015）基于凍土的水-熱方程建立了凍土模塊，并加入融雪模型中[56]，但凍土融化產(chǎn)流十分復(fù)雜，水量平衡交織著能量平衡，研究團(tuán)隊(duì)還未完全將凍土下的積雪融化產(chǎn)流機(jī)制刻畫(huà)到融雪徑流模型中，這方面的研究還有待于廣大融雪科研工作者進(jìn)一步開(kāi)展.

4 融雪洪水預(yù)警系統(tǒng)

新疆是一個(gè)積雪廣布、雪災(zāi)和春洪多發(fā)的地區(qū)，每年融雪洪災(zāi)均造成巨大損失.針對(duì)這一重大需求，劉志輝研究團(tuán)隊(duì)研制了融雪洪水預(yù)警系統(tǒng).劉志輝（2000）開(kāi)始構(gòu)想一個(gè)多功能為一體的流域供水管理決策支持系統(tǒng)[36]，期望運(yùn)用GIS技術(shù)集成解決融雪洪水預(yù)警問(wèn)題.馬俊英（2002）針對(duì)防洪決策需求提出一種適用于新疆干旱區(qū)的防洪決策支持系統(tǒng)DSS(Decision Support System)框架，期望提高決策者的決策效率，降低融雪洪災(zāi)損失[57].閆彥（2009）從孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子和承災(zāi)體三個(gè)方面選擇自然、經(jīng)濟(jì)、人口、防洪設(shè)施四大類(lèi)因子建立新疆融雪洪水預(yù)警指標(biāo)體系，構(gòu)建了融雪洪水預(yù)警指數(shù)模型[58].劉志輝（2009）結(jié)合新疆當(dāng)?shù)貙?shí)際考慮融雪洪水量級(jí)、時(shí)空分布和洪水可能造成的經(jīng)濟(jì)損失建立新疆融雪洪水預(yù)警模式和預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)融雪模型預(yù)測(cè)的洪峰和洪量，按照災(zāi)害的嚴(yán)重性和緊急程度，提前進(jìn)行融雪洪災(zāi)預(yù)警[59].王大環(huán)（2017）運(yùn)用熵權(quán)確定影響因素的權(quán)重，利用模糊C均值聚類(lèi)模式識(shí)別分類(lèi)方法確定融雪洪水分類(lèi)，迅速的判斷洪水產(chǎn)流類(lèi)型，有效地提高洪水預(yù)報(bào)精度[60].劉永強(qiáng)（2007）基于B/S和J2EE技術(shù)設(shè)計(jì)了融雪預(yù)警決策系統(tǒng)框架[61]，運(yùn)用面向?qū)ο蟊硎痉椒ń⑷谘┖樗A(yù)警知識(shí)庫(kù)，將成熟的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)與模型庫(kù)理論集成，提出基于參數(shù)元的關(guān)系型融雪洪水預(yù)警決策系統(tǒng)的模型庫(kù)管理系統(tǒng)[45]，統(tǒng)一模型庫(kù)數(shù)據(jù)接口，使模型與模型參數(shù)相互獨(dú)立，模型庫(kù)與數(shù)據(jù)庫(kù)相互獨(dú)立，實(shí)現(xiàn)模型庫(kù)共享[43]，最終研制出數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、方法庫(kù)、模型庫(kù)、知識(shí)庫(kù)一體化的新疆融雪洪水預(yù)警決策支持系統(tǒng).這是我國(guó)首次結(jié)合現(xiàn)代“3S”技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)及計(jì)算機(jī)多媒體等研建的新疆融雪洪水預(yù)警決策支持系統(tǒng)，填補(bǔ)了我國(guó)在這項(xiàng)研究上的空白.

新疆融雪洪水預(yù)警決策支持系統(tǒng)研制成功后在新疆進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用，自治區(qū)防汛抗旱總指揮部辦公室、自治區(qū)水文水資源局、塔城水文水資源局和呼圖壁縣水利局等部門(mén)反饋新疆融雪洪水預(yù)警決策支持系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)融雪洪水的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)警，提高了重點(diǎn)區(qū)域融雪洪水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率.新疆融雪洪水預(yù)警決策支持系統(tǒng)為應(yīng)對(duì)融雪性洪水及其衍生災(zāi)害提供了科學(xué)依據(jù)，為新疆水資源管理及合理調(diào)度提供了新視角.

5 結(jié)論

針對(duì)新疆融雪洪水預(yù)警的重大需求以及融雪洪水模擬和預(yù)報(bào)的科學(xué)問(wèn)題，劉志輝研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)近20年的不懈努力，在融雪參數(shù)監(jiān)測(cè)、季節(jié)性?xún)鐾翖l件下的產(chǎn)流機(jī)制、分布式融雪洪水徑流模型研制、融雪洪水預(yù)警系統(tǒng)等方面取得較大進(jìn)展.

1）融雪期積雪、冰、水和土壤之間的光譜存在復(fù)雜交互式影響，但積雪各參數(shù)幾乎都有所對(duì)應(yīng)的敏感波段，通過(guò)不同的積雪信息特征提取，可以從遙感影像中獲取融雪模型所需的雪蓋、雪深和雪表面溫度數(shù)據(jù).

2）土壤濕度變化是土壤溫度和融雪水熱量交換綜合作用的結(jié)果，是融雪徑流產(chǎn)流機(jī)制的重要因子.表層土壤濕度與氣溫存在較高相關(guān)性，可以利用氣溫較好模擬表層土壤濕度.

3）季節(jié)性?xún)鐾恋膬鋈趯?duì)融雪水產(chǎn)流機(jī)制具有重大影響.凍土表層未融化時(shí)，其下滲率低，融雪水為超滲產(chǎn)流機(jī)制，形成尖瘦的洪水過(guò)程線，峰值大、歷時(shí)短.上層凍土融化但未融通時(shí)，上層融化凍土層飽和后產(chǎn)流，形成飽和產(chǎn)流機(jī)制，洪峰平緩，歷時(shí)長(zhǎng)；凍土融化深度越深其洪峰越平緩，洪峰值越小，歷時(shí)越長(zhǎng).凍土凍-融交替時(shí)，融雪水產(chǎn)流為超滲產(chǎn)流和飽和產(chǎn)流的交替式產(chǎn)流機(jī)制，凍融交替期常形成兩個(gè)洪峰.凍土融化后，融雪水為超滲產(chǎn)流，僅在氣溫較大回升或降雨時(shí)才導(dǎo)致洪水，洪水峰值小，歷時(shí)短.

4）完善度-日融雪模型，研制成柵格尺度分布式融雪徑流模型.在度-日融雪模型中引入“凍融系數(shù)”來(lái)刻畫(huà)融雪過(guò)程中復(fù)雜的凍-融現(xiàn)象，提高時(shí)間分辨率，由日尺度細(xì)化到半小時(shí)的度-分融雪模型，解決柵格匯流演算的關(guān)鍵算法，實(shí)現(xiàn)柵格尺度的分布式融雪徑流模型.

5）WRF耦合能量平衡融雪模型，實(shí)現(xiàn)融雪徑流短期預(yù)報(bào).基于能量平衡和水量平衡原理改進(jìn)能量平衡融雪徑流模型，運(yùn)用WRF預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)能量平衡融雪模型，利用GIS技術(shù)研制出具有物理機(jī)制的分布式產(chǎn)匯流過(guò)程模擬系統(tǒng).

6）基于“3S”技術(shù)研制了新疆融雪洪水預(yù)警決策支持系統(tǒng).選取自然、經(jīng)濟(jì)、人口、防洪設(shè)施四大類(lèi)因子構(gòu)建了融雪洪水預(yù)警指數(shù)模型.考慮融雪洪水量級(jí)、時(shí)空分布和洪水可能造成的損失建立新疆融雪洪水預(yù)警標(biāo)準(zhǔn).基于B/S和J2EE技術(shù)建成新疆融雪洪水預(yù)警決策支持系統(tǒng)，研制出便于移植與共享的融雪洪水預(yù)警數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、方法庫(kù)、模型庫(kù)、知識(shí)庫(kù)，填補(bǔ)了我國(guó)在這項(xiàng)研究上的空白.

劉志輝團(tuán)隊(duì)的研究成果使我國(guó)融雪洪水模擬與預(yù)報(bào)研究上了一個(gè)新臺(tái)階，為融雪性洪水及其衍生災(zāi)害的預(yù)報(bào)提供了科學(xué)依據(jù)，為水資源管理及合理調(diào)度提供了新視角.

致謝

感謝劉志輝決策支持系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（DSSLAB）團(tuán)隊(duì)的所有成員.本文是在團(tuán)隊(duì)所有成員的研究成果上就季節(jié)性融雪洪水模擬與預(yù)報(bào)方面進(jìn)行的一次梳理和總結(jié)，以此紀(jì)念融雪洪水模擬的先驅(qū)者劉志輝先生，并激勵(lì)季節(jié)性融雪洪水模擬研究的同仁.由于筆者才疏學(xué)淺，部分成果可能遺漏或理解不準(zhǔn)確，敬請(qǐng)諒解.在此，向團(tuán)隊(duì)成員在研究中付出的辛苦和努力表示衷心的感謝.