新疆生地所攻克天山冰川水文模拟难题 积雪再分布模型显著提升精度

    近日，国际水文领域权威期刊《Journal of Hydrology》刊发中国科学院新疆生态与地理研究所的最新成果，该研究针对天山西部典型河流-库玛拉克河的径流模拟，首次将积雪再分布模块融入 SWAT–Glacier 模型，构建SWAT–Glacier–SRD新模型，精准量化冰川积累与消融过程，为干旱区冰川水文研究与水资源管理提供关键支撑。

    冰川物质的积累与消融过程构成了干旱区高山流域水资源循环的关键环节。天山被誉为中亚水塔，区域内冰川、积雪分布广泛，既是河川径流的重要补给来源，也深刻影响着下游绿洲农业发展、生态安全与跨境水资源调配。然而，在高海拔山区，受复杂地形、风吹雪、坡面输移等过程影响，积雪并非简单地原地积累、原地融化，而是在重力和雪密度等因素作用下发生显著空间再分配。传统的半分布式水文模型往往忽略重力与风致积雪再分布，未能刻画在重力和风作用下山区出现的虚假积雪堆积这一过程，导致冰川物质平衡模拟出现偏差，从而增加径流和冰川过程模拟的不确定性，导致春季径流预报不准，难以服务流域水安全保障。 

    针对此，中国科学院新疆生态与地理研究所陈亚宁研究员团队在SWAT–Glacier模型基础上，引入积雪再分配模块，以坡度与雪密度为核心变量，实现积雪从高海拔向低海拔的合理再分配；采用多目标校准策略，融合径流、冰川面积、物质平衡、积雪覆盖等多源观测约束，构建了SWAT–Glacier–SRD模型，大幅降低了模拟不确定性。结果显示，与原SWAT–Glacier模型相比，考虑积雪再分配的SWAT–Glacier–SRD模型能够更好地模拟春季径流过程，并改善冰川和积雪相关指标的模拟效果。在日径流模拟方面，模型在率定期的Kling–Gupta Efficiency（KGE）达到0.82，在验证期KGE变化范围为0.57–0.91，冰川物质平衡与积雪覆盖模拟的偏差明显减小。模拟结果显示，在1975-2019年间，流域冰川平均积累速率为 0.573 m w.e. yr^-1，平均消融速率为 0.850 m w.e. yr^-1，对应的冰川物质平衡为 -0.277 m w.e. yr^-1。与1975-1998年相比，1999-2019年冰川平均积累量由0.460 m w.e.增至0.697 m w.e.，增幅达51.7%，消融量仅增 8.0%，冰川亏损速率显著放缓，从 - 0.359 降至 - 0.187 m w.e. yr^-1。这一结果表明，近二十年来该流域冰川积累过程明显增强。尽管冰川总体物质平衡仍为负值，但积累过程的增强说明，气候变暖背景下西天山冰川变化并非仅由消融增强所控制，冰川积累过程的变化同样不可忽视。 

    在观测资料稀缺的中亚高山地区，冰川物质平衡、积雪水当量和高海拔降雪观测长期不足，分布式水文模型仍是认识冰雪水资源变化的重要手段。该项成果的两个突出特点在于，一是将积雪再分配过程引入高寒山区流域的水文模拟，为冰川积累和消融的定量评估提供了新的模型工具；再是，该研究成果突破了高寒山区冰川积累量化瓶颈，研究发现了天山冰川近年亏损减缓的新特征。研究成果可为冰川变化预估、融雪径流预报提供可靠的方法与数据，对我国西北干旱区水资源调度、生态保护及气候变化适应策略的制定具有重要参考和应用价值。 

    相关成果以 “Quantifying glacier accumulation in the western Tianshan Mountains considering snow redistribution” 为题发表在国际水文学期刊《Journal of Hydrology》。该论文第一作者为中国科学院新疆生态与地理研究所方功焕研究员，通讯作者为李稚研究员。

    文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0022169425016063

图1：研究团队构建的 SWAT-Glacier-SRD 模型框架。该模型在传统 SWAT-Glacier 模型基础上，新增积雪再分配模块，模拟高海拔积雪向低海拔区域转移的过程，并通过径流、冰川融水贡献、冰川面积变化、物质平衡和积雪覆盖等多源观测数据进行综合校准与验证。

图2：库玛拉克河流域冰川积累与消融情况。（a、c）分别展示冰川年均积累量和年均消融量的空间分布；（b、d）分别展示年积累量和年消融量的频率分布，并标示其平均值和中位数；（e）展示1975-2019年流域尺度冰川平均积累量与消融量的年际变化过程。