论文部分内容阅读
面对全球气候变化和水资源危机现状，区域尺度的水碳资源综合管理成为解决这些环境问题的主要途径，这需要基于对区域水碳耦合关系的理解和量化。本研究选取WaSSI-C生态水文模型来研究区域水碳耦合关系，了解川西亚高山森林生态系统水碳资源之间的耦合关系及其时空模式。通过改进模型蒸散、融雪的计算方法和开发模型应用相关的工具，提高了模型的适用性和实用性。在确定模型最佳空间响应尺度的基础上，验证了WaSSI-C模型在杂古脑流域的适用性。基于模型的模拟结果，阐述了杂古脑上游流域水碳循环过程的空间和季节变化特征及其与植被类型、地形和气候因素之间的关系；并量化了不同子流域的水碳耦合关系。基于以上研究，得到如下结论：（1） WaSSI-C模型的改进和应用方案的设计原模型对冬季蒸散发的计算进行了简化处理，即：气温小于1℃时蒸散和融雪的模拟值设定为0，但这种设定不适用于存在大量冬季积雪的高海拔针叶林区域，为此本研究引入了融雪与气温的线性模型对融雪计算进行改进；同时基于潜在蒸散模型计算此情况下的蒸散。另外，WaSSI-C模型作为一个集总式的经验模型，程序设计还不够完善，没有模拟结果显示和模型率定、验证模块，因此本研究基于模型需要的原始数据设计了完整的应用方案，其中包括多源输入数据的同化处理、模型率定和验证以及模拟结果的显示等功能。（2）WaSSI-C模型空间响应临界尺度的确定模型基本单元空间尺度的确定是大尺度生态水文模型应用的前提，也是提高模型模拟精度的关键。本研究通过设置最小流域面积阈值，构建不同的水文响应单元划分方案，对比不同划分方案的模拟效果。结果表明:模型响应单元空间尺度的变化对模型精度有显著影响，85km2为临界点，此时模型的模拟效果较好。因此，最终将模型水文响应单元流域划分的面积阈值确定为85km2。（3）模型的率定和验证在WaSSI-C模型参数敏感性分析的基础上，利用水碳验证数据在杂古脑流域对模型进行了率定和验证。其中将1988–1996年作为模型的率定期，1997–2006年作为模型的验证期，分别利用实测径流数据和中分辨率成像光谱仪数据（MODIS）的总初级生产力（GPP）数据、蒸散（ET）数据，对模拟结果进行对比验证。并利用决定系数（R2）和Nash-Sutcliffe效率系数（NS）两个指标对模拟效果进行评价。流域总径流率定期和验证期月尺度对比验证的R2分别为0.86和0.78；NS分别为0.82和0.67。总生态系统生产力（GEP）和ET验证期的R2分别为0.89和0.78。可见模型模拟结果的两个评价指标均处于理想区间内，证明了WaSSI-C模型在杂古脑流域的适用性。（4）杂古脑流域水碳循环过程时空动态和转换关系杂古脑流域水碳循环过程具有明显的时空变异特征，并与植被类型和海拔高度具有较强的相关性。结果发现：以高山草甸为主导植被类型的高海拔区域，具有较高的产水量(>600mm y-1)，较低的蒸散量(<420mm y-1)和较低的固碳能力(<150g C m-2y-1)；相反，以常绿针叶林为主导植被类型和没有主导植被类型的低海拔区域，具有较低的产水量(<500mm y-1)，较高的蒸散量(>500mm y-1)和较高的固碳能力(>150g C m-2y-1)。与此同时水碳通量存在明显的季节变异特征，夏季为水碳通量的主要季节：径流占全年总径流的51%；蒸散占全年总蒸散量的50%；总生态系统生产力占全年总量的53%；净生态系统碳交换占全年总量的86%。流域产水量（RUNOFF）和固碳（净生态系统碳交换,NEE）存在明显的相关性（NEE=-0.4×RUNOFF+364.9, R2=0.84, P<0.001），具有较高固碳能力的常绿针叶林主导的子流域产水量较小；而高山草甸主导的子流域则具有较高的产水量和较低固碳能力。