色林错湖面蒸发对湖泊水量平衡贡献的观测与模拟研究

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青藏高原内流区湖泊众多,卫星观测揭示青藏高原内流湖近30年来显著扩张。湖面蒸发作为内流湖水量平衡唯一的水分支出项,不仅是湖泊与区域水分循环的重要环节,也是湖泊能量平衡的重要组成部分。由于高原气象水文台站分布的不均匀性,青藏高原内流区湖面蒸发缺乏系统的研究成果,尤其缺乏观测证据。精确观测、模拟湖面蒸发及其变化,定量揭示湖面蒸发对湖泊水量平衡、湖泊扩张的贡献,对青藏高原冰川-湖泊动态关系,高原内流区水分循环过程的认识及水资源管理具有重要的科学意义。  色林错位于羌塘高原中部,流域面积、湖泊面积和冰川面积分别为45,530km2、2,387.5km2和264km2,自1979年以来色林错湖泊面积扩大了45%,成为西藏第一大湖。本研究选择色林错作为研究对象,建立了完善的流域尺度冰川-湖泊动态关系研究观测网络,包括湖面水热通量、冰川水文、湖泊水量平衡和流域水文过程观测系统;利用以上观测结果改进了湖面能量平衡模型,模拟了色林错1979-2013年湖面蒸发变化,并综合观测和模拟结果揭示了色林错湖泊水量平衡不同尺度的时间变化;定量分析了湖面蒸发、降水和冰川融水对色林错近30年来快速扩张的贡献。论文在青藏高原内流湖湖面蒸发的变化及其对湖泊扩张影响方面取得的主要发现如下:  (1)建立了完善的青藏高原闭合流域水文观测网络,为高原中部冰川-湖泊动态关系以及内流区水循环的研究打下了坚实基础:  建立了完善的流域尺度冰川-湖泊动态关系研究观测网络,包括湖面水热通量、冰川水文、湖泊水量平衡和流域水文过程观测系统。其中湖面水热通量包括湖面辐射平衡观测、湖面能量平衡观测、湖水温度观测;冰川水文观测包括冰川末端气象观测和冰川融水观测;湖泊水量平衡观测包括湖面降水、四条补给河流(扎加藏布、扎根藏布、阿里藏布、波曲藏布)入湖径流和东、西岸湖泊水位观测。  湖面水热通量观测是本论文亮点,Footprint分析显示湖面水热通量观测结果基本都来自湖面,表明湖面水热通量观测结果可靠。  (2)以翔实的观测证据,基于能量平衡理论揭示了高原湖泊蒸发的日、季节变化特征:  湖面能量平衡观测结果分析显示,日变化上,湖面蒸发(潜热通量)最大出现在下午,较湖面净辐射最大值延后2-6个小时,而感热通量最大出现在早晨,较净辐射最大值提前4-6个小时。季节变化上,湖面湖面蒸发(潜热通量)和感热通量最大值出现在9月,而净辐射最大值出现在6月。相关性分析显示,湖面潜热通量主要受湖面风速和湖面饱和差乘积的控制,而湖面感热通量主要受湖面风速和湖-气温差控制。  (3)以涡动观测、水温观测结果作为验证,利用湖泊能量平衡模型成功的模拟1979-2013年湖面蒸发,从而发现湖面蒸发独特的季节变化以及与能量平衡季节变化的滞后性,探讨1979年以来影响湖泊蒸发的因子,利用敏感性分析讨论了湖泊深度对湖面蒸发模拟结果的影响:  观测结果验证表明,能量平衡模型能够在日尺度上较好的模拟色林错湖面蒸发和湖面温度。模拟结果显示,湖面蒸发表现独特的季节变化和显著的年际变化:季节变化上,色林错湖面蒸发最大出现在10月,而湖面净辐射最大值出现于5月份,湖面蒸发峰值较净辐射峰值有5个月左右延迟,湖泊储热变化是导致该现象的主要原因,亦即湖泊(尤其深水湖)可以春季和夏季吸收并存储太阳辐射热量,并在秋季和冬季释放湖泊储热用于湖面蒸发。年际变化上,色林错多年平均(1979-2013)的年蒸发为1073.9mm,1979-2013年色林错湖面蒸发呈显著下降趋势(P<0.01),下降速率为-4.03mm yr-1,风速的减小是导致湖面蒸发减小的主要原因。敏感性试验分析显示湖泊深度对湖面蒸发具有重要影响,随着深度逐渐增加,湖面蒸发不断减小。  (4)结合观测和模拟结果,精确量化了在气温升高、风速下降气候背景下高原内流湖泊水量平衡的变化特征:  以2013年夏季为例,湖泊水文观测结果表明2013年5月1日至10月27日期间湖面降水和入湖径流对湖泊补给量分别为320.8mm和793.0mm,湖面蒸发量为659.8mm,计算得到湖泊水位变化为453.0mm,即色林错2013年夏季水量变化为显著正平衡。  流域水文模拟结果显示1979-2013年期间,湖面降水、非冰川径流、冰川融水对色林错的年均补给量分别为6.0×108m3、20.5×108m3、2.0×108m3,补给比例分别为21.1%、71.8%、7.1%。作为湖泊水量的唯一支出项,湖面蒸发损耗掉71.3%补给的水量,剩余28.7%的补给水量导致该期间色林错湖泊水位累积增加了约14.0m。  (5)基于水量平衡理论,揭示了湖面蒸发在高原内流湖泊变化中的作用,探讨了内流湖30年来快速扩张的原因:  1979-2013年色林错湖面蒸发呈明显减小趋势,通过对湖泊水量平衡各要素的年际变化分析,发现由于风速的减弱导致的湖面蒸发减小对色林错湖泊扩张的贡献为14.0%,而湖面降水、非冰川径流和冰川融水的增加对色林错湖泊扩张的贡献分别为9.5%、67.0%和9.5%。即湖面降水的增加加降水的引起的陆面径流的增加对近期湖泊快速扩张的贡献率是76.5%,而成为色林错近30年快速扩张的主要原因,而湖面蒸发的减弱和冰川径流增加的贡献合计为23.5%。
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