青藏高原广泛分布有冰雪、湖泊、多年冻土和季节冻土。在全球变暖背景下,由于冰冻圈对温度变化异常敏感^{[ 1, 2]},青藏高原地表环境已经发生了深刻的变化,表现为雪线上升、冰川退缩、冻土退化以及湖泊面积急剧变化^{[ 2, 3, 4, 5]}。1961—2006年间,中国年平均冰川融水径流量为62.3 km³,2001—2006年平均值则为79.4 km³,青藏高原由于多年冻土退化每年释放的水量达到5-11 km³,冰川和冻土的变化已引起了高原水资源时空分布和水循环过程的变化^{[ 6]}。冰川退缩同时引发下游湖泊扩张,并淹没了周边草场,使得草甸和沼泽湿地面积减少,威胁到生态系统^{[ 7]}。高原地表环境的深刻变化给我国西北干旱区绿洲经济的长期发展带来了很大的不确定性。

对于青藏高原这样的复杂巨系统,构建包括冰冻圈、水圈、生物圈、大气圈等各个圈层的集成模型,通过模型采用数值模拟的方法可以说是再现各个圈层内部过程及其相互作用的唯一手段^{[ 8]}。而水循环过程是连接各个圈层的重要纽带,各个圈层通过水循环组成了一个相互作用的整体系统。借助青藏高原多圈层综合水文模拟,可增进对该地区各圈层间水分和能量交换过程的理解,提高对该地区水资源及水灾害的预测能力。

目前,气候模拟系统中对大尺度的冰冻圈下垫面（冰原、海冰、积雪、和冻土等）与大气的相互作用描述较多,但对非极地冰冻圈的描述还比较弱,也比较零散。相对于极地冰冻圈,高海拔冰冻圈具有尺度小、空间变异性大的特点。不可照搬已有的包含大尺度冰冻圈过程的陆面模型,必须提出新的框架,发展适用于高海拔冰冻圈的陆面水文模型。此外,还有大量的其他地表过程模拟,但大多数是针对单要素的模拟,未考虑青藏高原多圈层耦合的特点,例如冰川径流模拟^{[ 9]}、冻土模拟^{[ 10]}、融雪模拟^{[ 11]}、极地有机质土壤水热传输^{[ 12]}和基于流域地形的水文模拟^{[ 13]}等。针对高原的特点,将基于流域地形和能水平衡的陆面水文模拟与各典型冰冻圈要素（冰川/积雪/冻土/湖泊）的过程模拟进行耦合,发展反映各圈层相互作用的集成水文模型,对于理解圈层间水相转换和物质流的强度和区域差异,预测地表环境的变化至关重要^{[ 14]},在当前显得尤为迫切。基于观测资料分析基本物理过程,发展参数化方案和模型,仍然是实现这一目标的必由之路^{[ 15]}。

总之,由于青藏高原地表冰冻圈—水圈—生物圈—大气圈的相互作用,其地表水文过程显得异常复杂。目前研究这些复杂过程主要依赖观测和经验模型,亟需通过多学科的交叉融合,发展多圈层水文模型,提升对高原地表水资源和水灾害的模拟和预测能力。

水文建模是对水循环规律研究和认识的必然结果,是研究水文过程的主要手段,可为流域水资源管理及防灾减灾提供理论和决策支持。国际上第一代水文模型为“集总式”,如美国斯坦福模型^{[ 16]}、水箱模型^{[ 17]}、以及新安江模型^{[ 18]}等,它们合理地描绘了流域降水产流的基本规律,但是这类模型对物理过程予以抽象概化并通常不考虑水循环过程中的物理机制,大都忽略了地形、植被等的空间变化对流域产汇流过程的影响。1969年,Freeze等^{[ 21]}首次提出了分布式水文模型的概念。该类模型考虑了流域的空间变异性,通常利用数理方程计算坡面产流及河道汇流,较完整地描述了流域水文过程。20世纪80年代以后,随着建模思想、水文理论、计算机性能、遥感和3S技术（GIS, RS, GPS）的飞跃发展,涌现出了一批分布式水文模型,例如TOPMODEL^{[ 22]}, SHE^{[ 23, 24]} ,VIC^{[ 25]},DHSVM^{[ 26]},the distributed triangulated irregular network model^{[ 27]}和GBHM^{[ 28, 29]}等,并在实际问题中得到了广泛应用。由于分布式水文模型能够考虑水文参数和过程的空间异质性,能够考虑水分在各个离散单元之间的运动和交换,更真实地模拟了实际水循环过程,从而成为水文模型发展的趋势^{[ 18, 19, 20]}。分布式水文模型也存在参数众多,难以率定,需要大量观测数据验证等问题。尽管相比于“集总式”模型其精度没有实质性提高,但模型的物理基础越来越坚实,离现实情况也越来越接近。20世纪90年代后,大尺度水文模型的研究受到关注,从小流域到大流域,再到大陆尺度,模拟的空间越来越大。

进入21世纪后,以解决无观测资料地区水文预测为目的的PUB (Prediction of Ungauged Basin)项目的启动,使水文模型的开发又迎来了一个新的阶段。PUB项目以减少水文预报中的不确定性为核心,汇集水文理论,遥感技术,对地观测等多方面成果,旨在探索水文模拟的新方法,从而解决无资料地区的水文预测问题^{[ 30]}。最近10年来,由于水文气象学、生态水文学、冰冻圈水文学等的兴起,分布式水文模型与多个学科的交叉使得建模的难度越来越高,模拟研究不断深入,分布式模型已经成为研究区域气候变化的水文响应、水资源综合管理等方面的重要工具之一^{[ 31]}。

总之,国际上第一代和第二代水文模型大都以描述降水—产流的水分输移为主（“水圈”）,未仔细考虑陆—气水热交换中植被的调节作用（“生物圈—大气圈”）。近10年来,在气候变化的背景下,随着大气科学以及生态学的蓬勃发展,分布式水文模型开始描述生物圈—大气圈相互作用;通过改进陆—气的水热交换过程以及植被的生理过程,实现了对流域水圈—生物圈—大气圈的综合模拟（“多圈层水文模型”^{[ 32, 33, 34, 35]}）。

青藏高原是长江、黄河、怒江、澜沧江、雅鲁藏布江、恒河、印度河等亚洲七大江河的发源地,对众多河流的发育具有决定性作用,大气降水、冰雪消融和地下水是主要河流的补给来源。由于青藏高原自然条件艰苦,难以开展常规的实地观测,必须结合数值模拟和全球卫星资料（为模型提供相应的验证资料）来更好地认识高原的冰川—积雪—冻土—河流—湖泊耦合水文过程^{[ 34]}。

因历史气象水文等观测多集中在高原东部地区,导致过去基于水文模型对高原径流过程的认识多集中在长江源区和黄河源区。如高红凯等^{[ 36]}在长江源区的冬克玛底河流域采用HBV模型较好的模拟了流域年月径流深,但对日径流的模拟效果要逊于月径流的模拟;SRM (snowmelt-runoff model) 模型在冬克玛底河流域能够较好的模拟融雪径流过程^{[ 37]}。SWAT模型在三江源区也基本能够刻画该地区的水循环过程,并结合GCM气候模式预测了未来径流的变化趋势^{[ 38, 39]},但SWAT模型在日径流模拟方面还存在不足、因而难以准确描述水灾害等极端事件的变化;VIC模型在长江、黄河源区能较好的模拟该区域的地表径流^{[ 40]},但对冻土相关过程的考虑较弱;Lan et al.在黄河源区运用VIC模型评价了气候和土地利用变化对径流的影响^{[ 41]}。尽管在高原东部已有了不少水文模型的成功应用,而在青藏高原中西部地区的水文模拟工作多年来鲜有开展,这在很大程度上归因于水文气象资料的匮乏和传统水文模型对径流观测的过度依赖（它们大多以径流为水文模拟的唯一验证手段并需要较长序列的径流数据）。因而,研究高原中西部地区的水文过程,需要一个能通过地表径流观测、野外实地观测(如能量通量、土壤水分)及卫星观测数据等进行多尺度校准与验证的新一代水文模型。

通常,传统水文模型侧重于降雨径流模拟和水分收支,对能量平衡的描述不足,并概念性的描述蒸散发和陆面过程;而陆面模式可物理性的描述蒸散发等过程,并考虑了能量平衡,但对水文过程的考虑较为粗略,不能很好的反映空间异质性^{[ 42]}。二者耦合可以更好的反映陆—气间具有双向反馈的复杂相互关系。新一代水文模型的发展^{[ 32, 33, 34, 35]}逐步采纳相关领域的进展,改进模型的物理机制。例如一维陆面模式（例如：SiB2,the revised simple biosphere model^{[ 43]}或者BATS,biosphere atmosphere transfer scheme^{[ 44]}）可物理性的描述土壤—植被—大气之间的水热传输过程,可用来替代水文模型中常用的概念型蒸散发模型。例如,Wang等^{[ 33]}借鉴了SiB2^{[ 43]}的能量平衡和生物物理机制,将其嵌入到基于地形描述坡面产汇流的分布式水文模型GBHM^{[ 28, 29]}中,从而发展了基于能量和水量平衡的分布式水文模型（Water and Energy Budget-based Distributed Hydrological Model,WEB-DHM^{[ 33, 34, 35]}）。如图1所示,WEB-DHM模型考虑了微地形影响,既提高了模型的计算精度,也保持了模型的运行效率;另一方面,WEB-DHM耦合了能量平衡过程,除了可用常规径流观测进行模拟验证之外,还可利用水和能量循环的全球卫星观测数据验证和改进模型,这也为多圈层水文模型在第三极地区等缺资料流域的应用提供了可能。目前该模型已经在国内外数十个流域进行了应用,比如：日本Tone上游流域^{[ 34]}、尼泊尔Dudhkoshi流域^{[ 45]}以及黑河上游冰沟小流域^{[ 46]}等,在模拟流域尺度的水分和能量循环方面展示出良好性能。在高原中部的那曲流域^{[ 47]},WEB-DHM成功模拟了流域陆面温度(LST)、土壤含水量和径流,为模型今后在高原的应用提供了很好的借鉴。

图1

Fig.1

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图1 多圈层水文模型WEBDHM的总体结构图 （a）子流域划分;（b）遵循等流时线的概念,将子流域进一步划分为若干流段（flow interval）;（c）针对每个模型网格,利用子网格参数化计算每个模型网格的坡长和坡角;（d）针对每个模型网格,计算陆—气之间的水、热、CO2交换,从而得到垂向的土壤水分廓线及地表和植被截留,再利用子网格体系在坡面上计算产流（包含地表径流、壤中流、以及地下水径流3部分）。这里,每个流段的产流量是其包含的各网格的总产流,汇流过程则针对全流域的所有流段进行Fig.1 Overall structure of multi-sphere hydrological model WEB-DHM (a)Division of sub-basins;(b)Further division of a sub-basin into several flow intervals following the concept of equal stream lines;(c)For each model grid, slope length and slope angle are calculated with the sub-grid parameterization;(d)For each model grid, the exchanges of water, energy, CO2between land and atmosphere are calculated, and thus get the vertical soil moisture profiles as well as the interceptions by canopy and ground. Finally, hillslope runoff (including surface runoff, subsurface flow, and groundwater runoff) is calculated using the sub-grid scheme. Here, the runoff of a flow interval is the total runoff of all model grids within the specified flow interval. Finally, the river routing is carried out for all the flow intervals within the whole basin

青藏高原同时受季风和西风带影响,孕育了大量的冰川和湖泊。以水的多相态转换为纽带的冰冻圈—水圈—大气圈相互作用,为该地区提供了大量水资源的同时,也为该地区带来了环境的风险与灾害。理解青藏高原的冰雪—湖泊—大气间的水体转换,以及对局地和区域气候的能量和水分反馈,是预测该地区的水文水资源变化以及相应的环境影响的基础。因而,要提升对青藏高原多圈层相互作用机理的认识,必须在现有的多圈层水文模型（WEB-DHM,可描述“水圈—生物圈—大气圈”相互作用）中进一步耦合冰川、积雪、冻土、湖泊等冰冻圈要素的物理过程模块,发展青藏高原多圈层集成水文模型（图2）,才能更好地再现青藏高原冰冻圈—水圈—大气圈—生物圈耦合过程,增强对气候变化背景下青藏高原水循环过程变化的理解。下面逐一介绍各类冰冻圈要素的模型发展。

图2

Fig.2

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	图2 青藏高原多圈层水文模型的发展示意图Fig.2 Schematic diagram of the development of multi-sphere hydrological model for the Tibet Plateau

青藏高原冰冻圈变化是全球变化的研究热点,但目前水文模型对冰冻圈变化的模拟能力不强。为了改进该区域对水资源及水灾害的模拟和预测能力,迫切需要选择若干重点研究区域,兼顾高原西部和周边地区湖泊和冰川的多样性,通过强化野外综合观测（比如：典型冰雪—大气界面和湖泊—大气界面能量通量等）和室内分析（比如：土壤水热性质测量等）,研究该地区的冰雪消融、土壤冻融和湖泊表面水热传输过程,并发展相关下垫面过程模型,并集成到现有的多圈层水文模型中,从而实现冰川—积雪—冻土—河流—湖泊的综合水文过程模拟,以更好地认识青藏高原多圈层相互作用机理,提升对区域水资源和水灾害的模拟和预测能力。

由于青藏高原地区观测资料缺乏,以及其耦合多圈层相互作用的特点,使得多圈层水文模型成为研究青藏高原水循环过程的理想工具^{[ 47, 96]},这也是未来青藏高原水文学发展的主要方向之一。在构建未来的青藏高原多圈层水文模型（耦合水圈—大气圈—生物圈—冰冻圈相互作用、包括冰-水—汽多相态转换）过程中,需要回答一些关键科学问题,如：① 青藏高原季风区和西风区的冰川消融的能量机制有何区别?②冰雪表面和湖泊表面的湍流能量通量和反照率如何参数化?③在分布式水文模型中集成冰雪消融模型时如何解决冰川尺度与水文计算网格尺度不匹配的问题?