研究内容：

1. 流域生态水文过程特征辨识与集成模型总体设计

①流域气候和下垫面时空演变特征与驱动机制
    根据生态水文集成模型要求，汇总并建立黑河上游地形、地貌、气候、土壤、植被、水文等数据集；运用地统计学和时间序列分析等方法，分析降水、土壤、植被等水文要素的时空分布规律，揭示过去30 年该地区气候和下垫面的时空演变。

②流域宏观生态水文特征分析
    在黑河上游不同子流域，分析水量平衡、能量平衡及其演变规律；基于水热耦合平衡和生态水文最优性假设，分析流域年蒸散量、年径流量与流域植被格局、地形和土壤等之间的相互关系，揭示黑河上游生态水文的宏观特征及近30 年的演变规律。

③关键生态水文过程识别
    在充分认识黑河上游气候、地形、土壤、植被等水文要素时空分布特征的基础上，在样地、小流域等尺度上定量分析各水文要素和过程对径流形成的贡献或影响，并通过与国内外典型流域生态水文过程的对比分析，揭示黑河上游生态水文过程的特殊性，辨识该地区的关键生态水文过程，指导黑河上游生态水文模型构建。

④分布式生态水文模型结构设计
    在把握黑河上游生态水文宏观特征和关键过程的基础上，根据植被格局和水文过程的特点及二者的空间耦合特征，并充分考虑地形和土壤的空间异质性，进行分布式模型空间结构（即离散化方法）比选，确定生态水文过程的最小模拟空间单元和时间步长，设计与黑河流域数据库和建模环境等的连接方式以及与中下游生态水文模型的连接边界。

2. 流域生态水文模型构建

①冰冻圈水文过程

    基于对黑河上游冰冻圈水文过程的认识，提出冰川消融过程、积雪过程和融雪过程以及基于水热耦合的土壤冻融过程的物理数学描述方法，构建以冰川消融、积雪和融雪及土壤冻融过程为主导的冰冻圈水文模型，并利用上游小流域观测数据进行校验，为构建黑河上游的分布式生态水文模型提供冰冻圈水文过程模块。

②植被格局变化过程

    基于黑河上游地形、土壤、植被、气候、水文等要素的地面与遥感观测数据，考虑放牧等人类活动的干扰，比较现有静态与动态植被格局模型的模拟能力，发展适合黑河上游山区复杂地形的植被格局模拟模型，模拟和预测环境变化驱动下黑河上游植被的分布格局，为分布式流域生态水文模型提供植被格局动态过程的模拟情景。

③植被结构动态及水文过程的耦合

    针对黑河上游山区典型植被类型，合理划定植被分层结构，构建群落尺度的植被结构动态与水文过程的双向耦合模型；在已有典型植被的观测数据基础上，量化环境条件及人类活动（主要是经营利用）对植被结构的驱动作用机制，定量描述植被结构变化对降水截持、下渗、蒸散和产流等水文过程的影响，并进行模型率定与验证。

④流域生态水文过程集成

    参考采用栅格单元的 SHE 模型、基于流域地貌特征的GBHM 模型和基于水文响应单元的SWAT 模型的基本框架，综合考虑流域地形、植被格局和水文特征，确定流域离散化方法和最小模拟单元，并建立单元与河网之间的拓扑关系和水力联系；在单元上集成冰冻圈水文过程、坡面产流和汇流过程以及植被结构动态过程；在河网汇流过程中，考虑河道与地下水的双向交换以及水利工程调度影响；最终形成整个黑河上游的分布式流域生态水文模型。

⑤模型验证、不确定性分析及综合评价

    根据黑河上游气象、水文历史数据，在具有较好数据基础的子流域和上游出山口，开展多尺度和多过程的模型率定与验证。建立基于贝叶斯统计理论的模型不确定性评估方法，对模型综合不确定性进行评估；在此基础上，根据观测资料提供的先验信息，通过对模型参数的不确定性反演，给出模型关键参数的后验分布。采用同一套输入数据和验证数据，将本项目开发的模型与国际常用的MIKE SHE 和SWAT 等分布式模型进行比较，综合评价新开发模型的模拟能力。

3 黑河上游生态水文模拟与预测

①黑河流域上游多源数据同化

    通过融合多源遥感观测及地面观测资料，发展黑河流域的水文数据同化方法；在本项目开发的分布式生态水文模型基础上，构建数据同化系统；对模型中不同的状态变量进行同化，分析其对模拟精度的影响，并探讨提高出山径流预报能力的途径。

②黑河上游生态水文过程模拟

    利用本项目构建的生态水文模型，根据黑河流域的气象、下垫面等历史资料，模拟和分析过去30 年黑河上游生态水文过程的时空变化及出山径流的长期演变特征和不同因素的驱动作用；根据未来的气候和土地覆被情景，模拟和预测未来50 年黑河上游生态水文过程时空变化及出山径流的变动趋势。

③黑河上游出山径流变化的归因分析

    综合分布式生态水文模型的模拟结果、基于历史气象和水文等长系列资料的统计分析结果以及其他模型的模拟结果，定量识别各主要环境因素对黑河上游出山径流变化的影响程度，区分气候变化和人类活动对径流变化的贡献率。

④模型应用平台开发

    利用黑河流域生态水文建模系统环境，针对黑河上游生态水文模型的集成特点，构建面向用户的模型应用平台，实现输入输出数据管理、模型参数调整、模拟情景设置、预报方案选择、预报结果可视化、以及模拟结果分析等功能，为黑河上游生态水文变化研究、出山径流预报以及模拟成果演示提供技术支持。基于模型应用平台，完成干流莺落峡集水面积以外其它上游山区的建模和径流模拟，为中下游模型集成提供地表径流边界条件。

拟解决的关键科学问题：

⑤植被格局、植被结构动态过程与水文过程的耦合机理

    植被格局、植被结构动态过程和水文过程具有不同的时间和空间尺度，三者之间的耦合机理现在仍大多是以定性或统计描述为主，缺乏机理性定量表征方法。本项目关于流域生态水文过程集成研究的关键科学问题之一在于揭示植被格局、植被结构动态过程与水文过程的耦合机理，并建立这种耦合机理的数学物理表达或描述方法。

⑥冰雪冻土过程、动态植被过程及产汇流过程的耦合模拟方法

    由于黑河上游山区生态水文过程的高度复杂性，目前还没有一种模型能适用于该地区，对冰雪冻土过程、动态植被过程及产汇流过程进行动态耦合模拟。本项目拟提出能刻画下垫面空间异质性、植被格局和水文特征之间联系的分布式模型结构，建立冰雪冻土过程、动态植被过程及产汇流过程之间的动态耦合和反馈机制，实现高寒山区生态水文过程的耦
合模拟。

⑦提高流域水文预报、预测能力的途径和方法

    流域水文预报依赖于水文模型、数据和预报策略（如集合预报），三者有机结合才能提供一个具有预报能力的预报工具。目前，关于黑河山区水文预报和预测方面的研究大多仅关注其中某些单方面因素，并未综合考虑模型、数据和策略三个方面。本项目拟通过模型参数不确定性估计和模型数据同化等途径，利用分布式流域生态水文模型和所能提供的数据信息，探讨黑河流域出山径流预报的有效方法。

研究方案：

①集成模型总体设计的具体研究方案
    在黑河上游现有的生态水文观测与研究基础上，整合黑河上游流域现有数据，分析流域气候和下垫面条件的时空变化规律，形成对流域宏观生态水文特征的认识，辨析流域关键生态水文过程，提出黑河上游生态水文集成模型总体框架。具体研究方案主要包括以下内容：(i) 收集和整理黑河上游长系列气象、水文和植被数据，流域空间地理信息、黑河计划实验数据及相关的遥感反演数据等，形成黑河上游生态水文模型集成必须的数据集；(ii) 在上游全流域范围内，开展地统计学分析和时间序列分析，揭示黑河上游植被空间分布格局、水文时空变化特征及二者之间的关系；(iii) 在上游的主要干支流，开展水量平衡、能量平衡分析，构建水热耦合平衡的集总式生态水文模型，揭示流域生态水文宏观规律；(iv) 在实验小流域，辨识黑河上游独特的关键生态和水文过程，定量分析径流成分并识别其主控因子；(v) 针对黑河上游分布式生态水文模型构建，确定流域范围和边界以及与中下游的连接边界，进行流域离散化方法比选，确定生态水文过程的最小模拟单元及时间步长。

②流域生态水文模型构建的具体研究方案

    流域生态水文模型构建的具体方案为，在拟定的流域离散化方案下，从流域DEM 中提取河网，建立模拟单元与河网之间的拓扑结构和水力联系；在单元上耦合冰冻圈水文过程、植被结构动态过程及山坡产汇流过程；基于明渠水力学方法建立河网汇流方案，在河网汇流过程中考虑河道与地下水之间的双向水分交换以及水利工程的影响，实现全流域生态水文过程的耦合模拟。

③黑河上游生态水文模拟与预测的具体研究方案

    数据同化及出山径流预报的具体研究方案：融合多源遥感观测及其他地面观测，为模型提供更可靠的输入数据；开发数据同化系统，通过对比不同状态变化的同化效果；探讨提高黑河上游出山径流预报能力的途径。

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