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《寒区水文野外观测方法》可供从事水文学、气象学和冰冻圈科学等专业的科研和管理人员，以及相关专业的高等院校师生阅读和参考。9787030430328
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| 內容簡介： |
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受全球变暖影响，寒区成为了当今水文、生态和大气等学科研究的前沿阵地。中国寒区水文研究亟须全面、同步和长期的观测数据，《寒区水文野外观测方法》主要介绍了寒区水文野外观测经验与方法。按照寒区水文分支学科，从寒区水文学角度，描述了寒区气象、冰川水文、积雪水文、冻土水文、寒漠带水文、高寒灌丛水文、森林水文、河川径流和地下水等的野外试验及观测方法，最后介绍了寒区野外安全工作注意事项。
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| 目錄：
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目录
《水科学前沿丛书》出版说明
序
前言
第1章寒区流域气象观测1
1.1流域气象站布设原则及监测要素1
1.1.1布设原则1
1.1.2观测要素2
1.1.3地面气象观测场2
1.1.4自动气象站4
1.2降水9
1.2.1单点观测仪器及方法9
1.2.2雨量筒观测误差及校正20
1.2.3雷达降水观测25
1.2.4降水空间分布及插值方法27
1.2.5固液态降水分离29
1.3气温和相对湿度32
1.3.1气温32
1.3.2相对湿度、水汽压及饱和水汽压33
1.3.3露点温度34
1.4蒸发、蒸腾及蒸散发36
1.4.1概念36
1.4.2蒸发力37
1.4.3土壤蒸发量42
1.4.4蒸腾量44
1.4.5蒸散发量45
1.5风速及风向53
1.5.1常用观测仪器53
1.5.2目测风向、风速的方法55
1.5.3寒区流域风速、风向插值方法55
1.6气压58
1.7云量及日照时数59
1.7.1云量59
1.7.2总云量遥感数据产品推荐59
1.7.3日照时数60
1.8太阳辐射61
1.8.1气象站常规观测61
1.8.2辐射自动传感器62
1.8.3高寒区总辐射估算方法63
1.9寒区大气降尘64
1.10高寒区可用遥感气象资料及评估65
1.10.1降水65
1.10.2寒区水循环变量卫星遥感71
1.10.3寒区生态卫星遥感73
1.10.4水循环航空遥感73
1.10.5流域地面观测新自动技术76
1.11寒区自动气象站安装及维护经验77
1.11.1供电系统77
1.11.2CR系列数采仪不能连接的解决方法81
1.11.3称重传感器的误差校准92
1.11.4其他93
参考文献93
第2章冰川水文103
2.1冰川物质平衡观测104
2.1.1冰川流域降水观测特殊说明105
2.1.2冰面气象站特殊监测要素及塔架安装105
2.1.3冰雪蒸发升华观测107
2.1.4消融观测及估算方法108
2.2冰川运动115
2.2.1冰川运动对物质平衡监测的影响115
2.2.2冰川表面运动测量方法116
2.2.3冰川表面运动速度测量117
2.3冰川面积119
2.4冰川厚度及体积119
2.4.1冰川厚度120
2.4.2冰川体积120
2.5冰川融水径流及汇流途径121
2.5.1冰面融水径流121
2.5.2冰川汇流122
2.5.3冰川末端径流124
参考文献125
第3章雪水文129
3.1降雪130
3.2积雪基本要素130
3.2.1雪深131
3.2.2密度134
3.2.3含水量135
3.2.4雪水当量136
3.2.5雪温137
3.2.6积雪日定义及探讨137
3.2.7积雪面积138
3.2.8反照率141
3.2.9积雪导热系数142
3.3风吹雪143
3.3.1观测方法144
3.3.2估算方法145
3.4积雪变质过程146
3.5积雪升华147
3.6积雪消融过程148
3.7融雪径流149
3.8积雪消融及径流模型150
3.8.1度日因子法150
3.8.2物质平衡法150
3.8.3能量平衡法及积雪特色150
3.9雪水文观测计划及共享资料简介153
参考文献154
第4章冻土水文158
4.1冻土—植被—大气能水平衡158
4.2未冻结土壤基本物理性质159
4.2.1环刀原状土参数测量159
4.2.2土壤饱和导水率161
4.2.3土壤颗粒组分163
4.3冻土热特性参数164
4.3.1地温164
4.3.2冻结深度168
4.3.3地热通量170
4.3.4冻土导热系数170
4.4冻土水分特性参数174
4.4.1冻土含水量174
4.4.2土壤水势及水分特征曲线177
4.4.3冻土导水率181
4.5冻土地区产汇流过程182
4.5.1径流场182
4.5.2小流域183
4.6蒸散发185
4.7地下冰186
4.8冻结层下水187
参考文献187
第5章寒漠水文190
5.1寒漠带的形成条件及空间分布190
5.1.1形成条件190
5.1.2空间分布191
5.2寒漠带下垫面特性193
5.2.1土壤193
5.2.2植被196
5.2.3微生物198
5.3降水198
5.4蒸发200
5.5凝结202
5.6入渗204
5.7产汇流过程204
5.7.1观测方法204
5.7.2暴雨主产流区地位205
5.7.3径流年内变化206
5.7.4特殊的冻土水文过程207
5.8地下水207
5.9观测困难与缺陷208
参考文献209
第6章寒区灌丛水文213
6.1降水截留214
6.1.1林外降雨量214
6.1.2穿透雨214
6.1.3树干茎流量216
6.1.4灌丛茎干集流率217
6.1.5枯落物截留实验观测218
6.1.6灌丛冠层最大截留容量220
6.1.7降水截留模型222
6.2样地和植被参数226
6.2.1样地布设及观测方法226
6.2.2叶面积指数227
6.3灌丛蒸散发230
6.3.1蒸腾230
6.3.2蒸散发231
6.4灌丛土壤参数获取233
6.4.1土壤水分参数233
6.4.2土壤饱和入渗速率233
6.5灌丛根际区水分再分配234
6.5.1大孔隙流观测方法介绍234
6.5.2染色示踪法234
6.6灌丛产汇流观测235
6.6.1天然坡面径流场235
6.6.2人工径流小区235
参考文献236
第7章寒区森林水文241
7.1观测场布设及观测指标242
7.1.1观测场布设242
7.1.2观测指标243
7.2降水截留247
7.2.1降水量247
7.2.2穿透雨量247
7.2.3树干茎流247
7.2.4冠层最大持水能力249
7.2.5截留模型252
7.2.6林下植被截留观测253
7.2.7枯枝落叶层及苔藓层253
7.3森林土壤参数获取253
7.3.1森林土壤物理化学性质253
7.3.2森林凋落物分解速率253
7.3.3森林土壤有机碳观测254
7.4森林蒸散发观测255
7.4.1单木树干液流量255
7.4.2林分蒸散发观测257
7.4.3多林分蒸散发观测258
7.4.4同位素示踪法258
7.5森林径流观测262
7.5.1人工径流场262
7.5.2壤中流262
7.5.3地下水263
7.5.4小流域与集水区地表径流观测263
7.6生态参数获取263
7.6.1叶面积指数263
7.6.2物候265
参考文献265
第8章河道径流观测270
8.1寒区径流观测困难与缺陷270
8.2观测方法272
8.2.1浮标法272
8.2.2溶液法272
8.2.3容积法274
8.2.4量水堰274
8.2.5断面法274
8.2.6常见流速仪简介279
8.2.7冻结期测流方法282
8.3河冰284
8.3.1观测断面布设284
8.3.2观测项目284
8.3.3监测方法286
8.4基流286
8.5泥沙287
8.5.1河流泥沙量的概念288
8.5.2悬移质泥沙测量288
8.5.3断面输沙率测量288
8.5.4推移质测量288
8.6水文断面维护289
8.7流量整编方法简介290
参考文献290
第9章地下水292
9.1多年冻土区的地下水292
9.1.1冻土层上水292
9.1.2冻土层中水293
9.1.3冻土层下水293
9.2地下水动态监测293
9.2.1监测网布设294
9.2.2地下水水位和水温监测294
9.2.3地下水水质监测294
参考文献296
第10章寒区野外工作安全事项297
10.1野外工作前的准备297
10.2野外工作常规注意事项298
10.3野外营地299
10.3.1借住民房299
10.3.2搭建营地299
10.4山区300
10.5林区300
10.6高原地区300
10.7沼泽地区301
10.8徒步涉水渡河301
参考文献301
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| 內容試閱：
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"第1章寒区流域气象观测
气象要素是寒区水文过程的驱动因子，直接影响冰冻圈变化及消融、植被生长以及寒区水循环过程。中国高寒区气象监测相对稀少，特别是在高山区，现有气象观测难以满足寒区水文研究和水资源评估等的需求（Chen et al。，2014a）。寒区流域地形复杂，气象因子的变化并不完全取决于自由大气，具有高度的时空异质性，特别是降水、风速及风向、蒸散发、地表温度以及辐射和能量平衡项等。高寒区海拔高且山区流域海拔跨度大，人工徒步监测难度大，观测项目和范围有限且难以长期坚守，获取高时空分辨率的气象数据比较困难。使用高稳定性、自动化观测仪器，可以获取连续的、多要素的、高时间分辨率的气象数据。但这些仪器在高寒环境下仍然不可避免出现一些问题，如数据断续、各种干扰影响数据精度等问题，需要积累维护经验。尽管人工观测有其观测频率、要素和范围的限制，但其数据精度较有保障，对于修正自动仪器数据有一定的帮助，而且某些要素以人工观测方法为好，如最高和最低气温、积雪和冰川升华量、冬季土壤蒸发量等气象要素，以及水文观测中天然河道径流的流速和水位等。
本章在参照相关地面气象观测规范的基础上，主要从寒区流域水文学的角度，阐述寒区气象要素的相关观测方法，着重强调寒区气象观测的一些特殊性及困难，是对现有地面气象观测规范的一些具体阐述和补充。
1。1流域气象站布设原则及监测要素1。1。1布 设 原 则流域是水文过程的基本单元。寒区流域，特别是山区流域，气象因子受地形、地貌、下垫面类型以及冰冻圈等的影响而复杂多变。寒区流域气象监测网络布设，需根据流域大小、地形、地貌、下垫面类型以及布设目的设计监测网络。一般来讲，可遵循以下基本原则。
1）视研究目的及流域已有气象站情况布设。首先需要根据研究目的，了解拟研究流域现有气象站的数量、位置、海拔、所处下垫面类型、观测要素、观测频率和观测历史等，确定是否需要补充新的观测站点和观测内容。研究目的和研究内容（单一水文过程研究、流域水循环研究和流域径流变化等）、时间尺度（小时月年年际历史）、详细程度（精细、粗略）以及空间尺度不同（微观、宏观），对气象资料的需求具有较大的差异。
2）考虑研究流域面积、地形、地貌、下垫面类型等综合布设，尽可能做到一个气象站多种使用功能。气象站既要能获取流域尺度的气象要素变化，又能兼顾气象要素时空差异性分析，还要满足特殊下垫面类型一维尺度、坡面尺度等水文过程的研究需求。原则上讲，在一个高寒山区流域，降水观测站点越多越好，尤其是对于小空间尺度、高时间分辨率的精细研究。精确降水输入是流域水循环研究的前提，但寒区流域降水具有太多的时空异质性，少量测站难以获取流域实际降水过程及降水量。净辐射、感热、潜热和日照时数等的观测，也需要尽可能多的测站。从获取流域面气象要素角度讲，原则上一个流域最少需要3个气象站（满足二维空间插值的基本要求）。流域面积和海拔跨度越大，地形越复杂，所需测站越多。尽可能在流域接近最高海拔处、相对平坦的地区布设一个气象站。
1。1。2观 测 要 素
寒区水文过程研究所需的气象观测要素至少应包括气温、降水量和蒸发量。气温与冰冻圈消融具有密切关系，而降水量和蒸发量可分别表征流域水量的主要输入和消耗部分。根据研究需要和经费情况，补充其他气象要素。根据寒区水文所需气象要素的使用频率和重要程度，可粗略将其分为四级（含部分可架设在自动气象站上的非气象类要素），见表1。1。表1。1寒区水文所需气象要素及分级
级别气象要素类别一级降水量、蒸发量、气温必需类二级相对湿度、风速风向、最高最低气温、气压、总云量、地表温度、降水类型常规类三级太阳辐射各分量、蒸散发潜热、日照时数、冻结深度、雪深、地温、
土壤含水量、地热通量重要类四级水平降水量、降尘、土壤水势、土壤导热系数、CO2通量、感热特殊类
这些气象要素部分需要人工观测，部分需要自动仪器，部分既能人工获取又能自动仪器获取。根据研究需要和经费情况选择合适的观测方式。
1。1。3地面气象观测场
地面气象场布设需遵守中华人民共和国《气象法》和国务院颁布的有关气象观测环境保护法规、规定的要求，并根据《地面气象观测规范》（中国气象局，2007）的要求布设。根据中国气象局最新文件要求（气发〔2013〕105号），《地面气象观测规范》系列标准（QXT 44—2007～QXT 66—2007）继续有效。本书中相关《地面气象观测规范》均指该版本。
考虑到高寒区流域人烟稀少、地形复杂、人工观测难以长期坚守等特性，一般不考虑布设地面气象观测场。在一些长期定位和半定位站，则以《地面气象观测规范》为依据，布设一些综合的气象观测场。在条件允许的情况下，可以适当扩大气象场的场地，在气象场合适位置，布设必要的观测设施，如小型蒸渗仪（minilysimeter；人工或自记），降水观测场，雪水当量，多层地温与土壤含水量，冻土钻孔温度，甚至在可能的情况下，布设地下水位观测井等。
高寒区地面气象观测场布设，应特别注意：
1）观测场四周必须空旷平坦。这在山区较难实现，需因地制宜，尽可能选择适合的地点。对于实在无完全平坦场地的地点，可采用两种方式：①若地形坡度较小，为保持场地的自然状况，可保留原状；②地形坡度太大而附近又无其他可选择地点，可考虑人工重建场地，即推平地面，但应尽可能按照原始地貌恢复土壤和植被。
2）根据《地面气象观测规范》，观测场一般为与周围大部分地区的自然地理条件相同的25m×25m的平整场地；确因条件限制，也可取16m（东西向）×20m（南北向）的场地，但高山站、海岛站、无人站不受此限。在高山地区，也需尽可能选择相对平坦、空旷的地方布设尽可能符合标准尺寸的观测场，或者在不影响观测项目精度的情况下，因地制宜。
3）根据《地面气象观测规范》，观测场场地应平整，保持有均匀草层（不长草的地区例外），草高不能超过20cm。在寒区流域水文学中，有些气象要素，如蒸散发观测，最好能够保持草的自然生长状态，因此，不能修剪。在这种情况下，建议：①常规气象观测项目，尽可能维持草高在20cm以下；②需要保持草自然生长状况的观测项目，则需单独划分一片区域，集中观测。需要注意，由于气象场有围栏防护，与放牧条件下的草高有差异，应尽可能做到与气象场周边的草高一致。
观测场内仪器设施的布置要注意互不影响，便于观测操作。具体要求参见相关气象规范（中国气象局，2007）。在地形稍微有坡度的地方，为保持仪器的水平状况，需根据地形做相关处理（图1。1）。
图1。1百叶箱及冻土器布设
图片拍摄于祁连山葫芦沟小流域
地面气象观测仪器应当是国内外正规生产厂家生产；精度满足寒区环境和气象规定要求；稳定性高，保证获取的观测数据可信；仪器结构简单、牢靠耐用，能维持长时间连续运行；操作和维护方便，具有详细的技术及操作手册。各观测项目的精度及安装要求参见《地面气象观测规范》。需要根据研究区当地气候、气象条件，选择合适的仪器，如冻结深度观测，需选择适合当地最大冻结深度的冻土器（图1。1）进行观测。否则不能监测到季节冻土最大冻结深度或多年冻土活动层厚度。目前中国气象局标准冻土器最大测量深度为4。5m。1。1。4自动气象站
根据中国气象局《地面气象观测规范》，自动气象观测系统用于对气温、相对湿度、气压、风向、风速、降水、日照、蒸发、地温和总辐射、净辐射以及直接辐射等气象要素进行全天候自动监测。同时具有良好的扩展性，也可选配其他气象传感器。具体观测系统技术性能指标参加相关规范。
1。寒区流域观测要素
在寒区，首先要保障数据采集传输仪（以下简称数采仪）及所有传感器能够适应低温工作环境，而且耐冰雹、极端气温变化及抗高紫外线风化。此外，流域水文研究中，单独一个地面气象观测场或一套自动气象站不能满足需求。一般情况下，在一个寒区小流域，最少要布设3～5套自动气象站，气象观测要素也有一些特殊需求：①降水观测最好使用配备防风罩的称重式雨雪量计，而且为了应对酷寒环境，需在雨雪量计中增加机油防止蒸发，同时补充防冻液防止结冰；在电量充足的情况下，一般雨雪量计都带有加热功能；②至少两层风、气温和湿度，而且风速、风向一般都是二维或三维超声的；③太阳辐射一般需包括上下长、短波4分量，特殊情况下还需要包含直接辐射和散射辐射等；④配备雪深探头；⑤红外地表温度传感器；⑥多层地温和土壤含水量测量；⑦日照时数；⑧气压；⑨自动蒸渗仪；⑩多层地热通量；土壤水势、导水率和导热系数；有些还直接配套涡度相关系统等（图1。2）。当前中国气象局常规自动气象站观测降水仅为雨量，而高寒区固态降水较多，而且缺少雪深、地热通量以及土壤含水量、水势、导热系数和导水率等的观测，难以满足寒区水文研究的特殊需求。
图1。2高寒区自动气象站及太阳能板安装示例
图片拍摄于祁连山葫芦沟小流域
自动气象站主体塔架必须有避雷针和接地装置。高寒区雷电较多，时常还会有球形闪电。有时常规的避雷措施尚不能完全避雷，容易造成重大损失。2014年8月祁连山葫芦沟小流域1号气象站数采仪遭受了雷击，导致数采仪、雨雪量计和土壤水分传感器同时损坏（图1。3）。在容易发生雷电的地方，建议尽可能多地安装性能良好的避雷和接地装置。图1。3祁连山葫芦沟小流域1号气象站2014年8月数采仪遭雷击情况
鉴于酷寒环境及传感器较多，一般都是多块太阳能板和蓄电池并联工作；为防止丢失，要有必要的安防措施，如直接用石块和水泥固定太阳能板和蓄电池（图1。2），在可能的情况下应配置红外感应式摄像头。
2。梯度塔及传感器架设
梯度塔是安装自动气象观测系统传感器和采集器的主要设施。对于较低的塔，一般由不锈铝合金焊接而成，塔高一般为2。5～10m；对于20m、50m和100m等高塔，塔架材料要有较高的强度和复杂的结构。为了减少塔对气流的阻挡，应选择断面积较小，风容易穿过（密闭度小）的结构。10m塔体一般为上下一致的等边三角形，大小为50cm×50cm×50cm。常见10m梯度塔的三根立柱分别处在北、东、南面。塔应建于平坦、开阔的地面上。周围任何障碍物与塔体的距离至少为障碍物本身高度的10倍以上。塔体要能承受当地最恶劣气象条件，如大风、沙尘暴、暴雨等，不能受风扰动而发生微弱晃动，并保证10年以上的正常使用，同时应符合防雷安全要求。
梯度塔上传感器的布设必须注意相互间的影响，尽可能保持每层传感器具有一致的高度。沿垂直于梯度塔的水平方向上分别平行安装4根横臂，材质为不锈铝合金管，可以是圆形或方形，一般圆形时直径约2。5cm，方形时大小为2。5cm×2。5cm，用于安装各种传感器，强度要求为架设仪器后横臂不能弯曲（图1。4）。根据传感器距地高度的要求，横臂安装高度可以自行调节。一般按对数梯度布设横杆高度，如0。5m、1。0m、2。0m、4。0m、8。0m和16。0m之类。
一般温湿度传感器在东，风速风向传感器在西，辐射传感器在南，称重式雨雪量计在北（图1。2），若为避开与其他观测系统相互之间的影响，可将气温和降水测量仪器的位置互换。由于寒区冬季有降雪，称重式雨雪量计应安装防风圈。中国科学院天山冰川观测研究站，1986年在乌鲁木齐河源天山设立了两个试验站，根据观测资料分析，加苏式（Alter型）防风圈的仪器比不带防风圈的仪器可提高降雪捕捉率14。2%～26。5%（杨大庆，1988）。祁连山葫芦沟小流域最新观测结果表明（2009年6月～2014年4月），Alter型防风圈能够提高约1%的总降水量和10%的降雪量。目前在葫芦沟小流域所有称重式雨雪量计上都增加了自制Alter型防风圈（图1。2）。图1。4气象塔架安装示例
图片拍摄于祁连山葫芦沟小流域
如图1。4所示，在4根横臂上，一端分别安装二维超声风速、风向传感器，另一端分别安装温度湿度传感器，传感器外部必须有通风防辐射罩，温度湿度传感器位于通风防辐射罩的中心。在第一根横臂中部安装红外地表温度传感器，和地面成45°角。应根据需要在4根横臂中选择其中一根侧向延伸，用于安装四分量辐射传感器，四分量辐射传感器安装位置垂直正对下垫面，不能有遮挡，应保证下方地面平整。根据需要还可以选择在横臂上安装大气压传感器、雪深传"
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