森林大火对流域水文过程的影响机制研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 许振武 |
| 答辩日期 | 2024-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 张永强 |
| 关键词 | 森林大火 水文过程 蒸散发 水量平衡 CHESS-PML 模型 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 森林通过物理、化学和生物过程影响气候，并为自然系统和人类提供生态和社会服务。火灾，作为扰动的一部分，一直是健康的森林生态系统不可分割的自然元素。全球气候变暖显著加剧了部分地区森林火灾活动，尤为突出地引发了影响面积广阔的大型森林火情，即森林大火。森林大火通过对植被、土壤等地表属性的影响，间接地改变大火后的流域水文过程。然而，以往研究集中于气候变化下森林大火本身的变化趋势，而对火灾后续效应的认识还十分有限。澳大利亚东南部自2000年以来的数次森林大火，以其广阔的影响面积，成为了理解气候变化背景下森林大火影响流域水文过程的全球典型案例。 本论文以澳大利亚东南部为研究区，综合遥感、通量和径流观测等数据，进行统计和模型方法的改进和拓展，对森林大火对流域水文过程的影响机制进行了深入研究。论文的主要内容和结论如下： （1）利用经过观测约束的遥感蒸散发模型数据，基于网格对比分析，揭示了森林大火后蒸散发响应在空间上的非均匀变化特征，以及时间上的快速恢复规律。以受林火影响的多个通量站点的蒸散发观测数据为约束，率定了PML-V2遥感蒸散发模型，验证了其在模拟蒸散发过程对森林大火响应上的能力。结果表明，耦合了遥感植被信息的蒸散发模型，能有效地模拟火灾前后的蒸散发动态，相对误差较小。在模型数据的基础上，应用了网格对比方法，量化了澳大利亚东南部不同年份的森林大火对植被叶面积及其对蒸散发的联同影响过程。空间结果显示，森林大火对植被叶面积指数的影响具有高度的空间异质性，导致蒸散发在火灾后的第1年下降幅度集中在5-20%之间。这种影响进一步被归纳为经验规律，即在该地区，森林大火后~50%的植被叶面积下降通常造成~15%的蒸散发下降。但由于火灾后快速的植被恢复过程，在火灾后第3年，蒸散发在大部分地区即可恢复到95%以上。 （2）构建包括蒸散发、径流在内的年尺度流域水量平衡数据，基于考虑水量平衡的改进型流域对比方法，揭示了2009年森林大火导致的蒸散发、径流等水量平衡要素的变化在时间上的非同步性。以2009年森林大火为典型案例，发现森林大火后流域蒸散发受植被变化直接影响，在第1年快速减少，然后再逐渐恢复。而径流的增加则存在延迟性，通常在第2-3年才到达峰值。这表明了流域潜在的陆地水储量变化过程。不同流域之间的结果对比，显示过火面积占比较高的流域，往往会经历更大的水文影响，且森林大火的作用可能会超过气候波动的作用。但随着流域生态和水文过程的持续恢复，森林大火的影响在第5年后已趋于较低水平。 （3）通过大样本流域对比法，提供了2019-20年特大森林大火在区域尺度范围内增大洪水规模的观测证据。在小时尺度上，不同流域的洪峰规模受森林大火影响，中位数变化约为+49%。然而这种效应主要在冬季降水为主或年内降水均匀的区域显著，而在夏季降水为主的区域影响较小。进一步的归因分析表明了地表属性变化（如流域火烧、植被变化的相对程度）和洪水生成机制（前期土壤水、降水）的作用。即森林大火导致了冠层截留和土壤下渗能力的降低，主要通过超渗产流过程来增大洪水规模。然而，这种影响在以蓄满产流为主要洪水机制的地区作用有限。这种大样本流域对比方法具有较高的稳健性，具有在其他测站密集区，应用于检测植被变化、人类活动等影响研究的潜力。 （4）通过耦合水文模型和遥感蒸散发模块、时变下渗参数模块，构建了能够动态描述森林大火影响的CHESS-PML分布式水文模型，阐明了植被变化-蒸散发减少-基流增加是2009年森林大火增加流域产流的主要影响机制。同样以2009年森林大火为典型案例，基于不同植被变化/下渗能力变化的情景，进行日尺度的水文综合模拟，复现了森林大火后蒸散发的剧烈下降和快速恢复、径流的延迟增加、以及陆地水储量先增加后减少的过程。基于模型结果，进一步解释了这些水量平衡变化其中植被变化的主导作用。即森林大火导致的植被覆盖减少，进一步减少冠层截留、植被蒸腾、增加入渗、增加土壤水和地下水。相比之下，由于该地区初始下渗能力较高，产流机制由基流过程主导，模拟结果显示森林大火后下渗能力降低并未产生显著的超渗产流过程。这表明了日尺度的水文模拟由于降水强度输入和分辨率等限制，可能会造成火灾后的超渗产流过程不明显。综上，通过对典型森林大火的应用研究，表明了植被变化-蒸散发减少-基流增加的链式响应机制，是澳大利亚东南部森林大火影响流域产流过程的重要方式之一。 |
| 学科主题 | 自然地理学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 138 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/209335]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 许振武. 森林大火对流域水文过程的影响机制研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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