单层与多层雪模型：对HYDROTEL水文模型径流模拟的影响

《Water》：Monolayer or Multilayer Snow Model: Implications for the HYDROTEL Hydrological Model for Flow Modeling Julien Augas, Alain N. Rousseau and Etienne Foulon

本研究针对寒冷及温带流域雪过程对径流模拟的关键影响，对HYDROTEL水文学模型的积雪模块进行了物理增强。研究人员将原始的单层雪模型升级为可表征冰/空气层结构及冻雨影响的多层模型，并在加拿大魁北克十个流域进行了评估。结果表明，多层模型在枯水期模拟、春汛洪量及退水段刻画上表现更优，为雪主导流域的水文预报与水资源管理提供了更可靠的模拟工具。

　　

在广袤的寒冷与温带地区，冬季的降临并非万籁俱寂，而是以一种静默的方式“蓄势待发”——大量的降水以固态形式（雪）累积成雪盖，成为巨大的季节性淡水储存库。待到春暖花开，积雪消融，融水奔涌汇入河流，常常形成一年中最重要的水文事件：春汛。这一过程对流域径流、地下水资源补给乃至洪旱灾害管理都至关重要。例如，有研究指出，在美国西部，尽管雪在总降水中仅占37%，但融雪水却贡献了约53%的年均径流量，在山区这一比例更高达71%。因此，准确模拟积雪的累积与消融过程，是提升雪主导流域水文模型预报精度的核心关键。

然而，积雪并非一个均质的“白毯子”。其内部如同一个微型的“千层糕”，由不同密度、温度、液态水含量的雪层甚至冰层构成。这种垂向结构深刻影响着雪盖的能量交换、持水能力以及最终融水释放的时机与速率。传统的、将雪盖视为单一均质层的“单层”模型，在物理细节刻画上存在局限，可能影响对复杂融雪过程，特别是枯水期径流动态的模拟精度。那么，一个更精细地刻画雪盖内部“分层”结构的模型，能否带来水文模拟性能的切实提升呢？这正是本研究旨在回答的核心科学问题。

为了探索这一问题，研究人员将目光投向了在加拿大魁北克、育空等地广泛应用的水文模型——HYDROTEL。该模型是一个基于物理过程的、半分布式的连续水文模型，它将流域离散为相对均质的水文单元（RHHU），并集成了一系列模块来模拟产汇流全过程。本研究的核心，是对其原有的单层积雪模块进行了一次“从内到外”的升级。研究团队引入了由Augas等人（2024）提出的多层雪模型方案。这个新方案不仅将雪盖视为由冰和空气组成的复合材料，引入了多层结构以更好地表征其内部热力学过程，还明确考虑了冻雨事件对雪盖演变的影响。这些改进旨在增强模型对雪盖动态，特别是消融期过程的物理表征真实性。

本研究的对比实验设计清晰：在HYDROTEL框架下，设置了两种积雪模块配置。一种是结合了高程带（用于气象数据垂直离散化）的原始单层模型，简称为“Mo”（单层带高程带）。另一种则是集成了上述所有增强功能、同样应用高程带气象输入的多层模型，简称为“Multi”（多层）。研究在加拿大魁北克省的十个具有不同水文气候特征的流域上，对这两种配置进行了全面的校准（1981-1989年）与验证（1990-2002年）评估。

为了开展这项研究，作者们运用了几个关键的技术方法。首先，研究依赖于一个基于物理过程的半分布式水文模型框架（HYDROTEL），并对其中的积雪模块进行了关键改造。其次，利用了地理信息系统（GIS）软件PHYSITEL来预处理流域地形并划分相对均质的水文单元（RHHU）。第三，采用了先进的自动化参数优化框架OSTRICH及其内的Pareto Archived Dynamically Dimensioned Search (PADDS)算法进行多目标模型率定，同时优化对高流量敏感的Kling–Gupta效率（KGE）和对低流量敏感的对数纳什效率（NSE_log）。最后，研究分析基于十个魁北克流域的长系列水文气象观测数据，并采用了严格的评估期划分与春汛指标提取方法，确保了结论的统计稳健性。

研究结果揭示了多层雪模型在不同水文情势下的性能特点：

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  整体径流模拟表现：在评估全流量范围时，多层模型在大多数流域的校准期和验证期都取得了与单层模型相当甚至更好的综合表现。特别值得注意的是，多层模型在枯水期模拟上展现出显著且一致的改进，这在强调低流量拟合的对数纳什效率（NSE_log）指标上得到了清晰体现。
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  春汛过程模拟：针对春季融雪洪水的模拟，两种模型各有千秋。单层模型在春汛涨水段的模拟上略有优势。然而，多层模型在春汛退水段的动态刻画上明显更优，并且显著减少了春汛累积洪量及年最大洪峰流量的模拟偏差。这表明多层结构更好地捕捉了雪盖内储水的延迟释放过程。
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  流域间的响应差异：性能改进的程度在不同流域间存在差异，这可能与各流域的气候、雪况（如冻雨发生频率）及水文 regime 的差异有关，突显了模型选择需要考虑地域特异性。

结论与讨论 部分对上述发现进行了总结与深化。本研究的核心结论是：在HYDROTEL模型中采用多层雪模型配置，能够在不牺牲高流量模拟能力的前提下，系统性地提升枯水期径流的模拟精度，并对春汛洪量和退水动态提供更准确的表征。这意味着，对于雪水文过程占主导的流域，尤其是那些对水资源管理、生态流量保障和枯水期预测有高精度要求的应用场景，采用物理上更完备的多层雪模型是具有重要价值的。

然而，研究也客观地指出了多层模型的“代价”：它需要略微更多的参数（本研究从18个增至20个），并增加了计算的复杂性。此外，单层模型在春汛涨水段的略优表现提示，在某些特定预报目标下，简单的模型结构仍可能具有实用价值。但总体而言，多层雪模型通过更真实地刻画雪盖内部的热力学与水文过程，带来了模拟性能的实质性增益，特别是在传统模型可能表现欠佳的低流量 regime 方面。这项工作不仅为HYDROTEL模型的用户提供了明确的模块升级指南，其研究框架与结论也为其他水文模型中积雪模块的复杂性选择提供了有益的参考基准。这项研究最终发表在水文学领域的重要期刊《Water》上，为雪水文学与水文模拟的交叉研究增添了新的实证依据。