分布式水文-土壤-植被模式的改进及气候水文Off-line模拟试验

文中对引进的高分辨率 (94 2 .5m× 94 2 .5m)分布式水文 土壤 植被模式 (DHSVM) ,针对海、滦河流域的特点进行了改进 ,主要包括 :(1)改变蒸散发模拟方法 ,用改进的Penman Monteith模式模拟海滦河流域的蒸发 ,较好地模拟出 1a内的两个峰值 ,最大值出现在 4～ 6月 ,次大值出现在 7～ 8月 ;(2 )改变水文模式结构 ,用多站点气候观测资料内插到模式网格点 ,充分实现了分布式水文模拟 ;(3)发展新的水文、植被、土壤参数化方案 ,对 33个参数分区计算和确定 ,并重点对土壤孔隙度 φ、土壤蓄水能力θfc、叶面指数LAI、随机阻抗γs 等 11个参数进行调试和修订 ,提高了水文模拟精度。用改进的DHSVM模式分别对滦河、桑干河流域蒸散发、地下水位、土壤湿度、土壤水下渗、产流、汇流与径流等水文过程进行Off line模拟试验 ,模拟结果与实测值一致性较好 ,滦河流域 1979～ 1991年、桑干河流域 1979～ 1987年水文模拟效率系数分别为 0 .89和 0 .82 ,均高于国内其他相关研究     

兰江流域气候与水文模拟研究

该文建立了气候-水文嵌套模式,用于气候变化情景下流域气候、水文模拟,并在此基础上进行水资源评估.首先应用20km高分辨率的区域气候模式RegCM3,嵌套全球环流模式FvGCM的大气部分,在中国东部地区进行了两组30a积分的模拟试验,即控制试验和未来预测试验.控制试验(1961-1990年)结果表明,RegCM3能较细致地刻画浙江省的地形分布,模拟的浙江省的多年平均气温和降水均呈现出明显的地形特征,与实况较为符合.兰江流域年平均气温模拟较好,但夏季降水模拟量明显偏低.在未来预测试验中,构建了SRES A2排放情景下兰江流域2071-2100年的气候变化情景.然后,用兰江流域的历史观测资料对分布式水文模型DHSVM进行了率定和验证,该模型较好地再现了兰江流域的历史径流过程,具有较好的模拟特性.最后,将RegCM3的两组试验结果输入到DHSVM中,驱动模型进行水文模拟.模拟结果表明:相对于1961-1990年,兰江流域2071-2100年各月的平均气温均呈上升趋势,年平均气温上升幅度达2.84 ℃;年降水量也将增加,主要发生在4-7月的汛期,可能会导致汛期洪涝灾害发生频率上升;年径流深变化与年降水量变化基本一致,汛期径流将明显增加.在全球持续变暖的背景下,兰江流域未来高温热浪和洪涝等气候、水文极端事件有可能进一步加剧.     

多区域气候模式集合对中国径流深的模拟评估和未来变化预估

对5组区域气候模式集合模拟的中国径流深进行评估,并且预估了温室气体高排放情景RCP8.5下的未来变化。结果表明：多区域气候模式集合结果能够基本模拟出径流深的观测特征,对年径流深的空间分布特征模拟较好,但量值存在一定的系统偏差,特别是黄河中游、海河和松辽河存在明显的正偏差,且对全国9个流域片中东南、西南和西北诸河的年内分配总体模拟效果相对较差。未来到21世纪末,全国平均年径流深在各个时段都以增加为主,增加幅度多在5%以内。未来变化存在明显的空间差异,大致表现为“北增南减”的分布特征,但不会改变中国水资源南多北少的空间格局;其中,黄河、西南和西北诸河流域片呈显著的增加趋势,淮河、长江和东南诸河流域片呈现显著的减少趋势,海河、松辽和珠江流域的变化趋势不显著。21世纪末期各地的变化多在±30%以内,且多模式预估的正负变化一致性较高。到21世纪末期,各流域片平均的径流深季节分配总体特征没有明显变化,径流深的最大月份基本维持不变,分配比例的数值有±2%以内的变化,且各季节的增减变化存在明显流域间差异。     

RCP4.5情景下长江上游流域未来气候变化及其对径流的影响

基于1961—2010年长江寸滩以上流域50个气象站的逐日观测数据和寸滩水文控制站的逐日径流数据,结合流域的地形、土地利用和土壤信息,采用HBV和SWAT水文模型,模拟了流域降水径流定量关系,并利用CCLM区域气候模式,开展了气候变化背景下,寸滩未来径流的可能演变趋势分析。结果表明:HBV和SWAT水文模型都适用于位于湿润地区的长江寸滩以上流域,月径流的模拟Nash-Sutcliffe效率系数都在0.90以上。相比较,SWAT水文模型对于枯水径流的模拟较差,HBV水文模型峰值流量的模拟高于实测。相对于基准期(1986—2005年),RCP4.5情景下,2011—2040年寸滩以上流域平均气温、最高气温、最低气温将明显增加,并呈持续上升趋势;流域降水也有一定的增加,但2030年后呈弱减少趋势。从两类水文模型对径流模拟的集合结果来看,2011—2040年年径流将上升14.2%;而径流量的概率分布尾部特征及径流分位数变化进一步表明,流域的未来峰值流量预计将有所增大。     

温室效应引起的中国区域气候变化的数值模拟Ⅰ:模式对中国气候模拟能力的检验

使用RegCM2区域气候模式单向嵌套澳大利亚CSIRO R21L9全球海-气耦合模式,进行了CO2加倍对中国区域气候变化影响的数值试验研究,分析了控制试验(1×CO2)即模式对中国当代气候的模拟情况.首先给出了全球模式控制试验在中国地区的结果,分析表明它对中国区域的地面气温和降水具有一定的模拟能力,其结果可以用来制作驱动区域气候模式的初始场和侧边界.对RegCM2 5 a时间长度控制试验积分结果的分析与检验表明,区域气候模式由于具有较高的分辨率和较完善的物理过程,它对中国区域地面气温和降水的模拟效果较全球模式有了较大提高,如它模拟的各月气温与实况的相关系数全年12个月的平均由全球模式的0.83提高到0.92,降水由0.48提高到0.65.     

RegCM4.4对中国夏季气候的回报和2014年预测

利用区域气候模式对全球气候模式季节预测产品进行动力降尺度,是获取未来高分辨率季节气候预测结果的重要途径。使用区域气候模式RegCM4.4单向嵌套国家气候中心气候系统模式BCC_CSM1.1(m)输出结果,进行东亚19912013年逐年3月1日—9月1日的气候回报试验及2014年3月1日9月1日的气候预测试验。分析模式对中国地区夏季（6-8月）地面气温和降水的回报结果表明:RegCM4.4对夏季气候态的回报优于驱动场模式BCC_CSM1.1(m),并能提供更详细可靠的局地信息;RegCM4.4回报和观测的多年平均气温、降水的空间距平相关系数（ACCs）分别为-0.04和0.01,空间距平符号一致率（PCs）分别为51.1%和50.6%,趋势异常综合评分（PS）分别为64.2和70.3,均方差误差（MSE）分别为1.09 ℃和0.30 mm/d。RegCM4.4对中国地区2014年夏季气候预测结果表明,模式对夏季气温、降水距平整体分布的预测较好,但在次区域尺度上预测结果和观测存在差别。本研究只进行了一个区域气候模式RegCM4.4嵌套一个全球模式BCC_CSM1.1(m)单样本回报和预测试验的动力降尺度试验研究,未来在改进驱动场模式和区域气候模式模拟预测性能、订正驱动场模式输出系统误差及提高运算能力的基础上,进行多模式多样本的集合试验研究,有助于提高精细化短期气候预测产品的质量。     

未来气候变化对黄河流域水文过程的影响

使用NASA/NCAR有限区域大气环流模型FvGCM结果驱动高分辨率区域气候模式RegCM3 (20 km),进行1961～1990年当代气候模拟(控制试验)和2071～2100年IPCC A2排放情景下未来气候模拟(A2情景模拟试验)。将RegCM3径流模拟结果同大尺度汇流模型LRM [分辨率0.25°(纬度)×0.25°(经度)]相连接,模拟预估未来气候变化对我国黄河流域水文过程的影响。结果表明:相对于当代气候,未来黄河流域呈现气温升高、降水增加(夏季7～8月降水减少)和蒸发增大的趋势,且空间分布极不均匀,造成河川径流在5～10月减少,加剧流域夏季的水资源短缺;未来气温升高使得融雪径流增加,可能导致更早和更大的春季径流,使径流过程发生季节性迁移,引起黄河流域水资源年内分配发生变化。     

土地利用变化对长江流域气候及水文过程影响的敏感性研究

使用区域气候模式(RegCM3)和大尺度汇流模型(LRM), 研究土地利用/植被覆盖变化对长江流域气候及水文过程的影响。RegCM3嵌套于欧洲数值预报中心 (ECMWF) 再分析资料ERA40, 分别进行了中国区域在实际植被和理想植被分布情况下两个各15年 (1987～2001年) 时间长度的积分试验。随后, RegCM3 两个试验的输出径流结果分别用来驱动LRM, 研究土地利用/植被覆盖变化对长江流域河川径流的影响。研究结果指出, 中国当代土地利用变化对长江流域降水、蒸散发、径流深及河川径流等水文气候要素的改变较大, 对气温的改变并不明显。土地利用变化引起长江干流河川径流量在夏季(6～8月)有所增加, 并且越向下游增加幅度越大, 其中大通站径流量增加接近15%。总体而言, 土地利用改变加剧了长江流域夏季水循环过程, 使得夏季长江中下游地区降水增多, 径流增大。     

未来气候变化对黄河和长江流域极端径流影响的预估研究

使用NASA-NCAR全球环流模式FvGCM结果驱动高分辨率区域气候模式RegCM3 (20 km),进行1961～1990年当代气候模拟(控制试验)和2071～2100年IPCC A2排放情景下未来气候情景模拟(A2情景模拟试验)。将RegCM3同高分辨率大尺度汇流模型LRM(分辨率0.25°×0.25°)连接,分析水文极端事件在A2情景下相对于当代气候的变化,预估未来气候变化对我国黄河和长江流域水文极端事件的影响。结果表明:(1)未来黄河流域径流年变率增大,月变率减小,日变率在头道拐站以上流域减小,以下流域增大。未来兰州以上半湿润地区,流域东南部湿润区出现径流量峰值的可能性增大,而流域西北部干旱半干旱区出现径流量百分位极值的可能性减小。未来黄河流域中游地区发生流域洪水的风险在夏季月份减少,其余月份均增大。(2)未来长江干流径流年际变率增大,上中游地区径流日和月变率减小,下游地区略有增大;未来汉江流域径流量的年、月和日变率均增大。未来长江干流发生流域洪水的风险在夏季明显降低,而汉江流域各月发生流域洪水的可能性均增大。     

黄河流域未来气候-水文变化的模拟研究

将大尺度半分布式水文模型VIC应用到黄河上中游流域(花园口水文断面以上),并利用区域气候模式RegCM4.0单向嵌套全球气候模式BCC_CSM1.1,动力降尺度到黄河流域的模拟结果驱动VIC模型,开展在新的典型浓度路径下(RCP4.5和RCP8.5)黄河流域未来气候和水文变化的离线模拟。模拟结果显示,在RCP4.5和RCP8.5排放情景下,黄河流域21世纪平均地表气温相对于1971—2000年均呈显著上升趋势,2019—2048年上升1.2—1.5℃,2069—2098年上升2.19—3.9℃。未来年平均降水量有微弱的增大,2019—2048年增幅为6%左右,2069—2098年增幅为1.4%—5.6%。未来蒸发量增大明显,2069—2098年年平均蒸发量最大可增加9.6%。2019—2048年花园口水文站的年平均径流量增大3.4%—7.4%,2069—2098年年平均径流量转为减少,减幅为3.3%—5.3%。黄河上游地区未来气候和水文变化趋势与黄河流域基本一致,但未来年径流量变幅低于黄河流域,相对比较稳定。     

分布式水文模型DHSVM对兰江流域径流变化的模拟试验

介绍如何建立分布式水文模型DHSVM(The Distributed Hydrology Soil Vegetation Model).首先对模型输入和模型参数进行了详细描述,并给出了植被类型和土壤类型等模型参数的取值范围.再将水文模型DHSVM应用到浙江省的兰江流域,通过与实测的年、月径流量过程的对比分析发现,模型模拟的年、月径流量均与实测比较吻合,表明该模型具有一定的适用性,可用于中小流域径流变化的模拟研究.     

澜沧江和怒江流域的气候变化及其对径流的影响

采用VIP（Vegetation Interface Processes）模型和HIMS（Hydro-Informatic Modeling System）模型,模拟分析了1957-2012年澜沧江和怒江流域（简称两江流域）水资源量的演变。根据CMIP5 RCP2.6,RCP4.5和RCP8.5情景预测,模拟了2030年代和2050年代流域水资源的变化。研究发现,过去50年间,两江流域的气温都呈升高趋势,但海拔较高的上游地区升幅大于下游。年总降水量的变化趋势不明显,但春季降水增加趋势明显。两江流域年总水资源量为650亿～ 850亿m3,水资源总量长期变化趋势不明显,其中澜沧江的波动性（1.884,最大与最小之比）大于怒江。空间上水资源量呈现北低－南高的格局。在未来,两江流域气温仍呈增加趋势,降水呈增加趋势,径流呈增加趋势,空间变异性趋小,但较强的季节性变化对水资源安全仍具有较大的挑战性。     

Impacts of CO2-induced climatic change on water resources in the Great Lakes Basin

Scenarios of CO₂-induced climatic change, based on models produced by the Goddard Institute for Space Studies (GISS) and the Geophysical Fluid Dynamics Lab (GFDL), were used to estimate future changes in water supply in the Great Lakes Basin. The major components of annual Net Basin Supply, surface runoff and lake evaporation, were estimated using the Thornthwaite water balance model and the mass transfer approach, respectively. Two scenarios were derived from each climatic change model, one based on present normal winds, the other assuming reduced wind speeds. A third scenario was derived from GFDL, using wind speeds generated by the GFDL model. Results varied from a decrease in Net Basin Supply of 28.9% for GISS-normal winds, to a decrease of 11.7% for GFDL-reduced wind speeds. All five scenarios projected decreases. These differences in projection will have to be considered when performing climate impact studies, since economic activities affected by lake levels would probably experience different impacts under these scenarios.     

CLIMATE CHANGE DUE TO GREENHOUSE EFFECTS IN CHINA AS SIMULATED BY A REGIONAL CLIMATE MODEL-PART I:EVALUATION OF THE MODEL SIMULATIONS*

Impacts of greenhouse effects(2×CO₂) on climate change over China as simulated by a regional climate model have been investigated.The model was based on RegCM2 and is nested in one-way mode within a global coupled atmosphere-ocean model(CSIRO R₂₁L₉ AOGCM).Two multi-year simulations,the control run with normal CO₂ concentration and the sensitivity run with doubled CO₂ concentration are conducted. As Part I of the publications,results of control run of the CSIRO,i.e.its simulation of present climate in China,are analyzed briefly.It shows that the model can basically reproduce the surface air temperature and precipitation pattern over China.Therefore,its outputs can be used to drive the regional model. Analysis of control run of RegCM shows that with a high resolution,the model improves the simulations of surface air temperature and precipitation in China as compared to the CSIRO model, especially for the precipitation.The spatial correlation coefficient between simulated and observed annual temperature increased from 0.83 in the CSIRO to 0.92 in the RegCM and for annual precipitation from 0.48 in the CSIRO to 0.65 in the RegCM.A similar improvement in the RegCM compared to the CSIRO was found in all simulated months.The main improvement for surface temperature is that RegCM can simulate the fine scale structure of temperature caused by topography.RegCM greatly improved the spatial distribution of precipitation by eliminating the virtual precipitation center in central China,which was simulated by many other GCMs.The precipitation simulated by RegCM in North and Northwest China is smaller than that by CSIRO, which makes it closer to the observation.     

CLIMATE CHANGE HYDROLOGY AND WATER RESOURCES IMPACT AND ADAPTATION FOR SELECTED RIVER BASINS IN THE CZECH REPUBLIC

The Czech Republic has a northern hemisphere Atlantic-continental type of moderate climate. Mean annual temperature ranges between 1.0 and 9.4 °C (between 8.8 and 18.5 °C in summer and between –6.8 and 0.2 °C in winter). Annual precipitation ranges between 450 mm in dry regions and 1300 mm in mountainous regions of the country. With its 2000 m³ per capita fresh water availability, the Czech Republic is slightly below average. Occasional water shortages do not usually result from general unavailability of water resources but rather from time or space variability of water supply/demand and high degree of water resources exploitation. To study potential impacts of climate change on hydrological system and water resources, four river basins have been selected in the territory of the Czech Republic: the Elbe River at Decin (50761.7 km²), the Zelivka River at Soutice (1188.6 km²), the Upa River at Ceska Skalice (460.7 km²) and the Metuje River at Marsov n. M. (93.9 km²). To simulate potential changes in runoff, three hydrological models have been applied using incremental and GCM (GISS, GFDL and CCCM) scenarios: the BILAN water balance model, the SACRAMENTO (SAC-SMA) conceptual model and the CLIRUN water balance model. The paper reviews methods applied in the study, results of the assessments and concludes with suggestions for possible general adaptation policy options where the preference is for nonstructural measures such as water conservation, efficient water demand management and protection of water resources.     

Simulations of Water Resource Changes in Eastern and Central China in the Past 130 Years by a Regional Climate Model

Anthropogenic influences on regional climate and water resources over East Asia are simulated by using a regional model nested to a global model. The changes of land use/land cover (LULC) and CO₂ concentration are considered. The results show that variations of LULC and CO₂ concentration during the past 130 years caused a warming trend in many regions of East Asia. The most remarkable temperature increase occurred in Inner Mongolia, Northeast and North China, whereas temperature decreased in Gansu Province and north of Sichuan Province. LULC and CO₂ changes over the past 130 years resulted in a decreasing trend of precipitation in the Huaihe River valley, Shandong Byland, and Yunnan-Guizhou Plateau, but precipitation increased along the middle reaches of the Yangtze River, the middle reaches of the Yellow River, and parts of South China. This pattern of precipitation change with changes in surface evapotranspiration may have caused a more severe drought in the lower reaches of the Yellow River and the Huaihe River valley. The drought trend, however, weakened in the mid and upper reaches of the Yellow River valley, and the Yangtze River valley floods were increasing. In addition, changes in LULC and CO₂ concentration during the past 130 years led to adjustments in the East Asian monsoon circulation, which further affected water vapor transport and budget, making North China warm and dry, the Sichuan basin cold and wet, and East China warm and wet.     

气候波动和人类活动对南水北调中线工程典型流域径流影响的定量评估

以南水北调中线工程典型流域汉江上游流域和滦河流域为研究对象,采用敏感性分析法、降水?径流双累积曲线法、累积量斜率变化率比较法定量评估了气候波动和人类活动对流域径流变化的影响。结果表明：汉江上游流域和滦河流域变异Ⅰ/Ⅱ期年均径流深相对于基准期分别减少了29.5% / 19.1%和49.8% / 70.0%;对于汉江上游流域,1991-1999年（变异Ⅰ期）气候波动是径流减少的主要影响因素,2000-2008年（变异Ⅱ期）人类活动则是径流减少的主要影响因素,且人类活动对汉江上游流域径流减少的影响逐步增加;对于滦河流域,1980-2010年（变异Ⅰ/Ⅱ期）人类活动一直是径流减少的主要影响因素,且气候波动和人类活动对径流减少的影响贡献率基本保持不变。     

气候变化情景下澜沧江流域极端洪水事件研究

以澜沧江流域为研究对象,基于ISIMIP2b协议中提供的GFDL-ESM2M、HadGEM2-ES、IPSL-CM5A-LR、MIROC5这4种全球气候模式,通过4种模式的输出数据耦合VIC模型,分析4种模式在历史时期（1961—2005年)对洪峰洪量极值(年最大洪峰流量、3 d最大洪量)、极端洪水的模拟能力,比较RCR2.6和RCP6.0两种情景下未来时期（2021—2050年)年均径流量较基准期（1971—2000年)的变化情况,并结合P-III型分布曲线预估了澜沧江流域在两种情景下未来时期极端洪水的强度变化情况。结果表明：VIC模型在该流域能够较好地模拟极端洪水;HadGEM2-ES和MIROC5两种气候模式的输出数据在澜沧江流域有较好的径流模拟适用性;在RCP2.6情景下,澜沧江流域未来时期年均径流量没有明显变化,可能会有略微的增加,而在RCP6.0情景下,未来时期年均径流量有较大可能增加;澜沧江流域未来时期极端洪水较基准期,在RCP2.6情景下无明显变化,而在RCP6.0情景下,洪峰、洪量增加的可能性较大,极端洪水频率和强度也较大可能增加。