中国当代土地利用变化对黄河流域径流影响

使用区域气候模式(RegCM3)和大尺度汇流模型(LRM),研究中国地区土地利用/植被覆盖变化对黄河流域降雨径流过程的影响。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。与观测资料的对比分析表明,在实际土地利用状况下,LRM能较好地模拟黄河河川径流的季节和年际变化。研究结果指出,当代土地利用引起了冬季黄河上游部分地区降水减少,中下游地区降水增加;引起夏季整个黄河流域降水的减少。总体来说,当代土地利用变化引起黄河流域年平均降水的减少。对于水文站河川径流量,除了冬春季略有增加外,其他月份河川径流均会减少,并且在9月减少最多。土地利用引起的植被退化造成黄河径流的大幅度减少,并且越向下游减少幅度越大,这可能是引起黄河下游断流的重要原因之一。     

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。     

北方土地利用变化对中国夏季气候可能影响的敏感性试验

为考察中国北方地区当代土地利用变化对中国夏季气候的可能影响,以区域气候模式RegCM3为模拟工具,利用1992年和1999年的土地利用资料,进行了中国地区植被覆盖变化的敏感性试验。结果表明,中国北方地区土地利用/植被覆盖的改变,将通过影响大气环流和改变陆地—大气或植被—大气之间的能量平衡状态等,对降水和气温等产生较大影响。     

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。     

南疆开都河流域夏季径流量的变化及其特征分析

利用RegCM3模式对开都河流域2000-2006年夏季气候进行模拟,结果表明:模式对于流域夏季月降水总量和月平均气温的空间分布有较好的模拟能力。结合站点海拔高度值、实测值以及模拟量分别对降水、气温进行修正,并由此计算流域的面雨量和平均温度;结果表明开都河流域夏季面雨量与开都河同期实测径流量有较好的一致性,R~2达到0.97。对开都河流域夏季平均气温、面雨量以及径流量的分析表明,降水是影响流域夏季径流量的主要影响因子;而气温对于径流呈现负贡献的原因可能由于对温度敏感的小冰川大大减少,致使径流量随着温度增加而增加的关系减弱。此外,气温升高导致流域蒸散量的提高,可能是气温呈现负贡献的又一原因。     

大规模城镇化对黄淮海地区气候及水资源影响的数值试验

黄淮海地区是我国传统的农耕区,也是经济快速发展、城镇化进程快速推进的区域之一,使得该地区植被覆盖发生了明显变化。为研究城镇化对气候与水资源的影响,应用RegCM3区域气候模式,通过控制试验和敏感性试验,在保证积分时间（2001-2005年）的情况下,输出降水、蒸发、温度、湿度、土壤水分、径流、整层水汽含量等资料,利用敏感性试验和控制试验输出量的差值,来分析黄淮海地区城镇化对气候和水资源要素的影响情况。结果表明,城镇化对研究地区气候及水资源造成的影响主要表现在使局地风场减弱、降水减少、地面气温增加、空气湿度减小、水资源总量减少、土壤含水量减少和地表径流增加等方面,从而对气候和水资源造成影响。     

中国区域陆面覆盖变化的气候效应模拟研究

基于MODIS和CLCV陆面覆盖资料,利用区域气候模式RegCM4分别进行两组24年（1978-2001年）的数值模拟试验,研究中国区域陆面覆盖变化对区域气候的影响。结果表明,以荒漠化和植被退化为主要特征的陆面覆盖变化通过改变陆面能量、水分平衡与大尺度环流进而对气候要素产生重要影响。夏季,中国南方地区普遍降温,季风边缘区及藏北高原气温升高,降水减少;季风边缘区与西北地区气温年际波动加剧;内蒙古中东部地区西南风增强,进而水汽输送增强,一定程度上增加了该地区降水。冬季,中国东部地区偏北气流增强,更多干燥冷空气南下,使得黄河以南地区降水减少、气温降低。     

新疆精河流域河川径流及对气候变化的响应

根据精河流域1957—2012年的气温、降水和径流量等资料,分析了精河流域近55 a来径流量的变化趋势和周期特征,研究了河川径流及对气候变化的响应关系,并建立基于多变量时间序列自回归CAR(Controlled Auto-regressive)径流预测模型。结果表明:(1)精河径流在年内分配不均,季节变化明显,夏季集中,枯水期长且枯季径流量小。6—9月为径流连续最大4个月,占全年径流量的74%。(2)从20世纪80年代开始,河川径流量增加,持续至90年代,在21世纪有减小的趋势,1981—2005年平均年径流总量比1957—1980年增加了3.24%。(3)精河流域年径流量序列在21 a和13 a左右的振荡周期最为明显,其次是32 a和9 a,而其中的21 a和13 a时间尺度上的振荡是全时域的。(4)建立了径流与降水和气温的CAR模型,发现拟合平均相对误差为6.54%,均方根误差为0.039。用CAR模型模拟河流年径流量误差在可接受范围内,可以利用该模型对精河流域年径流量进行预测。     

黄土高原植被变化对环境影响的数值模拟

使用美国NCAR新版MM5非静力平衡模式,模拟了黄土高原2003年6月26~30日的一次降水过程。该试验是通过改变黄土高原局部地区植被覆盖情况,对比分析植被改变区域内各气象要素的变化情况。结果表明:植被改善能使雨量增加,径流量减小,湿度增大,温度日较差减小,使气候变的温和。植被退化却使雨量减少,径流加大,易使水土流失,对水土保持不利。试验较全面地揭示了非均匀地表大气边界层内的温、湿场与陆面相互作用的机理。     

气候与植被覆盖变化对中国西南亚高山区流域碳水循环的影响模拟

正确认识气候变化对流域森林植被和水文的影响对于林业经营管理与流域生态修复具有重要意义。为了揭示气候与植被覆盖变化对西南亚高山区流域碳水循环过程的影响,用生物物理/动态植被模型SSiB4/TRIFFID（Simplified Simple Biosphere model version 4, coupled with the Top-down Representation of Interactive Foliage and Flora Including Dynamics model）与流域地形指数水文模型TOPMODEL（Topographic Index Model）的耦合模型（以下记为SSiB4T/TRIFFID）模拟了不同气候情景下西南亚高山区的梭磨河流域植被演替和碳水循环过程。结果表明,所有试验流域植被经历了从C3到苔原灌木最后到森林的变化;控制试验流域蒸散在流域植被主要为苔原灌木时达到最大而径流深最小;增温5 ℃并且增雨40%试验[记为T+5, (1+40%) P试验]流域蒸散在流域为森林覆盖时达到最大而径流深最小。随着温度增加,森林蒸腾、冠层截留蒸发和蒸散的增加幅度明显大于草和苔原灌木,导致森林从控制试验的增加径流量变为减小径流量。从控制试验到T+5, (1+40%) P试验,温度增加使森林净初级生产力有所增加,但对草和苔原灌木的净初级生产力影响很小;植被水分利用效率随温度增加明显减小。西南山区随着海拔高度降低（温度升高）,森林从增加径流量转变为减少径流量,植被水分利用效率也相应明显减小。西南山区气候的垂直地带性对森林—径流关系和水分利用效率的空间变化有着重要的影响。     

作物生长对流域水文过程与区域气候的影响

利用区域气候模式RegCM3以及考虑作物生长过程的耦合模式RegCM3_CERES对东亚区域进行20年模拟,研究作物生长对流域水文过程与区域气候的影响。结果表明：考虑作物生长过程的耦合模式模拟海河流域、松花江流域、珠江流域多年平均降水效果明显改进,在除黑河流域外的各流域模拟的温度负偏差有所减小,其中在海河流域、淮河流域的夏季改进尤为明显。各流域夏季（6、7、8月）月蒸散量最高,其中长江流域、海河流域、淮河流域、珠江流域的夏季月蒸散量基本上在100 mm左右,并且七大流域蒸散发的季节变化趋势跟总降水基本一致。多数流域考虑作物生长过程的耦合模式模拟得出蒸散发减少且进入的水汽增加,导致局地水循环率减小;黑河流域与黄河流域降水有所增加,其他流域均有不同程度的减小。针对长江流域,比较耦合模式RegCM3_CERES与模式RegCM3模拟结果显示,叶面积指数减少1.20 m²/m²,根区土壤湿度增加0.01 m³/m³,进而导致潜热通量下降1.34 W/m²（其中在四川盆地地区减少16.00 W/m²左右）,感热通量增加2.04 W/m²,从而影响到降水和气温。     

Near future (2016-40) summer precipitation changes over China as projected by a regional climate model (RCM) under the RCP8.5 emissions scenario: Comparison between RCM downscaling and the driving GCM

Multi-decadal high resolution simulations over the CORDEX East Asia domain were performed with the regional climate model RegCM3 nested within the Flexible Global Ocean-Atmosphere-Land System model, Grid-point Version 2 (FGOALS-g2). Two sets of simulations were conducted at the resolution of 50 km, one for present day (1980–2005) and another for near-future climate (2015–40) under the Representative Concentration Pathways 8.5 (RCP8.5) scenario. Results show that RegCM3 adds value with respect to FGOALS-g2 in simulating the spatial patterns of summer total and extreme precipitation over China for present day climate. The major deficiency is that RegCM3 underestimates both total and extreme precipitation over the Yangtze River valley. The potential changes in total and extreme precipitation over China in summer under the RCP8.5 scenario were analyzed. Both RegCM3 and FGOALS-g2 results show that total and extreme precipitation tend to increase over northeastern China and the Tibetan Plateau, but tend to decrease over southeastern China. In both RegCM3 and FGOALS-g2, the change in extreme precipitation is weaker than that for total precipitation. RegCM3 projects much stronger amplitude of total and extreme precipitation changes and provides more regional-scale features than FGOALS-g2. A large uncertainty is found over the Yangtze River valley, where RegCM3 and FGOALS-g2 project opposite signs in terms of precipitation changes. The projected change of vertically integrated water vapor flux convergence generally follows the changes in total and extreme precipitation in both RegCM3 and FGOALS-g2, while the amplitude of change is stronger in RegCM3. Results suggest that the spatial pattern of projected precipitation changes may be more affected by the changes in water vapor flux convergence, rather than moisture content itself.     

近20年中国土地利用变化影响区域气候的数值模拟

区域尺度土地利用/土地覆盖变化(LUCC)的气候效应以及土地覆盖数据的不确定性, 一直是LUCC研究不可忽视的关键问题。本研究基于最新的遥感资料, 采用新的区域气候模式RegCM4.0, 探讨了1990年至2010年中国LUCC对区域气候的影响。结果表明, 中国区域LUCC使得局地气温和日较差发生了显著改变, 而降水及低层环流场变化不显著;LUCC的影响存在季节性差异, 其中, 夏秋季响应程度较大且主要体现在边界层内。就LUCC对气候影响的机理各地区有所不同, 华北地区LUCC的气候效应主要受蒸散发作用主导, 而长江流域则由反照率与蒸散发共同作用。这些结果均说明, 较短时间尺度的LUCC气候效应主要体现在其局地范围, 且在不同的季节有所差异。     

青藏高原冬春季积雪异常对中国春夏季降水的影响

利用1956年12月～1998年12月共42a，青藏高原及其附近地区78个积雪观测站的雪深和我国160站月降水的距平资料，分析了其气候特征，并用SVD方法分析了冬春季积雪异常与春夏季我国降水异常的关系。用区域气候模式RegCM2模拟了青藏高原积雪异常的气候效应并检验了诊断分析的结果。分析表明，雪深异常，尤其是冬季雪深异常是影响中国降水的一个因子。研究证明，高原冬季雪深异常对后期中国区域降水的影响比春季雪深异常的影响更为重要。数值模拟的结果表明，高原雪深和雪盖的正异常推迟了东亚夏季风的爆发日期，减弱了季风强度，造成华南和华北降水减少，而长江和淮河流域降水增加。冬季雪深异常比冬季雪盖异常和春季雪深异常对降水的影响更为显著。机理分析指出，高原及其邻近地区的积雪异常首先通过融雪改变土壤湿度和地表温度，从而改变了地面到大气的热量、水汽和辐射通量。由此所引起的大气环流变化又反过来影响下垫面的特征和通量输送。在湿土壤和大气之间，这样一种长时间的相互作用是造成后期气候变化的关键过程。与干土壤和大气的相互作用过程有本质差别。     

Atmospheric moisture budget and floods in the Yangtze River basin, China

In this paper, we explored the trends of the atmospheric moisture budget, precipitation, and streamflow in summer during 1961 to 2005 and possible correlations between them by using the linear regression method in the Yangtze River basin, China. The results indicate that: (1) increasing tendencies can be detected in the atmospheric moisture budget, precipitation and streamflow in the Yangtze River basin; however, the significant increasing trends occur only in the atmospheric moisture budget and precipitation in the middle and lower Yangtze River basin; (2) both the ratio of summer moisture budget to annual moisture budget and the ratio of summer precipitation to annual precipitation exhibit a significant increasing trend in the Yangtze River basin. The ratio of summer streamflow to annual streamflow is in a significant increasing trend in Hankou station. Significant increasing summer precipitation can be taken as the major controlling factor responsible for the higher probability of flood hazard occurrences in the Yangtze River basin. The consecutively increasing summer precipitation is largely due to the consistently increasing moisture budget; (3) the zonal geopotential height anomaly between 1991 and 2005 and 1961 and 1990 is higher from the south to the north, which to a large degree, limits the northward propagation of the summer monsoon to north China. As a result, the summer moisture budget increases in the middle and lower Yangtze River basin, which leads to more summer precipitation. This paper sheds light on the changing properties of precipitation and streamflow and possible underlying causes, which will be greatly helpful for better understanding of the changes of precipitation and streamflow in the Yangtze River basin.     

The Linkage between Two Types of El Ni?o Events and Summer Streamflow over the Yellow and Yangtze River Basins

It is generally agreed that El Nino can be classified into East Pacific(EP)and Central Pacific(CP)types.Nevertheless,little is known about the relationship between these two types of El Ni?o and land surface climate elements.This study investigates the linkage between EP/CP El Ni?o and summer streamflow over the Yellow and Yangtze River basins and their possible mechanisms.Over the Yellow River basin,the anomalous streamflow always manifests as positive(negative)in EP(CP)years,with a correlation coefficient of 0.39(-0.37);while over the Yangtze River basin,the anomalous streamflow shows as positive in both EP and CP years,with correlation coefficients of 0.72 and 0.48,respectively.Analyses of the surface hydrological cycle indicate that the streamflow is more influenced by local evapotranspiration(ET)than precipitation over the Yellow River basin,while it is dominantly affected by precipitation over the Yangtze River basin.The different features over these two river basins can be explained by the anomalous atmospheric circulation,which is cyclonic(anticyclonic)north(south)of 30°N over East Asia.EP years are dominated by two anticyclones,which bring strong water vapor convergence and induce more precipitation but less ET,and subsequently increase streamflow and flooding risks.In CP years,especially over the Yellow River basin,two cyclones dominate and lead to water vapor divergence and reduce moisture arriving.Meanwhile,the ET enhances mainly due to local high surface air temperature,which further evaporates water from the soil.As a result,the streamflow decreases,which will then increase the drought risk.