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。     

气候变化影响下的流域水循环:以长江和黄河典型流域为例

在对IPCC提供的多种大气环流模式(GCMs)适用性评估的基础上,采用SDSM和ASD统计降尺度模型生成未来气候变化情景,驱动分布式水文模型VIC和SWAT,分别对长江和黄河典型流域进行分布式水文模拟,定量探讨气候变化对流域水循环的影响。结果表明,适应性评估可以有效降低GCMs选择的不确定性,统计降尺度方法能够明显改善全球气候模式降水和气温输出结果。与基准期(1961—1990年)相比,未来时期(2046—2065年和2081—2100年)长江下游太湖流域径流量呈现微弱减少趋势,但汛期东南部径流量增加显著,而黄河上游流域径流量则呈下降趋势。研究结果可为开展我国各大流域适应气候变化研究提供一定的参考依据。     

基于SWAT模型分析淮河流域中上游水量平衡要素对气候变化的响应

本研究在对SWAT模型进行参数化的基础上,采用淮河干流吴家渡和鲁台子水文控制站1971-1990年和1991-2014年的月径流观测数据对SWAT模型进行了率定和验证。模拟效果评估结果显示：不论是率定期还是验证期,Nash-Sutcliffe系数Ens和确定系数R2均>0.8,相对误差Re<1%,模型能够较好地再现月尺度的降雨-径流过程。淮河中上游年径流深线性变化趋势不明显,但子流域空间差异显著,径流深上游及南部呈线性减小趋势,其他子流域呈增大趋势。从年水量平衡要素来看,蒸散量和渗漏量对水量平衡贡献最大。主成分分析表明,平均气温、降水量及蒸散量是淮河中上游水文要素变化的关键因子。剔除人为因素的影响,1971-2014年淮河中上游地区水资源量呈减少趋势,这可能是年平均气温升高、年降 水量略有减少以及年蒸散量减少综合作用的结果。本文研究成果可为淮河中上游水资源管理和相关政策的制定提供技术支撑。     

基于SWAT模型的洪湖流域供水资源模拟研究

利用SWAT分布式水文模型,对洪湖流域1961—2011年供水资源变化情况进行模拟。结果表明:SWAT模型对洪湖流域供水资源模拟适用性良好。近51 a流域年平均地表径流和降水量增加趋势相当,且降水量峰值对应地表径流和地下径流均较高。流域在1960s、1970s相对偏枯,1980s后降水相对丰沛,流域呈现由干转湿的变化。进入21世纪后,流域又趋于偏枯。流域季节降水量、地表径流、地下径流、蒸散发量及土壤含水量变化最大值均出现在夏季,最小值均出现在冬季,但丰、枯年季节分配不同,各要素月季节分布差异较大。洪湖年均入湖水量呈略增加趋势,春、夏季增加趋势较为明显。     

SWAT模型在三江源地区适用性的初步分析

为验证SWAT模型在三江源地区运用的可行性,利用SWAT模型对黄河源头地区的地表径流进行了模拟,结果表明：SWAT模型在三江源地区水文水资源模拟是可行的,模拟结果与实测结果具有良好的一致性,对未来气候变化背景下水资源变化预测结果与其他研究结论基本一致。SWAT模型在三江源地区可运用于水文水资源的利用及管理、气候变化背景下水资源的变化模拟、洪水短期预报、人工增雨对水资源的影响、冰雪消融对河流水文特征的影响。由于区域环境特点,在使用SWAT模型时,必须解决气象站点稀缺、流域面积过大且分属不同流域、验证资料缺乏、冻土层的存在、地理信息系统资料陈旧等问题。总体而言,SWAT模型在我国高原地区有一定推广及应用价值。     

气象、农业和水文干旱之间关联性分析

干旱具有发生频率高、持续时间长、波及范围广的特点。而干旱预报为科学地进行防旱抢险提供了决策支持。选取反映不同类型干旱的指标,即标准化降雨指标(SPI)、标准化土壤湿度指标(SSWI)和标准化径流指标(SRI),通过SWAT模型和带有时滞的灰色关联判断了各干旱之间的时滞。以陆浑水库控制流域为例进行了分析,结果表明:SWAT模型在该流域有很好的适用性,1975—2009年间发生各类干旱的次数在增加,且变率上从气象干旱、农业干旱到水文干旱有所增加,同时不同类型干旱之间表现出了一定的时滞关系,气象干旱对农业干旱的响应时间为1个月;水文干旱对气象干旱的响应时间为4个月;水文干旱对农业干旱的响应时间为2个月。     

基于SWAT模型的汉江流域径流模拟

应用SWAT(Soil and Water Assessment Tool)分布式水文模型对汉江流域1971-2000年30年逐月径流进行了模拟.结果表明:模型模拟精度高于评价标准(模拟效率Ens>0.5,相关系数r 2>0.6),SWAT模型适用于汉江流域的径流模拟;水量平衡各要素中,30年月、年平均蒸散发量、地表径流量、土壤对地下水补给量、土壤含水变化量、地下水侧流量分别占降水量的55.97%、25.88%、17.64%、0.26%、0.25%,蒸散发是该流域水量的主要输出项;各月30年平均降水量变化趋势与地表径流量变化趋势较一致,而与基流量变化趋势一致性较差;30年流域降水量年变化趋势与地表径流量、基流量的变化趋势较一致;30年月、年地表径流量对降水的响应程度高于基流.     

CN05.1气象数据在流域水文模拟中的应用——以新疆开都河流域为例

为探讨中国再分析气象数据集CN05.1在流域水文模拟中的适用性潜力,以开都河流域为研究区,分别使用CN05.1数据集和传统气象站数据驱动SWAT水文模型,采用决定系数（R ²)、纳什效率系数（NSE）和相对误差（R_e）等评价指标对二者模拟效果进行对比分析,以确定CN05.1数据的适用性;最后采用两种数据订正方法对CN05.1降水数据进行了订正,并以水文模拟效果进行评价。研究结果表明:(1) CN05.1气象数据在开都河流域的水文气象模拟中具有较强的适用性;(2) 基于SWAT模型的水文模拟显示,CN05.1数据驱动的水文模拟精度高于传统气象站数据,其率定期（1995—2005年）和验证期（2006—2016年）的R ²分别为0.81和0.73,NSE分别为0.81和0.72,R_e分别为-0.97%和0.39%;(3)两种数据订正方法均能较好地再现流域径流变化过程,但基于空间关系订正法的径流模拟效果更好,R ²和NSE均在0.72以上,|R_e|＜1.7%。由此,订正后的CN05.1降水数据一方面弥补了传统气象站数据缺失的问题,另一方面补足了未订正CN05.1降水数据在径流模拟中峰值欠佳的问题。     

松花江、嫩江流域降水异常对水位变化的影响

利用松花法、嫩江流域的气象和水文资料,讨论了该流域降水对水位变化的影响。结论指出,松花江、嫩江流域汛期一变化与流域内的降水有密切的关系。１９９８年夏季特大洪水主要是由嫩江流域降水异常偏多引起的,逐日水位变化取决于上游水位和临近流域的降水情况。     

基于CMADS驱动SWAT模型的富春江水库控制流域水量平衡模拟

以富春江水库控制流域为研究区域,利用中国大气同化驱动数据集（CMADS V1.1）驱动SWAT水文模型,对富春江水库控制流域进行了逐日径流模拟,探讨了流域2008-2016年径流变化及水量平衡过程。结果表明：CMADS V1.1数据集驱动SWAT模型对研究区域的径流变化具有较好的模拟效果,在验证期,逐日模拟的效率系数大于0.70,决定系数大于0.75,达到了模型评价标准。在流域水量平衡各项中,地表径流和蒸散发为主要的输出项,分别占降水量的57.2%和36.2%,其中蒸散发量年际变化较为平稳。降水量、地表径流量、土壤对地下水补给、地下侧流量、蒸散发量最大值均出现在6月,最小值均出现在1月。流域径流量以地表径流为主,其在各个月份与月降水变化趋势基本一致。而基流量较小,且各月基流量对降水量的响应并不显著。     

气候变化对长江上游径流影响预估

利用第五次国际耦合模式比较计划(CMIP5)中5个气候模式在3种典型浓度路径(RCPs)下的预估结果驱动SWAT水文模型,预估了21世纪气候变化对长江上游年径流量、季节分配以及极端径流的影响。结果表明：预估的长江上游平均气温呈显著上升趋势,21世纪末较当前(1986—2005年)升高1.5~5.5℃,降水总体呈增加趋势,在21世纪30年代后高于当前气候平均值,21世纪末相对于当前增加5%~15%。流域内气候变化存在明显空间差异,金沙江和岷沱江流域气温升高和降水增加幅度均大于流域平均值。预估的长江上游年径流量及各月平均径流均有增加趋势,在21世纪30年代后高于当前多年平均值,21世纪中期增加4%~8%,21世纪末增加10%~15%。预估的径流年内分布的均匀性有所增加,但年际变化明显增大,极端旱涝事件的频率和强度明显增加。预估的各子流域径流变化对气候变化的响应也存在差异,金沙江和岷沱江流域年径流量、年际变化和年内分布变化小,对气候变化的响应表现为低敏感;嘉陵江流域、乌江流域和长江上游干流径流增加幅度大,同时极端丰枯出现的频率和程度增加显著,是气候变化响应的敏感区域。     

基于HBV模型的太子河流域致洪临界雨量的确定

以太子河流域为研究区域,基于流域内的气象水文数据、数字高程模型及土地利用等资料,采用HBV水文模型对流域的水文过程进行模拟,通过对模型参数的率定与验证,评估了HBV模型在该流域径流模拟的适用性,确定了适合太子河流域的最优化参数,结合水位-流量关系曲线,推算太子河流域不同等级洪水致洪临界雨量。结果表明: HBV模型对太子河流域的径流模拟效果较好,率定期与验证期Nash效率系数与确定性系数均超过0.60,模型中积雪和融雪模块(CFR)、土壤含水量计算模块(BETA)与响应模块(KUZ2、UZ1、PERC)中的这些参数最为敏感,模型基本模拟出了洪水对降水的响应过程。通过建立的HBV水文模型,结合小林子水文站的水位-流量关系曲线,以警戒水位、保证水位作为不同等级洪水的判别条件,推算得到了不同起始水位下太子河流域动态临界雨量指标,临界雨量随起始水位的升高而有所减小。     

Systematic Hydrological Evaluation of the Noah-MP Land Surface Model over China

We evaluate water budget components—namely, soil moisture, runoff, evapotranspiration, and terrestrial water storage (TWS)—simulated by the Noah land surface model with multi-parameterization options (Noah-MP) in China, a large geographic domain challenging for hydrological modeling due to poor observational data and a lack of one single parameterization that can fit for complex hydrological processes. By comparing the model simulations with multi-source reference data, we show that Noah-MP can generally reproduce the overall spatiotemporal patterns of runoff and evapotranspiration over six major river basins, with the annual correlation coefficients generally greater than 0.8 and the Nash–Sutcliffe model efficiency coefficient exceeding 0.5. Among the six basins evaluated, the best model performance is seen over the Huaihe River basin. The temporal trend of the modeled TWS anomalies agrees well with GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) observations, capturing major flood and drought events in different basins. Experiments with 12 selected physical parameterization options show that the runoff parameterization has a stronger impact on the simulated soil moisture–runoff–evapotranspiration relationships than the soil moisture factor for stomatal resistance schemes, a result consistent with previous studies. Overall, Noah-MP driven by GLDAS forcing simulates the hydrological variables well, except for the Songliao basin in northeastern China, likely because this is a transitional region with extensive freeze–thaw activity, while representations of human activities may also help improve the model performance.     

Using the SWAT Model for Studying the Hydrological Regime of a Small River Basin (the Komarovka River,Primorsky Krai)

The research describes the experience of using digital models (of terrain, soil, and vegetation) for the underlying surface of the catchment for developing the spatial structure of the open-source SWAT (Soil and Water Assessment Tool) hydrological model. The hydrological regime for the Komarovka River basin (616 km²) is simulated with a daily resolution using the data of Primorskaya water balance station and the modern observation network of Primorye Administration for Hydrometeorology and Environmental Monitoring. It is found that the calculated and measured runoff hydrographs are generally in good agreement, and the model is suitable for describing the hydrological regime of mid-latitude rivers where rainfall floods prevail. The model well reproduces average water years, underestimates the peaks caused by intense rainfall of the typhoon origin and overestimates baseflow.     

Spatial and Temporal Variability of Water Availability in the Yellow River Basin

The changes in hydrological processes in the Yellow River basin were simulated by using the Community Land Model(CLM,version 3.5),driven by historical climate data observed from 1951 to 2008.A comparison of modeled soil moisture and runoff with limited observations in the basin suggests a general drying trend in simulated soil moisture,runoff,and precipitation-evaporation balance(P-E) in most areas of the Yellow River basin during the observation period.Furthermore,annual soil moisture,runoff,and P-E averaged over the entire basin have declined by 3.3%,82.2%,and 32.1%,respectively.Significant drying trends in soil moisture appear in the upper and middle reaches of the basin,whereas a significant trend in declining surface runoff and P-E occurred in the middle reaches and the southeastern part of the upper reaches.The overall decreasing water availability is characterized by large spatial and temporal variability.