气候变化下雅鲁藏布江拉孜以上流域径流过程模拟与预测

西部高寒河源区因冰川积雪冻土等特殊的地理环境,其径流过程的模拟与预测一直是水文学研究的难点和热点问题之一,全球气候变暖为这一地区的水文模拟提出了新的挑战。以雅鲁藏布江拉孜以上流域为研究区域,基于可考虑冰川积雪融水的SWAT分布式水文模型对拉孜站径流过程进行模拟,评估SWAT模型在高寒河源区的适用性。基于未来气候变化情景,统计分析了未来研究区降水、气温的变化趋势,预估了气候变化对区域径流过程的影响。结果表明:SWAT模型在拉孜以上流域径流过程模拟中具有较好的适用性,模型在率定期和验证期月尺度NS系数分别达到了0.78和0.84;未来研究区降水、气温均呈现出增加趋势,且随着排放情景的上升,气温、降水增加幅度有变大趋势;未来研究区不同时段径流量也呈现出不同的增加趋势,在2020～2049年的RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景下,相较于基准期径流分别增加了约11.8%、14.0%、16.5%,为下游水资源可持续开发利用带来了更大的挑战。     

气候变化、土地利用/覆被变化及CO_2浓度升高对滦河流域径流的影响

在构建分布式水文模型与生物地球化学模型的耦合模型(DTVGM-CASACNP)及应用元胞自动机-马尔科夫(CA-Markov)土地利用预测模型基础上,以滦河流域为例分析气候变化、土地利用/覆被变化(LUCC)及CO2浓度升高对径流的影响。研究结果表明:DTVGM-CASACNP耦合模型以及CA-Markov模型在滦河流域均具有较好的适用性;气候变化与土地利用/植被覆盖变化对滦河流域径流的影响较CO2浓度升高的影响程度大;未来不同情景下滦河流域2020—2049年径流呈减小趋势,大部分情景下年径流较基准年减少,与非汛期相比,滦河流域未来汛期径流对不同情景更敏感,总体上在汛期径流相对基准年减少,而在非汛期径流相对基准年增加。     

气候变化、土地利用/覆被变化及CO2浓度升高对滦河流域径流的影响

在构建分布式水文模型与生物地球化学模型的耦合模型（DTVGM-CASACNP）及应用元胞自动机-马尔科夫（CA-Markov）土地利用预测模型基础上,以滦河流域为例分析气候变化、土地利用/覆被变化（LUCC）及CO₂浓度升高对径流的影响。研究结果表明: DTVGM-CASACNP耦合模型以及CA-Markov模型在滦河流域均具有较好的适用性;气候变化与土地利用/植被覆盖变化对滦河流域径流的影响较CO₂浓度升高的影响程度大;未来不同情景下滦河流域2020—2049年径流呈减小趋势,大部分情景下年径流较基准年减少,与非汛期相比,滦河流域未来汛期径流对不同情景更敏感,总体上在汛期径流相对基准年减少,而在非汛期径流相对基准年增加。     

未来气候情景下天山西部山区融雪径流变化研究

基于三种不同模式的CMIP5气象数据,采用互信息法挑选预报因子结合RBF神经网络模型,预测不同排放情景(RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5)下未来气候变化下天山西部山区融雪径流的变化情况。对三种模式下不同排放情景预测出的未来径流量进行分析发现:(1)未来径流量在2020～2030年将持续上升,在2060年趋于稳定;未来径流量在非汛期有大幅度的增加而在汛期径流量减少;(2)通过灰色相关性分析找到未来不同模式不同情景下影响径流的主要相关因子,对各相关因子未来变化情况进行分析,发现径流在非汛期有大幅度的增加而在汛期径流量减少的主要原因是:非汛期的降水增加而蒸发减少或增加幅度不大;汛期降水减少而蒸发随气温升高导致汛期的径流量减少。     

基于概率分布法的典型内陆河流域径流未来变化

基于黑河干流历史时期（1960 - 2012年）和RCPs（本文RCPs指RCP2.6、 RCP4.5和RCP8.5三种情景）情景下预估的未来（2013 - 2100年）月平均流量和冰川融水数据, 运用概率分布法和河道来水量距平法, 分析了黑河干流出山径流量与冰川融水径流量及其极值的未来变化趋势与程度、 径流丰枯变化以及冰川融水径流对黑河出山径流的补给与调节作用的变化。结果表明, 相较历史时期, 不同RCPs情景下未来黑河干流出山径流量将略呈增加态势, 但不显著; 月最大（7 - 8月）出山径流量将大幅度减少, 不确定性降低, 月最小（12月 - 翌年1月）出山径流量变化不明显。未来黑河干流, 不同RCPs情景下枯水年的发生概率将增加2～3倍, 偏枯水年在RCP2.6和RCP4.5情景下的发生概率亦将增大; 黑河干流未来可能进入平水年, 甚至枯水年。未来黑河干流年冰川融水径流与月最大冰川融水径流均显著减少, 对黑河径流的补给与调节作用均降低。     

洮河流域土地利用／覆被变化的水文过程响应

土地利用/覆被变化是导致流域水资源发生变化的重要原因.以中国西北地区的洮河流域为研究区,构建适宜于洮河流域的分布式水文模型(SWAT),在综合考虑流域1985-2000年间土地利用/覆被变化特征的基础上建立多种土地利用/覆被情景,并对不同情景下的水文过程进行模拟,得到以下结论:(1)经校准后的SWAT模型,其验证期的相关系数R~2、相对误差R_e和效率系数E_(ns)分别为0.83、-8%和0.68,说明SWAT模型在洮河流域径流量模拟中具有较高的适用性.(2)草地、林地和耕地是洮河流域的主要土地利用类型.林地的壤中流、土壤湿度和产水量最大,耕地的地表径流和蒸散量最大.与1985年相比,2000年土地利用/覆被情景下地表径流增加了1.72%,地下径流和产水量降低了0.8%和0.4%;耕地扩张和城镇建设用地情景下流域地表径流明显增加,生态恢复情景下流域地表径流和产水量均有所降低.(3)从月径流量来看,林草地可以减小最大与最小流量的变幅,而耕地的作用正好相反.与1985年相比,2000年土地利用/覆被情景下汛期地表径流增加1.67%,地下径流减少0.83%,产水量减少0.36%;非汛期地表径流增加1.86%,地下径流减少0.63%,产水量减少0.46%.说明林草地减少对非汛期的影响更大.     

天山南坡高冰川覆盖率的木扎提河流域水文过程对气候变化的响应

木扎提河是天山南坡冰川面积覆盖率最大（48.2%）的河流, 流域径流过程对气候变化极为敏感, 为了合理管理和规划水资源, 确保水资源的可持续利用, 亟需定量评估气候变化对该流域水文过程的影响。以VIC-CAS分布式水文模型为计算平台, 利用实测的径流和两次冰川编目间的冰川面积变化数据开展了模型的多目标参数化校正和验证, 有效提高了模拟结果的“真实性”, 然后通过数值模拟结果结合观测数据定量解析了流域径流的组成、 变化特征及对气候变化的响应机理。结果表明： 木扎提河总径流集中在暖季（5 - 9月）, 占全年总径流量的77.9%, 冰川径流、 融雪径流和降雨径流分别占总径流量的66.6%、 26.4%和7.0%。1971 - 2010年木扎提河流域气温和降水呈显著增加趋势, 由于降水的增加, 降雨和融雪径流均呈增加趋势, 但冰川径流呈现明显减少趋势, 导致总径流呈现下降趋势。在RCP4.5情景下, 未来该流域气温呈现明显升高趋势, 降水表现为微弱下降趋势; 气候变暖后, 更多降水以降雨形式发生, 未来降雨径流将明显增加, 降雪和融雪径流已于20世纪90年代达到峰值, 随后明显减少; 冰川面积将持续萎缩, 冰川径流于21世纪10年代达到拐点, 随后明显减少, 导致河道总径流量也将明显减少。     

气候变化对伊逊河流域水资源量的影响

海河流域作为中国水资源最为紧张的流域,其水资源对气候变化非常敏感.以海河流域中受人类活动影响较小的伊逊河流域为对象,基于海河流域未来气候变化研究成果构建了20种气候变化情景,应用具有物理机理的分布式流域水文模型模拟了不同气候变化情景下的流域水循环情景,对气候变化对伊逊河流域水资源量的影响进行了分析,结果表明气温升高1℃将使流域内3.8mm的径流转化为蒸散发,降水的增加将使流域的蒸发和径流都有所增加,其中新增降水50%转化为蒸发,30%转化为径流.同时径流和蒸散发对于高温和强降水更为敏感.未来气候变化的不确定性使未来水资源量的变化也有很大的不确定性,在以升温为主、降水变化存在很大不确定性的情况下,伊逊河流域天然径流量可能进一步衰减.     

中国西部寒区流域冰川水文调节功能研究

冰川作为固体水库以“削峰填谷”的形式显著调节径流丰枯变化,冰川的水文调节功能对于中国西北干旱区至关重要。使用现有VIC-CAS模型模拟得到中国西部寒区2014—2100年径流预估数据,从趋势和波动变化相结合的视角,基于径流变差系数法,构建了冰川水文调节指数（Glacier_R）,分析了9个寒区流域冰川径流变化的稳定性,详细剖析了历史时期（1971—2010年）和未来到21世纪末这些流域冰川水文调节功能的强弱变化。结果表明：历史时期及RCP2.6和RCP4.5情景下,除长江流域外,青藏高原其余流域的冰川径流减小时间节点为2020s,西北内陆河流域则为2010s。历史时期及RCP2.6和RCP4.5情景下至21世纪末,尽管西部寒区大部分流域的冰川径流呈减少趋势,但波动幅度减小或无明显变化,冰川径流稳定性增强或无变化。总体上,西北内陆河流域的冰川水文调节功能较高,青藏高原流域的冰川水文调节功能较低。RCP2.6和RCP4.5情景下,至21世纪末,西部寒区各流域冰川水文调节功能均呈现减弱趋势,西北内陆河流域减弱更加显著,如RCP4.5情景下,木扎提河冰川水文调节功能降幅达25.4%,而青藏高原各流域的冰川水文调节功能一直处于较低水平。从年代际变化来看,1970s—2010s是寒区流域冰川水文调节功能较强的时期,1980s和2000s两个时段冰川水文调节功能尤强;RCP2.6和RCP4.5情景下,未来到21世纪末,冰川调节功能明显减弱。减弱的时间节点不同,最早为1970s,最晚为2020s。     

基于格尔木河流域的SWAT模型水文特征情景模拟研究

以2008—2016年格尔木河流域实测径流量数据为基础,构建SWAT分布式水文模型,采用SUFI-2算法进行参数率定、验证及不确定性分析,并设置不同的气候情景(RCP2.6、RCP4.5和RCP6.0),预测流域2022—2050年的径流变化趋势,分析了研究区未来降水、气温的变化趋势并探究了这些气候要素对格尔木河流域径流的影响。结果表明：(1)SWAT模型在格尔木河流域径流过程的模拟中具有较好的适用性,率定期R²和E_NS分别为0.84和0.73,验证期R²和E_NS分别为0.74和0.70;(2)径流预测不确定性较小;(3)未来流域降水呈现增加趋势而气温降低;(4)未来时段流域径流增加显著,且降水是控制流域径流的主要因素。