黄河源径流演变特征及其对降水的响应

采用1960-2012年黄河源径流、降水数据,以过程线法、集中度和集中期等方法分析黄河沿以上、黄河沿-吉迈、吉迈-玛曲、玛曲-唐乃亥等4个区段降水、径流的演变特征,并从降水的产流能力、时滞相关和集中期响应等角度分析径流对降水的响应。结果表明：黄河源径流汛期占比年际变化趋势自上游各区段呈不显著的增加-减少-增加-减少的特征。吉迈以上径流量年际变化呈不显著增加,吉迈以下呈减少趋势。各区段径流集中期均有不同程度的提前。下游径流集中期早于上游。黄河源汛期降水占比呈不显著下降趋势。4个区段自上游降水年际变化呈显著增加-显著增加-不显著减少-不显著增加的特征。降水的集中度分布较径流更为集中,且有不显著减少趋势。各区段降水的产流能力在20世纪80年代末至90年代中期出现弱化趋势,中上游在2005年左右降水的产流能力转为较分析时段初期有增强的趋势,而中下游一直较分析时段初期减小。不同区段年径流量与不同统计时段降水量的依存关系不同。黄河源玛曲以上径流相对于降水的集中期滞后天数呈不显著减少,玛曲-唐乃亥滞后天数略有增加。     

黄河源区径流对气候变化的响应及未来趋势预测

利用1956-2010 年黄河源区流域水文、气象观测数据和2010-2030 年区域气候模式系统PRECIS输出数据降尺度生成的未来气候情景资料,通过分析流量的演变规律和揭示气候归因,预测了未来流量可能的演变趋势。研究表明：近55 年来黄河源区年平均流量总体呈减少趋势,并具有5a、8a、15a、22a 和42a 的准周期变化;南海夏季风减弱引起流域降水量的减少与全球变暖背景下蒸发量的增大和冻土的退化是导致黄河源区流量减少的气候归因;根据区域气候模式系统PRECIS预测结果,未来20 年黄河源区流量变化趋势可能仍以减少为主。     

黄河源区地表水资源变化及其影响因子

利用1955~2005 年黄河源区玛多气象站和黄河沿水文站气象、水文资料, 分析了该区域地表水资源、气候及冻土演变规律, 揭示了地表水资源变化的成因。研究表明: 近51 年黄河源流量丰枯转化频繁, 但在总体上特别是进入20 世纪90 年代以来黄河源流量呈减少趋势, 流量年内分配表现为单峰型; 降水量对流量有着较为显著的影响, 且具有一定的持续性; 黄河源区气温的显著升高对于加大流域蒸发量导致流量补给的减少作用要大于其升高致使冰雪融水的补给作用, 其中春季气温回升的这一效应更为显著; 黄河源区冻土呈现出显著的退化趋势, 冻土厚度与流量总体上呈显著的正相关关系, 其不断减小削弱了自身天然隔水层的作用; 黄河源区蒸发量呈现出显著的增大趋势, 并导致流量的减少; 气候变化导致流量的减少量占总减少量的70%, 其余30%可能是由人类活动加剧造成的, 气候及冻土因子对流量的作用大小依次为冻土、降水、蒸发和气温, 显然多年冻土对于黄河源区地表水资源的形成和发育有着至关重要的作用。     

黄河源区径流量的季节变化及其与区域气候的小波相关

采用交叉小波分析方法,分析了黄河源区达日站四季径流量与区域降水量、蒸发量以及最高、最低气温之间的时频域统计特征,讨论了黄河源区河川径流的季节变化及其与气候要素之间的多时间尺度相关。结果表明,黄河源区径流量具有明显的年际和年代际变化,存在着2~4 a、6~8 a和12~22 a尺度的显著变化周期。夏秋季径流变化与区域降水量之间年际和年代际尺度正相关振荡的凝聚性最强,秋季两者相关程度更高;夏季径流与区域蒸发量、最高和最低气温的年代际尺度相关凝聚性高于秋季,径流变化对区域蒸发和气温异常的响应时间也不相同。冬春季径流变化与最高、最低气温的高凝聚性相关表现在年际尺度共振周期上,春季径流与最高气温的负相关程度高于冬季,冬季径流与最低气温的正相关高于春季。分析认为,区域降水量是黄河源区丰水期径流变化的主导因子,最高、最低气温对枯水期径流变化具有重要影响;不同季节气候要素对河川径流的影响机制不同,径流变化对区域气候异常的响应时间存在差异,黄河源区径流变化是气候要素综合作用的结果。     

基于DEM的分布式水文模型在大尺度流域应用研究

本文选取空间大尺度黄河河源区流域为研究对象,利用分布式水文模型进行径流量模拟,采用1976～1985年唐乃亥水文站逐年、月实测径流资料进行参数率定,确定模型的基本参数,得到了较好的模拟效果。模拟结果表明气候变化是引起黄河河源区径流变化的主要原因。在80～90年代的20年间,黄河河源区由气候变化引起径流减少62.11亿m3,占径流变化总量的108.72%,由土地覆被变化引起径流增加5.73亿m3,增加量占径流变化总量的10.03%。     

黄河源区径流年内分配变化规律分析

河川径流的年内分配特征与特定的径流补给条件关系密切。在气候变化以及人类活动的影响下,河川径流的年内分配特征也发生着相应的变化,直接影响水资源的开发利用以及生态系统的健康。本文根据黄河源区主要测站1952～1997年的月天然径流资料,分析了年内分配不均匀系数、集中度和集中期、变化幅度等特性。结果表明:1)黄河源区径流的年内分配特征20世纪90年代和70年代较为接近,而80年代则与60年代较为接近。2)90年代的径流年内分配特征出现了较大的变化,突出表现在汛期径流量的减少;3)玛曲水文站径流年内分配的不均匀性、集中度以及相对变化幅度都略高于唐乃亥,而绝对变化幅度则较小。     

黄河源区径流量与区域气候变化的多时间尺度相关

采用交叉小波变换方法,分析了黄河源区实测径流量与区域降水量、蒸发量以及最高、最低气温之间的时频域统计特征,讨论了黄河源区径流与区域气候变化之间的多时间尺度相关.结果表明,黄河源区径流和区域气候变化具有多时间尺度结构,两者都存在准2a、4a、6～8a、12～14a和20a以上尺度的显著变化周期,不同尺度周期振荡能量的强弱和时域分布的位相差异是两者相关不稳定和存在时延相关的重要原因.径流与区域降水量之间正相关振荡的凝聚性最强,区域降水量对径流变化起主控作用,前期降水异常对后期径流变化具有持续性影响.径流变化与区域蒸发量存在显著负相关振荡,年际尺度相关存在不稳定和时延现象.年代际尺度上径流与最高气温的负相关比其与最低气温的正相关凝聚性更强,最高气温升高对增大流域蒸发量导致径流补给的减少作用大于最低气温升高引起冰雪融水补给的增大作用;两者年际尺度相关不稳定,径流对气温变化的响应时间不同.分析认为,区域降水量是黄河源区径流变化的主导因子,最高气温是重要因子;在区域降水量逐年减小的背景下,气温升高进一步加剧了径流量的减小.区域蒸发量和最低气温变化对径流量也有不同程度的影响,气候因子的综合作用是黄河源区径流变化的根本原因.     

三江源区径流演变及其对气候变化的响应

利用水循环模型、统计检测、对比分析等手段对三江源区水循环过程进行了分析,模拟和检测了1958-2005 年黄河源区出口唐乃亥站、长江源区直门达站、澜沧江源区昌都站汛期、非汛期和年径流过程的变化趋势。在此基础上,检测CSIRO和NCAR两种气候模式A1B和B1 排放情景下未来2010-2039 年源区出口断面的径流演变趋势,对比分析了气候变化的影响。研究表明过去48 年三江源区出口唐乃亥站年径流和非汛期径流过程呈显著减少趋势,而直门达和昌都站径流过程变化趋势并不显著。这将导致对黄河中下游地区的水资源补给显著减少,加剧黄河流域水资源短缺。气候变化背景下,未来30 年黄河源区径流量与现状相比有所减少,尤其是在非汛期,将持续加剧黄河中下游流域水资源短缺的现象。长江源区径流量将呈增加趋势,而且远远高于现状流量,尤其是在汛期,长江中下游地区防洪形势严峻。而澜沧江源区未来30 年径流量均高于现状流量,但汛期和年径流变化并不显著,而非汛期径流变化存在不确定性,CSIRO模式B1 情景显著减小,而NCAR模式B1 情景显著增加。气候变化对长江源区径流影响最显著,黄河源区其次,而澜沧江源区最小。     

扎陵湖、鄂陵湖对黄河源头年径流的影响

黄河源头扎陵湖、鄂陵湖为吞吐湖泊，是黄河源头二大主要湖泊。对黄河源头年径流具有滞蓄、调节作用。利用黄河源头控制站黄河沿站和下游吉迈、唐乃亥、循化3个测站水文资料，依据年径流在地区上的变化特点，分析了扎、鄂二湖对黄河源头径流影响。①扎、鄂二湖滞蓄，改变了源头径流年内分配，使其均匀化；②在枯水年份，入湖水量小，加上湖面强烈蒸发，使得湖泊以下黄河沿站年径流量更小，致使枯水程度加剧，加大了年径流年际变化；③黄河沿站与下游吉迈站年径流丰、平、枯程度对比分析，二站丰、平、枯水年同步出现机率为78．8％，扎、鄂二湖没有改变源头黄河沿站年径流丰、枯规律，是年调节湖泊，不是多年调节湖泊。     

黄河中游多沙粗沙区水沙变化趋势及其主控因素的贡献率

随着气候变化和人类活动影响加剧,黄河中游多沙粗沙区的水沙变化剧烈,因此研究影响黄河中游多沙粗沙区径流量和输沙量的驱动因素对预测未来水沙变化具有重要意义。本文选取Mann-Kendall趋势检验法,Pettitt突变点检验法,位置、尺度、形状的广义可加模型以及累积量斜率变化率比较法对黄河中游多沙粗沙区15个水文站控制流域1956-2010年的年降水量、年径流量以及年输沙量变化特征及其贡献率进行分析,确定影响黄河中游多沙粗沙区径流量和输沙量变化的主要原因。结果表明：① Mann-Kendall趋势检验在5%的显著性水平下,表明降水量虽呈减少趋势但并不显著,径流量和输沙量则有显著的减少趋势;② Pettitt突变点检验得出所研究区域径流量和输沙量的突变年份在1972年、1985年以及1996年左右;③ GAMLSS模型分析结果同样表明降水的均值不随时间发生变化,但降水的方差有减小的趋势;④ 通过累积量斜率变化率比较法得出,人类活动对窟野河流域径流输沙的影响大于无定河流域。通过分析黄河中游多沙粗沙区径流量和输沙量变化的原因,可为黄河中游多沙粗沙区水资源合理分配提供一定的理论支持。     

三江源气候变化及其对径流的驱动分析

以1965-2004 年三江源地区12 个气象台站的降水和气温资料以及长江源区直门达、黄河源区唐乃亥和澜沧江源区昌都水文站的径流资料为基础,分析三江源地区的降水、气温和径流的变化趋势,并采用Mann-Kendall-Sneyers 方法进行趋势显著性检验;采用Makkink 公式计算三江源区12 个气象站点的潜在蒸发,建立三江源区降水和潜在蒸发对径流的驱动模型,并对气候变化(降水和气温的变化) 对径流的驱动进行情景分析。研究表明：1965-2004 年三江源区气温升高,径流减少,并且气温和径流都在1994 年发生突变,但降水的变化趋势不明显。降水和潜在蒸发对径流深的驱动模型表明三江源区降水对径流起正向的驱动作用,潜在蒸发对径流起负向的驱动作用,具体来说,澜沧江源区潜在蒸发对径流的驱动力最大,长江源区次之,黄河源区最小。借助驱动模型对三江源气候变化(降水和气温的变化) 对径流的影响进行情景分析,结果显示,降水和气温对径流的驱动在总体上虽然分别是正、负方向上的驱动,但在具体情景下其各自的驱动作用又呈现出波动的特征。     

过去30年气候变化对黄河源区水源涵养量的影响

黄河源区高寒生态系统具有重要的水源涵养功能。基于改进的LPJ动态植被模型,模拟研究1981-2010年中国黄河源区水源涵养量的时空变化特征,进一步探讨气候要素变化的影响。结果表明：近30年来黄河源区水源涵养量整体略呈减少趋势,减少速率为-1.15 mm/a,区域差异特征体现为大部分地区以减少趋势为主,特别是黄河源区东南部。过去30年黄河源区降水量以及大气水分需求能力的变化是影响生态系统水源涵养量增减的主要气候因素。随着干湿条件不同,两者影响程度各异,降水减少和潜在蒸散增加共同导致黄河源区东南部半湿润地区水源涵养量减少,而降水增加则是北部半干旱地区水源涵养量增加的主要原因。     

基于小波分析的长江和黄河源区汛期、枯水期径流特征

利用db3小波分解和重构1965~2007年长江源沱沱河站、直门达站和黄河源吉迈站、唐乃亥站春汛期、夏汛期和枯水期流量数据,除沱沱河外,各站春汛期、夏汛期和枯水期流量皆呈下降趋势,各站流量下降速率依次为夏汛期>春汛期>枯水期。沱沱河站多年流量呈增加趋势,夏汛期变化速率依然高于春汛期。应用复Morlet小波分别分析上述4个水文站实测流量的周期特征。黄河源总体存在11~12a波动周期;长江源春汛期有4~6a波动周期,夏汛期有13~14a波动周期。不同流域春汛期、夏汛期和枯水期主周期分布规律不同。     

近30年来长江源区与黄河源区土地覆被及其变化对比分析

基于20 世纪70 年代中后期、90 年代初期、2004 年和2012年共4 期土地覆被数据,利用转移矩阵、土地覆被状况指数和土地覆被转类指数,对比分析了长江源区和黄河源区近30 a来土地覆被与生态状况的变化特征。结果表明：2012年草地是两源区最主要的土地覆被类型,但黄河源区的草地面积占比比长江源区高17%,同时,长江源区存在永久冰川雪地及荒漠,黄河源区没有;从土地覆被状况来看,过去30 a黄河源区优于长江源区,长江源区土地覆被状况指数平均为16.82%,黄河源区为38.84%;从土地覆被转类来看,过去30 a长江源区土地覆被总体变好,黄河源区则总体变差,在20世纪70年代中后期至90年代初、20世纪90年代初至2004年和2004~2012年3时段内,长江源区土地覆被经历了变差-好转-持续好转的变化过程,而黄河源区则是变差-显著变差-略有好转,且黄河源区土地覆被状况的变化程度较长江源区更为剧烈;长江源区因分布有大量的冰川、冻土,自20世纪90年代气温升高开始,冰川冻土融化,导致水体与沼泽面积扩张,后期叠加生态工程的积极影响,使得其土地覆被状况持续好转,黄河源区则因2004 年以来暖湿的气候状况及生态保护工程的实施,使得土地覆被退化趋势得到遏制并逐渐呈现转好态势。     

黄河源玛曲段全新世风成黄土-古土壤序列风化成壤特征以及古气候演变

通过对青藏高原东北部黄河源开展广泛细致的野外考察,选择位于玛曲段黄河左岸第二级河流阶地（T₂）之上,赋存典型风成黄土-古土壤序列的达尔琼东（DEQ-E）剖面进行系统采样。在室内对采集样品进行了磁化率、烧失量、吸湿水、粒度、土壤微形态、地球化学元素和光释光（OSL）测年等综合分析,结论表明：① 黄河源玛曲段DEQ-E剖面地层序列由上至下依次为现代草甸土层（MS）-全新世中期古土壤层（S₀）-全新世早期过渡性黄土层（L_t）-阶地漫滩相沉积层（T_2-al）;② 黄河源玛曲段DEQ-E剖面风成黄土-古土壤序列风化成壤强度呈现出全新世中期古土壤层（S₀）>全新世早期过渡性黄土层（L_t）>现代草甸土层（MS）的变化特征;③ 黄河源全新世的古气候演变可分为3个阶段：全新世早期（11000 a BP—9000 a BP）,西风势力减弱,东亚夏季风逐步增强,气温趋于变暖,降水有所增加;全新世中期（9000 a BP—3100 a BP）,东亚夏季风作用强盛,气候整体温暖湿润;全新世晚期（3100 a BP以来）,东亚夏季风衰退,西风势力有所增强,导致气候转向干冷。该研究成果有助于理解青藏高原东北缘的古气候演化机制,同时对于预测未来区域气候变化具有重要的科学意义。     

黄河源区植被指数与干旱指数时空变化特征

标准化降水蒸散发指数(SPEI)是评估气候变暖背景下区域干旱的重要指标。基于生态功能分区,利用MODIS-NDVI数据和SPEI指数,探讨2000—2014年黄河源区植被指数和干旱指数的年际变化、空间分布规律以及两者之间的相关关系。结果表明:(1)2000—2014年黄河源区NDVI和SPEI总体上均呈波动上升趋势,植被覆盖状况略有好转,干旱程度有所降低;(2)NDVI与SPEI变化趋势的空间分布特征大致相同,东南部区域总体呈减少趋势,西北部区域总体呈增加趋势;(3)黄河源区降水量是影响植被生长的主要因子,也是影响SPEI变化的主要条件。当0.3NDVI0.6时,SPEI对NDVI的影响较强,当NDVI0.6时影响较小;(4)黄河源区大部分地区NDVI与SPEI呈正相关,其中呈显著正相关的区域分布在青根河生态区以及黄河源头生态区植被覆盖度较低区域;小部分地区由于受到人类活动的干扰,使NDVI与SPEI呈负相关或相关性较弱,其中呈显著负相关的区域在黄南草原生态区及周围草地退化、生物多样性敏感的区域。黄河源区干旱程度的下降对植被覆盖的增加有促进作用,为该区域的生态恢复提供了有利条件。     

近40a来黄河上游径流变化特征研究

利用黄河上游兰州水文站以上流域(及少数邻近站点)26个气象台站的气温、降水及5个水文站的径流逐月资料(1950’s—1990’s),分析了20世纪后期近40a来黄河上游径流变化特征及其与气候变化的关系。研究表明：黄河上游流域普遍存在升温的变化趋势,尤其是冬季升温明显,同时导致冻土层温度的升高和冻土退化,蒸发加剧,不同程度上影响了流域内径流的变化;流域内降水减少趋势明显。黄河上游自然来水径流量呈显著的减少趋势,1990年以后减小的趋势更加明显;从年内变化分析来看,流域内各水文站春季径流(4～6月)有明显的增大趋势,该时段降水(雪)的明显增加,是导致其春季(4,5,6月)融雪径流的增加的主要原因;秋、冬季径流的减少,主要是秋季变于的结果;分析兰州站径流的变化特点,主要还受到上游水库调节等人类活动作用的影响。     

基于NDVI的黄河源区生长季植被时空变化及其与气候因子的关系

为掌握黄河源区植被变化趋势及其与气候因子的关系,本研究利用2000—2013年Terra/MODIS NDVI数据和同期气温、降水资料,通过一元线性回归分析、相关分析等方法,对黄河源区生长季植被时空变化及其与气候因子进行关联分析。结果表明:黄河源区多年平均生长季NDVI整体表现为由东南向西北递减。2000—2013年,黄河源区生长季NDVI呈波动上升趋势(P0.01);生长季各期NDVI均在增加,其中生长季初期NDVI增加较显著。近十几年NDVI无显著变化区域占黄河源植被覆盖区面积的69.58%,分布广泛;极显著和显著增加区域占28.88%,集中在黄河源东北部、扎陵湖和鄂陵湖周围;极显著和显著减少区域仅占1.54%,主要以小斑块状分布在扎陵湖、鄂陵湖以上源头区。生长季NDVI与气候因子显著正相关区域和NDVI增加区域高度一致,意味着黄河源区暖湿化促进了植被生长,而降水是影响黄河源区植被生长的主导因子。气温和降水对黄河源区植被生长影响的最大时间滞后效应约为16天或32天,且气温对黄河源区植被生长的影响还具有显著的同期效应。     

气候与下垫面变化对叶尔羌河源流径流的影响

以叶尔羌河流域上游河源区为研究区,构建嵌入了冰川模块的SWAT分布式水文模型,对卡群水文站1968—2017年逐月径流进行模拟,评价该模型在研究区内的适用性,基于模拟结果分析研究区冰川径流年际变化与年内分布情况,并定量核算气候和下垫面变化对径流变化的贡献率。结果表明:该模型在研究区径流模拟中具有良好的适用性,校准期(1968—1992年)与验证期(1993—2017年)的决定系数(R~2)分别为0.77和0.86,纳什系数(NSE)分别为0.76和0.85,均方根误差与实测值标准差的比值(RSR)分别为0.49和0.38,偏差百分比(PBIAS)分别为-7.4%和0.6%。经模拟,研究区近50 a冰川径流量总体呈增加趋势,且其占总径流量的比重约为51.1%;年内冰川产流主要发生在6—9月,占全年冰川径流量的90.0%以上。气候和下垫面变化分别使月径流量增加6.62 m~3·s~(-1)和0.41 m~3·s~(-1),其中气候变化的贡献率为94.2%,即气候变化对研究区径流的影响占主导地位。研究成果可为理解研究区的历史径流变化成因及预测未来径流的演变趋势提供科学依据。     

2000-2014年黄河源区ET时空特征及其与气候因子关系

黄河源区地处青藏高原东缘,具有独特的自然生境和丰富的自然资源,是中国西南区域经济发展的重要生态安全屏障。以MODIS ET产品作为研究黄河源区地表蒸散发（ET）的数据源,结合黄河源区内部及周边18个气象站数据、全国1∶100万植被类型图和黄河源区DEM数据,利用趋势分析、相对年际变化和相关分析法,研究2000-2014年黄河源区ET时空变化特征及不同土地利用类型下ET的变化规律,重点探讨了ET与气候因子的关系。结果表明：① 黄河源区多年ET区域分异规律明显,北部ET显著弱于中部和东南部,最强ET位于黄河源区的东南部,多年平均ET值为538.61 mm/a,距平相对变化显著,ET年际变化呈先减小后增加的趋势,平均趋势变化率为0.44 mm/a;② 年内ET呈周期性单峰变化趋势,7月达到峰值;2000-2014年黄河源区多年四季ET季节性差异明显,夏季ET最强达到188.14 mm/a,春秋季次之,冬季ET最弱仅97.15 mm/a;③ 研究时段内不同土地利用类型的ET大小表现为沼泽地>林地>草地>其他>裸地,整体上各土地利用类型的ET呈逐渐增加趋势;④ 相关分析结果表明,ET与同期气温、降水呈正相关关系,与相对湿度呈负相关关系,其中降水对ET的影响强于气温;驱动分区结果显示黄河源区ET受气候因子驱动的地区主要表现为降水驱动。