气候变化对秦岭北陂径流过程的影响机制研究——以灞河流域为例

综合运用距平分析、连续小波变换（CWT）、交叉小波变换（XWT）、小波相干（WTC）和时滞相关性分析等方法对秦岭北坡灞河流域径流与六大气象因子进行了多尺度分析。结果表明：水文气象因子在不同时频域中存在1~4个显著性周期,且都能通过95%置信水平检验;太阳黑子数8~11.4 a的显著性周期对同时间尺度年均SOI和年均MEI的连续小波能量谱具有明显的影响;交叉小波变换和小波相干分析相结合的方法在识别水文和气象要素的共振周期、相位角变化、丰枯阶段转换、时滞性、相关性、突变与显著性检验等方面具有独特的优势;同期降水是灞河流域径流形成和变化的控制性因素,年均太阳黑子数的影响作用微乎其微,月均流量滞后月均AOI0个月或8~9个月时的相关系数绝对值达到最大,滞后月均SOI2个月或7~8个月达到最大,滞后月均MEI6~8个月达到最大。     

1933~2012年无定河径流突变与周期特征诊断

选取黄河中游区实施水土保持最早的一级支流无定河流域,利用滑动-T、曼-肯德尔和山本等3种突变检测方法相互验证,确定了在受人类活动显著影响下,径流的突变年份为1972年,自此径流平均减少3.55×10⁸m³;基于径流突变前降水与径流的显著相关性,并借助地统计克里格空间插值法,重建1933~2012年无定河流域出口控制水位站天然径流变化序列。采用小波分析法诊断天然径流序列的周期变化,结果显示：天然年径流存在6个不同时间尺度的“丰-枯”演变特征,其平均周期分别对应着35.5、22.2、16.8、12.2、9.3和3.3 a。     

基于小波分析的地下水水位与降水的周期性特征研究

选取北京西山地区2000-2010年6个第四系承压水长观孔逐月观测水位及气象站降水数据,运用连续小波变换方法,对降水量和地下水水位的多时间尺度变化特征进行分析,并采用交叉小波变换探讨了二者关系。结果表明:1)北京西山地区降水具有9~16个月的主振荡周期,持续时间较长,不同季节的多周期特征明显;2)承压水水位存在12个月左右的振荡周期,但持续时间较短,且各观测孔水位周期性特征差异较大;3)交叉小波变换结果表明该地区降水量和承压水水位具有显著的共振关系,地下水水位峰值出现时间一般滞后降水峰值约5~7个月。     

小波变换在相对海平面变化研究中的应用

根据广东沿岸14个验潮站的月均序列,应用小波分析方法将其进行时域-频域分解,分析了近40多年来月平均潮位序列的多层次尺度结构,进而研究相对海平面的周期变化和趋势变化。结果表明,用小波变换研究相对海平面在时域-频域中的周期分布及变化时,能较好地揭示周期变化的局部特征;广东沿岸相对海平面变化包含着0.5年、1年、2~4年、10~11年及18~20年左右等周期变化,且周期变化在时间域中具有明显的局部化特征;据实测资料计算,周期变化对海平面的趋势变化影响明显,未消除周期变化的趋势分析结果偏大,用小波变换有效地消除周期变化后得出粤西及珠江口地区沿岸相对海平面变化率,一般而言,广东沿岸海平面呈上升趋势,上升幅度约为0.36~1.2 mm/a。     

塔里木河流域径流量周期特征及其影响因素

采用交叉小波变换与小波相干方法分析了塔里木河流域近40 a来年径流量、年降水量和年平均温度的周期特征,结果表明:塔河流域年径流量、年降水量和年均温度存在2.0~6.0 a左右的显著周期变化,除卡群站年径流量周期变化不显著,其余水文站的年径流量周期强烈震荡主要分布于20世纪60年代中后期至70年代以及90年代以后;各站年降水量的显著周期主要分布于20世纪80年代以后;年均气温显著周期主要分布于20世纪60年代中后期至70年代。同古孜洛克和卡群的径流量显著周期变化主要受和田和莎车降水量的影响;沙里桂兰克1965~1968的径流量显著周期主要是阿合齐气温周期显著变化引起的,20世纪90年代以后阿合齐降水量成为影响径流量周期变化的主要因素;大山口的年径流量周期变化受降水量和气温的共同影响。阿拉尔径流量的周期变化在20世纪70年代主要受源流降水量显著周期变化。由于人口和耕地面积的迅速增加,源流区用水量增加,20世纪90年代以后降水量的周期变化没有引起阿拉尔径流量的周期变化。     

松花江区气象水文干旱演变特征

采用标准化降水蒸散指数和径流干旱指数分析了1961~2010年研究区水文干旱和气象干旱时空演变特征,并探讨了水文干旱与气象干旱的关系。结果表明：① 1961~2010年松花江区呈总体干旱化且又有明显时段性的特征,其中1967~1983年和1996~2010年气象干旱频发、覆盖范围广、持续时间长且强度大;其它时段气象干旱少有发生。其次,气象干旱空间分布差异明显,东部的平均干旱频次和强度都大于西部地区,中部（嫩江流域中下游）平均干旱持续时间最长;但在嫩江流域和黑龙江上游地区干旱略有减弱趋势。② 松花江流域和挠力河流域水文干旱呈加剧的趋势,尤其是近15 a干旱化趋势明显;挠力河流域干旱频发、强度大且持续时间很长。松花江流域水文干旱程度弱于挠力河流域,但极端水文干旱事件频发。 ③ 松花江区气象干旱与水文干旱密切相关,嫩江流域水文干旱滞后于气象干旱2个月,而第二松花江流域和松花江流域水文干旱滞后于气象干旱3个月;挠力河流域水文干旱与气象干旱无明显的时滞相关性。     

湖南月蒸发量的时空变化特征及其与月平均气温的相关性

运用经验正交函数（EOF）和交叉小波变换法,分析了湖南省1981―2013 年月蒸发量的时空分布特征及其与月平均气温之间的非线性交互关系。月蒸发量的EOF 分解表明：前3 个空间模态的累计贡献率达77.9%。其中EOF1（63.4%）揭示了湖南省月蒸发量最主要的时空分布特征呈东西反向型,体现出月蒸发量与高程之间存在一定的负相关性;EOF2（8.5%）具有正负位相频繁交替的时间系数,反映了更为复杂的时空变化特征;EOF3（6.0%）的值自西北向东南呈“＋、-、＋”分布。然后,分别选用洪江、桑植和新晃站作为3 个空间模态的代表站点,并计算出各站点的月蒸发量与月平均气温之间的交叉小波谱和小波一致性,结果表明：两者之间的相关性在8~16个月的时间尺度下最强,且其相位角均为0°,说明气温对蒸发量的影响在该时间尺度下最为显著且不存在时滞效应,但在＜8 个月和＞16 个月的时间尺度下,强相关性的出现频率和分布以及相位角的方向沿时间轴均呈现出较大的差异性。     

黑河出山径流过程与气象要素多尺度交叉小波分析

运用交叉小波对黑河上游野牛沟气象站1959-2010年和祁连气象站1957-2010年年降水(AP)与年均气温(AAT)、北极涛动指数(AOI)和莺落峡站(1944-2010年)的年均径流量(AAR)进行了多尺度分析。结果表明:AOI存在3~5 a尺度的显著周期,AAT存在3 a尺度的显著周期,AP存在3 a和4~6 a尺度的显著周期,AAR存在3 a、2.5~4 a和5 a比较显著的周期;黑河上游径流的增加主要是受"暖湿"气候影响;AAR与AOI、AAT呈现出3 a的负相关和3~4 a的近似负相关共振周期,AAR与AP存在2~7 a的显著性的共振周期,降水对径流的影响很大,为径流的主要补给来源;受AOI的影响,AAR在1987年发生3 a周期的"丰-枯"转换,受AAT的影响,AAR在1974年和1996年发生3 a周期的"丰-枯"转换,受AP的影响,AAR在1986年发生3 a周期的"丰-枯"转换。降水和气温是影响径流变化的主导因素。     

长江黄河源区水文和气象序列周期变化分析

应用Meyer小波,对江河源地区近50a来年径流量、年降水量和年平均气温做周期分析,发现江河源地区水文气象序列的变化周期基本在22a、16~17a、11a、7~8a、5~6a和2~3a左右的时间尺度上浮动。而这些基本周期正是太阳黑子活动周期和海-气相互作用的周期,说明江河源地区水文、气象序列的周期变化受天体运动变化的影响。天体运动直接影响降水和气温的周期变化,进而在一定的下垫面条件下,影响径流的周期变化。     

塔里木河干流径流量变化与太阳黑子活动的关系

本文运用Morlet 小波分析方法, 分析了1957-2011 年塔里木河干流年径流量与太阳黑子相对数的关系。结果表明, 55 年间塔里木河干流年径流量和太阳黑子相对数都呈减小的趋势。塔里木河干流年径流量变化存在4 a、8 a、18 a、21 a 左右的主周期。在8~9 a 和18~21 a 尺度上年径流量序列与太阳黑子相对数序列具有相近的主周期。年径流量变化所表现的4 年主周期与太阳黑子活动关系不大;18~21 a 主周期特征应主要受太阳黑子活动的影响;8 a 主周期也与太阳黑子活动显著相关, 但由于受到人类活动的强烈干扰, 致使在20 世纪80 年代以后两者关系被扰乱。预测2012-2020 年间塔里木河干流将处于枯水期, 年径流量的平均值约为35×10⁸~40×10⁸ m³。     

黑河莺落峡站径流变化的影响因素分析

以黑河干流出山口径流控制站莺落峡水文站1960-2004年45年的径流序列为基础数据,采用相关分析、交叉谱分析、统计规律分析、降水—径流双累积曲线法等研究了全球变化、太阳黑子活动、ENSO循环和下垫面变化对黑河干流出山径流变化的影响。结果表明：①全球变化对莺落峡站径流变化影响较大;②莺落峡站年径流与太阳黑子相对数两序列在2年和3.3年两个振动周期上存在显著的相关关系,但在这两个存在显著相关关系的振动周期上太阳黑子相对数的周期波动变化都落后于莺落峡站年径流的周期波动变化;③ENSO循环对莺落峡站年径流变化有一定的影响,但是,El Nino事件和La Nina事件对莺落峡站年径流的影响时间持续较短,对事件发生当年的径流变化影响较大,对事件发生次年的径流变化影响较小;④流域下垫面变化对莺落峡站年径流量的变化影响较小。     

西江流域径流与气象要素多时间尺度关联性研究

使用水文统计和交叉小波方法对西江流域1961~2005年径流变化特征及其与气象要素的多时间尺度的关联性进行分析。结果表明,径流量总体呈现减少的变化趋势,可能是人类活动引起流域内蒸发和入渗增加,使径流对降水的响应减弱造成的,径流丰枯变化基本与降水的波动相一致。气温对径流的显著作用主要集中在1990~2000年3~5 a周期上,径流对气温变化的响应时间为6~12个月;降水与径流在大部分时频域中呈同相相位变化,其相互作用主要集中在1992~2003年3~4 a和1980~2000年11~12 a周期上;大气环流变化对径流的影响主要集中在1965~1975年2~3 a及1993~2000年3~5 a周期上,对径流的影响可能是通过对区域降水影响实现的,径流对前一次环流变异响应时间为6~12个月,对后一次响应时间较快,时间的差异可能是下垫面的改变引起流域产汇流机制变化造成的。     

1960~2005年西北地区低云量的时空变化及成因分析

基于西北地区177个站点1960~2005年逐日的低云量观测资料,运用地统计学、交叉小波分析和多元回归分析,分析了近46 a来西北地区低云量的时空变化特征及影响因素。结果表明：近46 a来西北地区低云量呈较显著上升趋势,1997年之后上升显著。低云量空间呈自东南向西北递减的趋势。低云量与降水、相对湿度等呈显著的正相关,与昼夜温差、日照时数等呈显著的负相关。低云量存在2~4 a、准6 a、准11 a的周期变化,与宇宙射线在1982~1993年存在5~8 a的共振周期,与NOI指数存在2~4 a、准5 a、准11 a的共振周期,和太阳黑子的共振周期为9~11 a。     

中国干旱内陆河出山径流对流域气象要素与全球气象指数的响应特征研究

干旱内陆河出山径流及其影响因素分析对于流域水资源评价、流域经济生态安全保障具有重要意义。基于1960-2012年塔里木河流域"三源流"与黑河流域的出山径流、降水、气温资料及4个全球气象指数监测数据,采用小波分析方法研究了各水文气象要素的周期特征,以及流域出山径流对气象要素与气象指数的响应特征。结果表明：（1）各水文气象因子多具有1~2个显著周期,周期多在2~7 a尺度范围内。（2）叶尔羌河、黑河出山径流与流域降水分别在6~17 a、2~16 a周期上关系显著。各出山径流与流域降水、气温的多尺度共振周期性差异,反映了各径流来源构成及其与气象要素年际动态方面的差异。（3）各流域出山径流对气象指数的响应特征不同,这在显著时频域以及径流响应时滞等方面均有表现。此研究可为气候变化条件下干旱内陆河流域生态-水文过程响应及水资源管理提供依据。     

黄土高原甘肃区降水变化与气候指数关系

基于黄土高原甘肃区34个气象站1961~2010年的逐日降水资料,结合线性趋势法、Mann-Kendall法和反距离加权插值等方法,对黄土高原甘肃区降水量时空变化进行分析,利用Morlet小波、交叉小波变换和小波相干谱分析其周期特征及其与太平洋年代际涛动（PDO）、厄尔尼诺/南方涛动（ENSO）指数相关关系。结果表明：研究区年降水量呈下降趋势,变化倾向率为-15.4 mm/10a,特别是20世纪90年代以来降水量下降趋势明显;就季节变化而言,降水量除冬季呈轻微增加外,其他各季均呈减少趋势,其中以秋季减少最为明显,其次为春、夏季。从空间分布来看,年降水量总体呈减少趋势,其东南地区降水量减少幅度高于西北部。研究区降水量存在2~3 a、4.3~5 a的年际振荡周期特征,呈现了同大尺度气候因子相似的变化特征;降水量与两大气候因子存在着多时间尺度的显著相关性,与PDO和ENSO存在5~5.6 a左右共振周期,位相谱月降水量变化位相比PDO和ENSO提前;低能量区降水量与PDO有3~3.5 a年的显著共振周期且接近同位相变化,与ENSO存在0~3 a和3~6 a呈负位相的共振周期。     

黄河中下游地区降水变化的周期分析

根据利用清代雨雪档案重建的黄河中下游及其4 个子区域1736~2000 年的逐年降水序列, 采用小波变换方法, 分析了该区降水变化的周期特征, 探讨了影响降水周期变化的可能 驱动因子。结果表明: 黄河中下游地区的降水, 具有2~4 年、准22 年及70~80 年等年际与年代际的振荡周期。其中, 2~4 年周期与El Nino 事件关联, 在El Nino事件发生的当年或第二年, 黄河中下游地区的降水比常年偏少; 而准22 年及70~80 年的周期, 与wolf 太阳黑子相对数的周期变化及太平洋年代际振荡(PDO) 信号有关。但在70~80 年的周期尺度上, 太阳活动与降水变化的对应关系在1830 年以前表现为太阳活动偏强(弱) 时, 降水偏少(多); 1830 年以后, 太阳活动的周期演变为80~100 年的更长周期, 因这一阶段可能受到由于人类活动加 强而致的温室气体浓度升高等因素的干扰, 太阳活动与降水之间的关系明显减弱; 而PDO 与降水的对应关系则表现在全时域上, 且在近100 多年, PDO 与降水之间的相关关系逐渐加强, 特别是在1940s 以后达到最大。     

千河流域近540 a来旱涝灾害变化规律研究

 通过收集整理千河流域1470-2009年旱涝灾害资料,结合滑动平均、累积距平,以及小波变换处理等方法,分析了千河流域近540 a来旱涝灾害变化规律。研究结果表明:千河流域旱涝灾害交替频繁,具有明显阶段性与周期性规律。通过11 a滑动平均和累积距平分析,可以将千河流域历史旱涝灾害分为3个阶段,在此基础上,又可分为7个明显的偏旱或偏涝时期。另外,由小波分析得出,千河流域近540 a来的旱涝灾害具有明显的周期变化,并且与太阳活动周期有着密切的联系。而且千河流域历史旱涝灾害的发生与我国西北地区,尤其是关中地区旱涝灾害发生规律具有明显的相关性。这对了解千河流域旱涝灾害发生规律和制订防灾减灾措施等具有重要的现实意义。     

基于小波分析的汾河河津站径流与输沙的多时间尺度特征

基于汾河流域19个气象台站1959~2005年的月均降水量、河津站的径流量和输沙量资料,借助小波分析方法研究了降水、径流与输沙序列的多时间尺度特征及它们的耦合关系。结果表明:降水、径流与输沙量具有2~4a、14~18 a左右2个不同尺度的周期变化,且三者的主周期基本一致,即3 a和16 a;3 a尺度上,3个要素曲线的正、负位相交替频繁,突变点较多,且曲线变化除个别时段发生紊乱外基本上保持同步性;16 a尺度上,突变点较少,3条曲线的正、负位相交替相应减少且出现不同步现象。降水、径流与输沙量曲线发生趋势变化及出现不同步现象的原因包括自然因素和人类活动,而后者是其主要影响因素。     

近50年鄱阳湖流域径流变化特征研究

利用鄱阳湖流域1955-2003年3个主要水文站(外洲、李家渡、梅港)月径流实测资料,采用统计方法和小波方法,分析近50年该流域径流的年内、年际和周期变化特征.结果表明:鄱阳湖流域年内最大径流主要出现在4月、5月或6月;就季节变化而言,春季径流量最大,夏季次之,秋季和冬季较小.径流年际变化在开始较长时段呈增长趋势,1998年出现转折,之后递减,下降速度略低于前期增长速度.外洲等3水文站存在25～26 a的第一主周期,8 a和3～4 a的次主周期,周期变化基本一致.通过对相应影响因素的分析,发现该流域径流变化是气候、流域覆被和水利工程等多种因素共同作用的结果,而气候因素中的降水和蒸发起着主要作用.     

格尔木河流域水文气象要素变化特征及其遥相关分析

格尔木河是青藏高原柴达木盆地的主要河流之一,为下游城市和察尔汗盐湖提供了重要的水资源,分析其水文气象要素变化趋势及特征对当地水资源开发利用和区域发展具有重要意义。为探究格尔木河流域水文气象要素的变化特征,基于格尔木河 1959年至 2017年期间的年平均径流、降雨和温度资料,采用线性趋势估计法、累计距平法以及滑动移除近似熵等方法进行研究,并基于小波分析开展与大尺度气候指标间的遥相关分析。趋势分析结果表明,格尔木河流域径流和温度具有显著的增大趋势,多年平均径流为 28.5m3/s,线性拟合结果为: y=0.3x-567.99,相关系数为 0.66;降雨序列总体趋势较为平稳,变化趋势不明显;温度每十年的升温幅度为 0.59℃,约为全球平均升温幅度的两倍。累计距平法分析得出径流和降雨均在 2005年发生变化,二者的累积距平曲线由持续下降转变为快速上升。结合 MC-ApEn方法和滑动 T检验法进行突变分析结果表明径流和温度均在 1983年附近发生突变,降雨突变信息不具有显著性。径流、降雨和温度之间在 1967年和 2010年分别存在 4年和 2年的高频周期信号,且径流与降雨的相关程度最大。遥相关分析结果表明流域降雨与五个指数的相关程度明显高于径流和温度,且 PDO与降雨最相关, DMI通过干扰西南暖湿气流会对径流产生影响, AO与气温显示出较强信号。