艾比湖流域1957－2013年潜在蒸散、气温、降水变化特征分析

使用1957－2013年艾比湖流域6个气象站点的平均大气压、平均气温、最高气温、最低气温、平均相对湿度、平均风速、日照百分率以及降水量资料,通过Penman-Monteith方程计算出各个站的月和年潜在蒸散量．利用线性倾向估计、累积距平法和Mann-Kendall法分析了该流域近57年的潜在蒸散量、气温及降水量变化特征．结果表明：近57年来艾比湖流域年潜在蒸散量以－25．05 mm·（10a）－1的速度呈下降趋势．近7年的平均潜在蒸散量与过去50年相比较偏少77．36 mm．年平均气温以0．33℃·（10a）－1的速度上升．近7年的平均气温比过去50年的平均气温增加了1℃．年降水量以7．97 mm·（10a）－1的速度增多．近7年的平均降水量与过去50年的平均降水量相比增多32．45 mm．     

1961-2014年黄河源区蒸发皿蒸发量变化的多尺度特征及突变分析

基于黄河源区相关气象站1961-2014年蒸发皿蒸发数据,利用线性倾向分析、滑动平均法、Mann-Kendall法等方法,对黄河源区各分区及整个源区蒸发皿蒸发量变化进行多尺度变化特征及突变分析。结果表明：近50余年来,空间上,黄河源区年平均蒸发量经历了从上游到下游先减小后增加的过程,季节蒸发量变化稍有差异;时间上,黄河源区季节及年平均蒸发量总体呈上升趋势,各分区略有差异,各分区及整个源区蒸发量年代际变化具有较好的一致性。各分区及整个黄河源区年平均及季节平均蒸发量突变点基本一致,均出现在2000年前后,且年与季节平均蒸发量在突变前均值大部分小于突变后的均值。位于源区下游的玛曲-兴海平均蒸发量发生突变的时间较早,且跳跃幅度较小,位于源区中游的达日-玛曲平均蒸发量发生突变的时间较晚,且跳跃幅度较大。对各气象因子的相关分析表明,影响源区年蒸发量变化的主要因子为平均温度。     

1960-2013年艾比湖绿洲湿地潜在蒸散量及地表湿润度变化特征分析

基于阿拉山口、精河、博乐、温泉4个气象站点1960-2013年地面观测气象数据,采用Penman-Monteith公式、Mann-Kendall检验、小波分析、主成分相关分析等方法分析艾比湖绿洲湿地年及季节潜在蒸散量及地表湿润度的特征变化及定量化成因,以期为艾比湖绿洲湿地区域的水资源科学配置提供科学依据。结果表明：（1）1960-2013年,艾比湖绿洲湿地年平均潜在蒸散量为1 063.52mm,夏季值最大为552.3 mm,冬季最小为25.3 mm,年平均潜在蒸散量以12.68 mm·（10a）^-1的速率递减,各季节潜在蒸散变化趋势与年变化一致,夏季表现最明显;（2）Mann-Kendall检验表明,年均和春、夏、秋潜在蒸散量显著性突变时间分别是1991年、1994年、1994年和1993年,冬季不存在突变,显著性突变均发生在21世纪90年代,地表湿润度年突变时间为1985年;（3）艾比湖绿洲湿地潜在蒸散量及地表湿润度存在明显的周期变化,主震荡周期分别为29 a和21 a,以多、少交替发生,具有全域性;（4）风速是年及季节潜在蒸散量的主导因素,地表湿润度变化的主导因素是降水量和相对湿度。     

黄河源区地表湿润指数及与气象因素的敏感性分析

应用Penman-Monteith模型计算了黄河源区地表潜在蒸散,分析了区域1961-2009年49 a来地表湿润指数的变化特征和趋势,并进行影响地表湿润指数的气象因素敏感性分析.结果表明:49 a来黄河源区年地表湿润指数呈减小趋势,其中20世纪60年代相对湿冷,70年代半湿冷,80年代为弱暖湿型,90年代暖干化明显.但进入21世纪初,特别是2003年以来,黄河源区降水增多,湿润指数上升,表现为暖湿型的气候特征.不同季节湿润指数变化略有不同,比较而言,49 a来地表湿润指数在冬春季呈增加趋势,夏秋季呈减小.湿润指数对降水量、日照时数和相对湿度的响应最为敏感.     

黄河源区地表湿润指数及与气象因素的敏感性分析

应用Penman-Monteith模型计算了黄河源区地表潜在蒸散,分析了区域1961-2009年49 a来地表湿润指数的变化特征和趋势,并进行影响地表湿润指数的气象因素敏感性分析.结果表明:49 a来黄河源区年地表湿润指数呈减小趋势,其中20世纪60年代相对湿冷,70年代半湿冷,80年代为弱暖湿型,90年代暖干化明显.但进入21世纪初,特别是2003年以来,黄河源区降水增多,湿润指数上升,表现为暖湿型的气候特征.不同季节湿润指数变化略有不同,比较而言,49 a来地表湿润指数在冬春季呈增加趋势,夏秋季呈减小.湿润指数对降水量、日照时数和相对湿度的响应最为敏感.     

1996—2015年黄河源区植被覆盖度提取和时空变化分析

研究黄河源区植被覆盖度时空变化对于深入理解青藏高原多年冻土区在气候变化和人类活动双重作用下的植被响应,以及为黄河源区生态环境保护和治理提供决策具有重要的意义。以陆地卫星（Landsat）影像为主要数据源,利用多端元混合像元分解模型（Multiple Endmember Spectral Mixture Analysis,MESMA）,完成了1996—2015年黄河源区4.4万km²、7个时相的植被覆盖度提取,并基于转移矩阵和一元线性回归趋势法分析了植被覆盖度变化情况。结果表明：黄河源区东南部植被覆盖度较高,西北部植被覆盖度较低,且植被覆盖度在空间上由东南向西北呈递减趋势。1996—2004年植被覆盖度整体呈下降趋势,2004—2015年植被覆盖度呈增加趋势。1996—2015年植被覆盖度呈增加趋势的区域占57.25%,基本不变的区域占16.02%,植被覆盖度呈下降趋势的区域占26.73%。植被覆盖度下降的主要原因是黄河源头及一些河谷地带、环湖地区受人类影响较大,且东南部海拔较低地区受到过度放牧的影响。尽管黄河源区1996—2015年植被覆盖度总体呈改善趋势,但毒杂草的面积也由1996年的16 060 km²增加到2015年的22 942 km²,20年间增加了6 882 km²,毒杂草面积的增加对黄河源区局部地区畜牧业的发展有不利影响。     

水文站网布设方法在黄河河源区的应用

基于黄河河源区干、支流水文站实测同步系列年径流资料,对黄河河源区进行水文分区。根据线性内插精度理论和径流递增率理论计算出黄河河源区干流应布设水文站的下限、上限数,根据相邻区域代表站所控制区域间径流递变率的要求及内插水文特征值精度的要求计算出河源区应布设区域代表站的下限、上限数。提出布设黄河河源区干流与支流区域代表站数的建议。     

黄河源区雨季降水与汛期径流量重建及其千年尺度下的演变特征

黄河源区年内降水集中, 洪水风险大, 重建源区雨季降水和汛期径流量对于提高径流预报预测精度及防洪防灾具有重要科学意义和应用价值。本文利用黄河源区及周边筛选的16个树轮年表, 采用嵌套主成分层次贝叶斯回归模型, 估算参数后验分布替代固定值以考虑不确定性, 重建了黄河源区过去1 160 a的雨季降水; 提出了基于年径流的分类占比回归模型, 以考虑汛期径流量与年径流量的一致性, 将黄河源区汛期径流量展延至公元159年。结果表明: ①嵌套主成分层次贝叶斯回归模型的误差缩减值(E_R)和有效系数(E_C)评价指标值均显著高于0, 分类占比回归模型的E_R和E_C值最高分别达0.90和0.88, 重建结果可靠性较高; ②即使在千年尺度下, 1979—1985年亦是较为不寻常的汛期高径流量时期。     

长江黄河源区积雪空间分布与年代际变化

应用长江黄河源区及其周边地区16个气象站逐日积雪资料,分析了长江黄河源区积雪的空间分布和年代际变化特征.结果表明:以巴颜喀拉山主峰为中心的黄河源头和长江源东南部地区是年积雪深度高值中心,黄河源头以西和五道梁以东的长江源东北部和黄河源西北部广大地区是低值中心.冬春累积积雪深度占年累积积雪深度的比例>71.0%,夏半年(6~9月)对其的贡献小,但夏半年的积雪日数占年积雪日数的1/3.曲麻莱达日一线以南地区积雪主要发生在1月份,以北地区一年有两个高值期:前冬10~11月和春季3~5月.长江源和黄河源头地区积雪建立早,积雪季节长,结束晚,消退过程缓慢;而黄河源东部地区,积雪建立稍晚,积雪发展比较缓慢,消退过程迅速.近40 a来长江黄河源区积雪呈确定的增长态势,长江源区冬春积雪增长了62.11%,黄河源区增长了60.18%.但二者积雪变化位相基本相反,变化幅度长江源大起大落,而黄河源比较平缓,多雪年份出现也不一致.整个源区20世纪60年代至70年代初为积雪偏少期,70年代中期至90年代是积雪偏多期.从20世纪70年代中至80年代末,积雪明显增加,90年代积雪增加速度有所放慢,近40 a江河源区平均冬春累积积雪深度增加了60.95%.长江源区对整个源区积雪变化起主导作用,源区平均冬春累积积雪深度变化主要表现长江源的特征.     

黄河源区基流变化及影响因子分析

利用黄河源区的4个水文站及13个气象站的日系列资料,基于改进的加里宁基流分割法,分析了1956—2000年以来黄河源区基流和以水文站为节点控制的各个子流域的基流变化及其影响因素.结果表明:黄河源区基流比例较大,多年平均基流指数为0.652;黄河沿以上流域基流指数为0.556,黄河沿-吉迈区间基流指数为0.588,吉迈-玛曲区间基流指数为0.649,玛曲-唐乃亥区间基流指数高达0.704.从绝对量来看,黄河源区多年平均基流量为132.46×108m3;子流域中,玛多以上流域基流量最小,为3.92×108m3,吉迈-玛曲区间基流量最大,为68.82×108m3.对于整个研究区,年降水量决定年基流量,气温影响基流,气温升高,基流减少.不同子流域的基流对气候变化响应不同,玛曲以上各个子流域基流随气温升高而减少,而在玛曲-唐乃亥区间年气温对年基流量无明显影响.黄河源区年代尺度基流指数和降水量成反比关系.     

1975-2011年渭河上游径流演变规律及对气候驱动因子的响应

为探讨渭河上游径流的变化特征及其对气候变化的响应,选取1975-2011年河流实测径流量进行计算和分析. 结果表明：近40 a来,渭河上游径流总体呈明显下降趋势,其中,20世纪90年代前处于丰水期,90年代后进入枯水期,进入21世纪有明显增多趋势. 径流年际丰枯变化激烈,枯水年的发生概率高、持续性强,最长的连枯年份达8 a. 径流量集中在汛期,各年代的分配峰型有所不同,在70、80年代为7、9月双峰,之后变为单峰型分布. 流域内气候增暖明显,降水减少,蒸发加剧;90年代为明显的暖干型气候,21世纪初期气候向暖湿型转变的过程对径流的增加十分有利. 径流对气候变化有较强响应,但响应程度随时间变化而变化. 通过定量分析气候因子对径流变化的贡献值,发现由于气候增暖导致潜在蒸散量的加剧对径流变化的负贡献达60%以上,绝对值高于降水量的正贡献.     

黄河上游流域蒸散量及其影响因子研究

利用彭曼公式计算了80年代以来黄河上游流域蒸散量,分析了该地区蒸散量、日照时数、气温、空气饱和差等气候因子的变化趋势,着重研究了诸因子对蒸散量的影响。研究发现,黄河上游流域蒸散量呈逐年增大趋势,并以每年3.25 mm的速度递增;而作为主要影响因子的日照时数则以每年3.6小时的速度增加;气温同样表现出逐年升高的趋势,其气候倾向率为0.4℃/10 a;空气饱和差也以每年0.02 hPa的速度递增。因此,可以认为,黄河上游流域日照时数、气温及饱和差的增加,加剧了草地蒸散量的增大,而蒸散量的增大和降水量的减少则直接影响到了黄河上游流量的减少和草地荒漠化的蔓延。     

灌溉对景泰灌区年潜在蒸散量的影响

基于蒸散发互补相关原理,定量分析和预测了引黄灌溉发展对甘肃景泰灌区年潜在蒸散量的影响。景泰灌区从1972年开始引黄灌溉,年蒸发皿蒸发量和潜在蒸散量随着灌溉引水消耗的增大而减小,其中空气动力学项下降的趋势非常明显,潜在蒸散量的变化主要受到风速下降和相对湿度增大的影响,与引黄灌溉有密切关系。根据互补相关平流-干旱模型分析了年潜在蒸散量随灌区耗水量的变化规律,并在假定年降水量和年潜在蒸散量中辐射项保持多年平均值的情况下,预测了不同耗水量情景下的年潜在蒸散量。     

黄河源区水环境变化及黄河出现冬季断流的原因

自1954年有水文观测资料以来，黄河曾在青海省玛多县黄河沿水文站发生过3次断流。本文在分析黄河源区水环境特征及其影响因素的基础上指出，鄂陵湖、扎陵湖的环湖融区调节能力低，当遇到连续干旱、冬季其调节水量不足以维系黄河径流时便会发生断流，这是断流的主因。湖水位降低、开采沙金、过度放牧等自然和人为因素也会对黄河发生断流产生影响。鄂陵湖口附近黄河上修建的水电站开始蓄水，提高了两湖及环湖融区的调节能力，今后黄河冬季出现断流的可能性将大为降低。     

近35a来黑河干流中游平原区陆面蒸散发的变化研究

利用FAO Penman-Monteith公式计算了黑河流域中游地区农田、草地和荒漠3种不同下垫面条件下的实际蒸散量,分析了1967-2000年近35 a蒸散量的变化规律及季节变化特性,并结合黑河中游甘州(张掖)、临泽、高台和民乐这4个地区的3期遥感影像资料分析了1967、1986、2000年的土地利用变化,最后根据计算的实际蒸散量计算这3种不同下垫面条件下的总蒸散量.结果表明:黑河流域中游平原区陆面蒸散量总体呈现减小的趋势,农田、草地和荒漠3种下垫面条件下的多年平均蒸散量分别为762 mm、285 mm和229 mm;蒸散量的季节变化差异较大,其季节变化在这3种下垫面条件下都表现为夏季实际蒸散量>春季>秋季>冬季,实际蒸散量受季节变化的影响较为明显;同时这4个地区的土地退化较为严重,其中,草地退化较为明显,荒漠面积明显增加,农田面积也有所增加;在1967年4个地区的3种下垫面条件下的总蒸散量为37×10⁸m³,而1986年的总蒸散量为38×10⁸m³,2000年的总蒸散量为39×10⁸m³.     

基于蒸散发数据同化的径流过程模拟

采用集合卡尔曼滤波算法,以遥感反演的蒸散发作为观测数据,构建一种基于新安江模型的蒸散发同化系统;根据同化后的蒸散发,采用粒子群算法估计新安江模型的土壤张力水蓄量,进而改进模型的径流模拟效果。选取地表能量平衡系统模型进行汉江流域蒸散发（ET_SEBS）反演,采用基于GRACE水储量距平数据的水量平衡蒸散发（ET_GRACE）进行验证,结果显示ET_SEBS总体表现好于蒸散发产品ET_GLDAS、ET_Zhang、ET_MODIS,且相关系数（R）、均方根误差（E_RMS）、偏差（B）为0.93、11.93 mm/月、-3.47 mm/月,表明SEBS模型能够较好地估算蒸散发。将同化方案在旬河流域进行应用,结果显示同化后径流的纳什效率系数（E_NS）为0.85,较同化前0.81明显提高,且模型对枯水期径流的低估问题有一定改善,对径流峰值模拟效果提高明显。     

黄河流域蒸散量分布式模拟

针对传统区域蒸散计算模型中净辐射及其各组成要素的计算直接采用国外经验公式或点上观测资料空间内插的不足,利用基于中国气象站观测资料建立的净辐射及其各组成要素的计算公式和遥感反演的地表反照率,以黄河流域作为研究区域,在考虑地形起伏和下垫面多样性等地表非均匀性因素的基础上,实现了黄河流域净辐射及其各组成要素的分布式模拟;在印证流域尺度存在蒸散互补相关关系的基础上,将净辐射、气温、水汽压等系列要素分布式拟合结果与基于区域蒸散互补理论的AA（Advection-Aridity model）模型耦合,实现了黄河流域蒸散量的分布式模拟。与基于水量平衡的黄河流域多年平均蒸散量空间分布图对照表明,二者趋势分布吻合很好,分区验证的最小相对偏差为1.14%,最大为26.80%,全流域平均相对偏差为1.50%,且分布式蒸散拟合结果更加细致地体现了蒸散量的空间变化情况。集成的区域蒸散分布式模型,以蒸散互补理论为基础,考虑了区域蒸散对近地层大气的反馈作用,仅以数字高程模型和常规气象站观测数据为输入项,应用方便。     

Study on the runoff and sediment-producing effects of precipitation in headwater areas of the Yangtze River and Yellow River,China

Natural runoff observation fields with different vegetation coverage were established in the Zuomaoxikongqu River basin in the headwater area of the Yangtze River, and in the Natong River basin and the Kuarewaerma River basin in the headwater area of the Yellow River, China. The experiments were conducted using natural precipitation and artificially simulated precipitation between July and August to study the runoff and sediment-producing effects of precipitation under the conditions of the same slope and different alpine meadow land with coverage in the headwater areas. The results show that, in the three small river basins in the headwater areas of the Yangtze and the Yellow Rivers, the surface runoff yield on the 30° slope surface of the alpine meadow land with a vegetation cover of 30% is markedly larger than that of the fields with a vegetation cover of 95, 92, and 68%. Furthermore, the sediment yield is also obviously larger than the latter three; on an average, the sediment yield caused by a single precipitation event is 2–4 times as large as the latter three. Several typical precipitation forms affecting the runoff yield on the slope surface also influence the process. No matter how the surface conditions are; the rainfall is still the main precipitation form causing soil erosion. In some forms of precipitation, such as the greatest snow melting as water runoff, the sediment yield is minimal. Under the condition of the same precipitation amount, snowfall can obviously increase the runoff yield, roughly 2.1–3.5 times as compared to the combined runoff yield of the Sleet or that of rainfall alone; but meanwhile, the sediment yield and soil erosion rate decrease, roughly decreasing by 45.4–80.3%. High vegetation cover can effectively decrease the runoff-induced erosion. This experimental result is consistent in the three river basins in the headwater areas of the Yangtze and Yellow Rivers.