气候变化、植被改变及人类用水与黄河流域水循环的研究进展

受气候增暖和人类活动的双重影响,黄河流域的水循环正在发生显著变化,水资源供需矛盾突出。陆地水循环是一个复杂的非线性系统,为清晰认识水循环变化的全貌,并合理高效利用有限的水资源量,需要综合考虑水循环各个要素之间的协同变化机制。同时,在“人类世”背景下,黄河流域水循环研究必须考虑人类活动的影响,主要包括植被变化和人类用水,其中人类用水主体为农业灌溉。自从实施生态恢复工程以来,黄土高原植被覆盖明显改善的同时也引发了对径流、蒸散发、降水、土壤湿度以及地下水的一系列影响,且研究结论还存在一些争议,但黄土高原植被覆盖改善使得该地区蒸散发量增加基本达成共识,大多数研究支持植被改善减少径流的结论。黄河流域的农业灌溉方式主要为大水漫灌,其对地表蒸散发、地表水及地下水多个过程具有重要影响。本文主要针对黄河流域的水循环研究,讨论相关研究进展以及发展方向。     

气候变化对黄河流域径流变化及其可能影响研究进展

阐述了黄河流域水文要素变化的事实,揭示了黄河流域径流的脆弱性;综述了黄河流域径流对气候变化的敏感性及未来气候变化对黄河流域径流的可能影响的研究现状.目前的研究表明:降水在20世纪80年代后呈弱减少趋势,径流减少明显;径流对降水的敏感程度高于对气温的敏感程度;在未来气候变化情景下,径流总体呈减少趋势,黄河流域未来水资源紧张态势将进一步加剧.依据上述研究成果,提出了黄河流域适应气候变化的对策.诸多气候变化对黄河径流影响的研究中,尚存在不足:气候变化对径流变化影响的机理尚需进一步研究,缺乏极端气候事件对径流的影响研究,气候模型和水文模型中的不确定问题有待解决.     

气候变化与中国水资源

该书总结了国内外近年关于气候变化及其对水资源影响的若干研究成果,系统分析了中国近现代的基本水文气候特征,以及主要水文气候要素的时间变化规律,包括地面气温、降水、蒸发以及极端天气气候事件的年代和长期趋势变化特点,评价了气候变化对全国和各主要流域水循环和水资源的影响,初步预估了未来可能的气候变化趋势及其对水资源的影响,提出了我国水资源管理领域应对气候变化影响的战略和对策建议。     

青藏高原及其周边干旱区气候变化特征与GLDAS适用性分析

青藏高原及其周边干旱区的水循环过程对全球变化的响应十分敏感.基于观测资料驱动的全球陆面数据同化系统(GLADS)能为区域尺度水循环变化研究提供更全面的数据.利用GLADS数据,首先对青藏高原及其周边干旱区进行气候区划分,分析了各气候区内气温和降水的时空分布和变化特征;然后检验了GLDAS数据在青藏高原地区的适用性;最后探讨了模拟期间地表水循环关键要素的时空变化特征及区域水资源分配格局.结果表明,各气候区在2000-2007年比1979-1994年平均气温上升了0.65～0.97℃,增幅明显提高.不同区域降水量变化各异,干旱区和半干旱区2000-2007年比1979-1994年平均年降水量分别升高了14 mm和25 mm.1979-1994年间GLDAS气温、降水数据在青藏高原及其周边地区适用性较高;极端干旱区气温数据与中国地面气温格点数据之间的均方根误差仅为0.41℃;在各气候区GLDAS数据与APHRODITE平均降水差值均小于0.18 mm·d-1,但2000-2007年数据质量有待提高.研究时段内研究区域水循环处于动态平衡状态.2000年以来青藏高原及其周边干旱区径流量、蒸发量呈增长趋势的区域明显扩大,且幅度大幅上升,但变化量级存在不确定性.新疆大部分地区水循环变化特征表现为暖干向暖湿转变.青藏高原及其周边干旱区自2000年以来水循环有所加强,降水仍主要用于蒸发,多年平均径流系数大多小于0.2.     

退耕前后吴起地区土地利用变化对温度的影响

利用TM遥感影像解译土地利用状况、植被覆盖度,研究退耕还林前后的土地利用、植被覆盖度的变化,揭示陕西省吴起县退耕还林生态建设工程所取得的实效;利用吴起与周边6个气象站37年的气温和地温资料,分析吴起土地覆盖变化后对温度的影响。结果表明,随着退耕还林工程的实施,吴起县域版图在遥感影像逐渐显现、越来越清晰,植被覆盖增加极为显著,高覆盖植被面积在逐年增加,低覆盖植被面积在逐年减少,植被恢复情况明显好于周围区域。与1 997年相比,到2007年吴起县有75.15%耕地不再耕种,退出的耕地主要变为草地、林地和果园;林草覆盖率增加显著,由1997年的37.06%提高到2007年的80.60%。植被覆盖变化后,对地温和气温均产生了影响,变暖趋势得到下降,对夏季的影响大于冬季,夜间的影响大于白天。     

气候变化对黄河流域水资源影响研究进展

20世纪90年代以来,黄河流域天然径流量大幅减少,水资源供需矛盾已经成为制约流域社会经济可持续发展的重大问题.本文概述了国内外气候变化对流域水文水资源影响的研究进展;论述了气候变化对黄河流域水文水资源影响研究的方法、结果和最新进展及黄河流域气候变化对水资源影响研究的问题.建议今后加强基础数据和资料的分析研究,建立适合黄河流域的多情景综合气候评价模型;提高黄河流域极端气象水文事件预测能力,为流域水资源管理和综合规划服务.     

土地利用变化对长江流域气候及水文过程影响的敏感性研究

使用区域气候模式(RegCM3)和大尺度汇流模型(LRM), 研究土地利用/植被覆盖变化对长江流域气候及水文过程的影响。RegCM3嵌套于欧洲数值预报中心 (ECMWF) 再分析资料ERA40, 分别进行了中国区域在实际植被和理想植被分布情况下两个各15年 (1987～2001年) 时间长度的积分试验。随后, RegCM3 两个试验的输出径流结果分别用来驱动LRM, 研究土地利用/植被覆盖变化对长江流域河川径流的影响。研究结果指出, 中国当代土地利用变化对长江流域降水、蒸散发、径流深及河川径流等水文气候要素的改变较大, 对气温的改变并不明显。土地利用变化引起长江干流河川径流量在夏季(6～8月)有所增加, 并且越向下游增加幅度越大, 其中大通站径流量增加接近15%。总体而言, 土地利用改变加剧了长江流域夏季水循环过程, 使得夏季长江中下游地区降水增多, 径流增大。     

黄河流域城镇化对地下水的影响分析

黄河流域是我国重要的生态屏障,也是我国粮食作物的主要产区。近年来,随着城镇化的发展,当地水资源分配出现了显著变化。因此,厘清黄河流域城镇化作用下水循环的改变对制定黄河流域城镇化政策具有重要意义。本文利用资源环境科学与数据中心的黄河流域下垫面数据、世界人口数据集的人口密度和Gravity Recovery and Climate Experiment (Grace)的Center for Space Research (CSR)陆地总水储量格点数据,开展了黄河流域城镇化过程中地下水的变化特征分析工作。结果表明：黄河流域城镇化程度具有显著的空间差异,下游存在明显的城镇化加剧现象;全域人口密度整体呈上升趋势,其中下游的人口增长趋势最大;黄河流域的地下水呈下降趋势,以下游的地下水下降最为显著。通过对比黄河流域新增城镇、不变城镇和消失城镇的地下水变化差异,发现地下水下降幅度最小出现在消失城镇,新增城镇的地下水下降幅度小于不变城镇的区域。因此,黄河流域城镇化对地下水的减少具有显著的作用,新增城镇地下水并没有出现显著下降的结果也说明近年来城镇化后的地下水保护政策取得的效果良好。     

大规模城镇化对黄淮海地区气候及水资源影响的数值试验

黄淮海地区是我国传统的农耕区,也是经济快速发展、城镇化进程快速推进的区域之一,使得该地区植被覆盖发生了明显变化。为研究城镇化对气候与水资源的影响,应用RegCM3区域气候模式,通过控制试验和敏感性试验,在保证积分时间（2001-2005年）的情况下,输出降水、蒸发、温度、湿度、土壤水分、径流、整层水汽含量等资料,利用敏感性试验和控制试验输出量的差值,来分析黄淮海地区城镇化对气候和水资源要素的影响情况。结果表明,城镇化对研究地区气候及水资源造成的影响主要表现在使局地风场减弱、降水减少、地面气温增加、空气湿度减小、水资源总量减少、土壤含水量减少和地表径流增加等方面,从而对气候和水资源造成影响。     

气候变化背景下黄河流域植被变化及其成因北大核心CSCD

研究黄河流域植被的时空变化及其影响因素,对生态文明建设政策的制定具有重要意义。基于2001~2020年MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)植被指数(Normalized Different Vegetation Index,NDVI)数据集及同期气象数据,运用均值法、一元线性回归、偏相关性分析和回归残差法等方法研究了近20年黄河流域植被时空变化及驱动因素。结果表明:黄河流域NDVI整体呈上升趋势并具有较大的空间异质性,其中黄河中游NDVI增长幅度最大,为0.0496(10 a)^(-1)。生长季受降水和沿黄灌区耕作的影响,西部地区、东南部区域和宁夏平原、河套平原植被指数明显较高;从整个流域来看,降水和温度变化对NDVI的贡献分别为32.6%和15.9%,其中降水对NDVI变化的贡献主要体现在黄河上游(50.7%),而温度的贡献则在黄河下游表现最突出(32.3%);20年来,人类活动和气候变化分别对黄河流域植被变化贡献了78%和22%,其中人类活动贡献率超过80%的区域主要集中在黄土高原中部区域;整个黄河流域NDVI与干旱程度有显著的正相关性,尤其在陇中黄土高原和河东沙区等区域。黄河上游NDVI与改进的帕默尔干旱指数scPDSI的相关性最高,而下游相对较低。     

1980—2018年黄河上游气候变化及其对生态植被和径流量的影响

黄河上游是黄河流域最重要的水源涵养地和产流区,对黄河流域的水资源安全、生态环境和粮食安全有决定性的意义。近年来在西北地区气候暖湿化的背景下,黄河上游气候生态水文等问题受到了各方的高度关注。本文利用卫星遥感数据、格点融合数据和水文监测数据,分析了黄河上游气候的多尺度变化特征及其对植被和径流量的影响。结果表明：1）1980-2018年黄河上游暖湿化趋势呈现全区域较一致的气候特征,温度增加率为0.023℃/a,降水增加率为1.09 mm/a,但同时又存在明显的区域差异性,湟水流域至甘肃中部降水增加最显著,宁蒙荒漠地带增温趋势最明显,2000年以来整个黄河上游降水明显增加。2000年后汇流区与流径区的蒸散发明显增加,但源头区南部波动减少。2）当前的暖湿化有利于黄河上游植被生长,1999年以来汇流区和源头区部分区域的植被增加率达到0.04/（10 a）;从长期趋势看,源头区、汇流区植被指数与上年降水呈显著正相关关系,而流径区植被指数与当年降水相关性显著;降水对黄河上游流域植被具有明显的改善作用,而温度对其影响较复杂,各区域不同的植被类型是导致降水、温度、蒸散影响存在差异的可能原因。3）1980-2018年唐乃亥站和兰州站的年径流量均呈减少趋势,但1998年以来两站的年径流量明显增加,兰州站年径流量的增加率是唐乃亥站的近3倍。长期趋势表明,唐乃亥站年径流量与当年降水呈显著正相关关系,兰州站年径流量与当年降水、蒸散的相关系数均明显低于唐乃亥站;从年际波动看,降水是决定年径流量的最主要影响因子,而生态植被、冻土退化、水储量变化及社会活动等因素对径流量的影响也不容忽视。该研究为科学应对黄河上游生态保护及实现黄河流域高质量发展提供了参考依据。     

中国当代土地利用变化对黄河流域径流影响

使用区域气候模式(RegCM3)和大尺度汇流模型(LRM),研究中国地区土地利用/植被覆盖变化对黄河流域降雨径流过程的影响。RegCM3嵌套于欧洲数值预报中心(ECMWF)再分析资料ERA40,分别进行了中国区域在实际植被和理想植被分布情况下两个各15年(1987～2001年)时间长度的积分试验。随后,RegCM3 两个试验的输出径流结果分别用来驱动LRM。与观测资料的对比分析表明,在实际土地利用状况下,LRM能较好地模拟黄河河川径流的季节和年际变化。研究结果指出,当代土地利用引起了冬季黄河上游部分地区降水减少,中下游地区降水增加;引起夏季整个黄河流域降水的减少。总体来说,当代土地利用变化引起黄河流域年平均降水的减少。对于水文站河川径流量,除了冬春季略有增加外,其他月份河川径流均会减少,并且在9月减少最多。土地利用引起的植被退化造成黄河径流的大幅度减少,并且越向下游减少幅度越大,这可能是引起黄河下游断流的重要原因之一。     

河西内陆河流域的水循环特征

本文主要从分析我国西北内陆水循环主要环节出发。揭示河西内陆河流域水循环在山区形成水资源、在平原散失水资源和在人工绿洲产生水循环二元结构、以及水量相互转化和联系的特征；对山区消耗水量，走廊盆地人工绿洲建设引起的地表水与地下水转化的变化及其消耗水量的增加。以及下游水分亏缺等问题作了评价；还对山区与平原绿洲及其之间的局地水循环，西部开发实施黑河和塔里木河综合治理中实现良性循环和传递流域水循环整体概念等问题进行了讨论。     

西北干旱区水循环与水资源问题

从现实条件和可持续发展的角度初步归纳了全国水资源短缺的空间格局,评述了西北干旱区水资源的现状和趋势,简要分析了西北干旱区水循环和水资源利用的特点和规律,概括了西北干旱区水循环和水资源高效利用研究的进展和动态,初步探讨了西北干旱区水资源高效率利用的科学对策。最后,提出了西北干旱区水循环和水资源高效利用研究方面的某些重要科学问题。     

西藏藏北高原典型植被生长对气候要素变化的响应

选取西藏藏北高原西部高寒草原植被、中部高寒草甸植被及东南部高寒灌丛草甸植被 3 种藏北地区最典型的植被类型, 结合临近 3 个气象观测站的资料, 分析这 3 种典型植被类型地区 1999—2001 年旬平均气温、旬总降水量和 SPOT VEGETATION 卫星 10 d 最大值合成归一化植被指数 (NDVI) 变化特征以及 3 种典型植被基于 SPOT VEGETATION NDVI 的生长变化对旬平均气温和旬总降水量两个主要气候要素变化的响应关系。 结果表明: 藏北地区降水资源的空间分布特点是东南部向西北部逐渐减少, 气温则由南向北逐渐递减, 与降水资源分布相反, 蒸发量西部高, 东部低; SPOT VEGETATION NDVI 能够较为准确地反映 3 种典型植被生长变化特征, 所反映的植被返青期和枯黄期等重要植被生长阶段与由积温计算的植被生长特征基本一致; 藏北地区基于 SPOT VEGETATION NDVI 的植被生长变化与气温的相关系数明显高于与降水的相关系数 , 其中以那曲为代表的高寒草甸植被的 NDVI 与旬气温和旬降水总量的相关系数最大, 分别为 0.81 和 0.68 , 表明藏北地区由于海拔高, 气候寒冷, 气温对该地区植被生长的影响明显高于降水的影响, 即该地区植被生长变化对气温的响应程度明显高于对降水的响应程度 , 是植被生长的限制性因素; 不同植被类型对气温和降水两个要素的响应程度大小依次是高寒草甸、高寒灌丛草甸和高寒草原。     

中国区域陆地水资源数值模拟分析

利用NCAR公用陆面模式CLM3(Community Land Model 3)模拟1979-2003年的土壤蒸发量和植被蒸腾量,分析了中国区域水资源(降水减去地面蒸发和植被蒸散)的气候特征及变化特征.全国水资源分布从东到西、从南到北依次递减,这与全国多年降水分布一致,其中长江以南地区是水资源丰富区,西北地区尤其是新疆地区是水资源匮乏区.从水资源线性变化趋势来看,长江以北大部分地区水资源呈减少趋势,特别是四川盆地和东北地区,变干趋势显著,水资源减少速率为10～15mm/10a;长江以南地区年水资源增加,增加中心在两广地区,水资源增加速率达20～30mm/10a.     

黄河流域夏季旱涝变化及气候物理因素的影响

利用1951—2008年NCAR/NCEP再分析资料及中国气象局整编的160站降水资料,探讨了黄河流域夏季降水气候分布范围,在此基础上研究了黄河流域夏季降水旱涝的年代际变化特点。结果表明：20世纪90年代以前,黄河流域夏季旱涝变化为9—11 a和2—3 a周期,20世纪90年代后周期变化不明显。对导致黄河流域夏季旱涝的气候物理因素分析表明,东亚高度场负距平异常直接造成中国黄河流域的夏季偏旱,而亚洲高度距平场东高西低的配置造成中国黄河流域偏涝;夏季南亚季风、东亚季风在中国黄河流域的辐合是流域降水偏多的关键。在同期OLR距平场,涝年黄河流域处在大的负距平中,对流强盛有利于水汽的辐合。影响大气的主要下垫面要素海温场,赤道东太平洋海温指数与夏季中国黄河流域降水同期呈负相关关系。中国黄河流域旱年赤道东太平洋海温多为正位相,对应中国黄河流域涝年赤道东太平洋海温多为负位相。提出了一个寻找旱涝成因方法并为预测旱涝变化提供参考。     

黄河流域夏季旱涝变化及气候物理因素的影响

利用1951-2008年NCAR/NCEP再分析资料及中国气象局整编的160站降水资料,探讨了黄河流域夏季降水气候分布范围,在此基础上研究了黄河流域夏季降水旱涝的年代际变化特点。结果表明：20世纪90年代以前,黄河流域夏季旱涝变化为9-11 a和2-3 a周期,20世纪90年代后周期变化不明显。对导致黄河流域夏季旱涝的气候物理因素分析表明,东亚高度场负距平异常直接造成中国黄河流域的夏季偏旱,而亚洲高度距平场东高西低的配置造成黄河流域偏涝;夏季南亚季风、东亚季风在黄河流域的辐合是流域降水偏多的关键。在同期OLR距平场,涝年黄河流域处在大的负距平中,对流强盛有利于水汽的辐合。影响大气的主要下垫面要素海温场,赤道东太平洋海温指数与夏季黄河流域降水同期呈负相关关系。流域旱年赤道东太平洋海温多为正位相,对应流域涝年赤道东太平洋海温多为负位相。本研究提出了一个寻找旱涝成因方法并为预测旱涝提供了科学参考。     

黄河流域80年代的干旱及其对农业生产的影响

黄河流域,在历史上是中华民族的摇蓝,现在是我国的主要工农业生产基地。区内人口密集,城市众多,人均、亩均水资源量只及全国的五分之一左右,水资源供需矛盾相当尖锐。80年代由于社会经济的迅猛发展,降水减少,水资源问题更加突出。特别是黄河中下游地区,水资源短缺己成为制约这里经济发展的主要因素。因此,在研究黄河流域80年代干旱及其影响时,重点将放在黄河中下游地区。     

1961—2010年黄河流域蒸发皿蒸发量变化及影响因子分析

利用黄河流域内61个气象站逐月观测资料,使用Mann-Kendall非参数检验方法对1961—2010年黄河流域小型蒸发皿蒸发量变化趋势进行了分析,并用SVD和多元回归方法检测影响蒸发量变化的因子。结果表明,黄河流域年蒸发皿蒸发量在1961—2010年显著下降,四季中夏季的下降趋势最显著,年和春、夏季蒸发量均在1979年发生突变。上、中、下游的年蒸发量变化率分别为-2.38 mm/a、-2.35 mm/a、-8.35 mm/a,下游下降幅度较大。空间变化分布上,年和春、夏季蒸发皿蒸发量均在黄河流域河源地区、河套地区西部及北部、河南北部有显著下降趋势,在河套地区东部呈显著上升趋势。利用SVD分析发现蒸发量的空间变化与不同因子作用有着显著关联,通过对不同区域内各影响因子的多元回归分析发现流域内蒸发量上升的地区主要是由气温上升所引起,而下降的地区则与风速减小有关。