鄱阳湖流域过去1000 a径流模拟以及对气候变化响应研究

为研究过去千年尺度径流变化及其对气候变化的响应,以长江中游鄱阳湖流域为研究区,运用气候模式CCSM4和ECHAM5模拟过去1000 a气候数据,空间降尺度后驱动水文模型模拟了鄱阳湖流域过去近千年流域径流序列.利用快速傅里叶变换、小波分析等手段,分析流域极端径流变化特征、周期和该流域旱涝事件发生频率.结果表明:2种气候模式均能反映出中世纪暖期及小冰期阶段的干湿交替变化,且小冰期内中干旱状态维持时间较长;径流的丰枯变化与降水量变化具有较好的对应关系.CCSM4和ECHAM5模式下发生旱涝灾害与极大极小降水事件发生频率基本相同,径流丰枯变化与降水变化周期相近,均具有30 a左右的主周期,10~15、7 a左右的子周期.小波系数模平方图中30 a左右显著的能量信号揭示了该周期与北太平洋气候的主要环流机制的太平洋年代际振荡周期相近,因此,大气环流涛动是造成气候-水文变化的主要原因.研究结果拓展了基于近代60 a观测记录的流域水文变化的认识,探讨了千年时间长度下流域干湿变化特征和水文对气候响应的动力机制,有助于全面系统认识长江中游在全球气候暖化背景下旱涝极端水文事件的发生机制与变化规律.     

变化环境下珠江流域洪水频率变化特征、成因及影响(1951-2010年)

气候变化和人类活动导致珠江流域水文变化,变化前后洪水频率分布显著不同.运用滑动秩和(Mann-Whitney U test)结合Brown-Forsythe、滑动T、有序聚类和Mann-Kendall检验法,并用累积距平曲线法获取年最大流量序列详细信息,综合确定样本最佳变化节点,并对水文变化成因做了系统分析.在此基础上,对整体序列、变化前后序列用线性矩法推求广义极值分布参数以及不同重现期设计流量.结果表明:(1)西江大部以及北江流域最佳变化节点在1991年左右;东江流域最佳变化节点与该流域内3大控制性水库建成时间基本吻合;(2)变化后,西江、北江年最大流量持续增加,洪峰强度增大,尤其是西江干流年最大流量显著增加;东江流域年最大流量显著减小,洪峰强度降低;(3)变化后,西江与北江洪水风险增加,尤其是下游珠三角地区本身受人类活动显著影响,加之西江与北江持续增加的洪水强度,珠三角地区发生洪水的强度及频次加剧,而东江洪水风险减小.此研究对于珠江流域在变化环境下的洪水风险评估与防洪抗灾具有重要意义.     

半干旱地区洪水模拟效果差异性分析及影响因子响应评估

中国北方半干旱地区的降水与下垫面条件具有明显的时空异质性,如何完整准确地描述该类区域的水文过程是当代水文学研究的难点之一.选择半干旱地区水文实验区域——绥德流域和曹坪流域,通过构建不同时空规律的降水场,并结合3种不同产流机制的水文模型,进行大型数值模拟实验,去探究时间、空间、产流机制等因素对半干旱地区洪水模拟的影响,为该类地区水文模型的研制工作提供借鉴.结果 表明:1)半干旱地区中小流域的产流对降雨强度较为敏感,因此降水输入的时间步长对洪水模拟效果的影响程度较大;相比之下,流域雨量站数量的增减,仅体现在降雨分布场的暴雨中心缺失以及面平均降雨量的微小差别,对洪水模拟效果的影响程度较小.2)水文模型能否准确描述主导水文过程是半干旱地区洪水模拟效果优良的关键,流域的尺度效应及其下垫面条件的空间异质性是半干旱地区不同水文模型研制和调整应当优先考虑的问题,无论时间步长、雨量站数量怎么组合,产流结构适宜的模型其模拟效果总是趋于较好的结果.     

太湖1889洪水年的流域水文模拟

由于受到水文观测资料时间短的限制,目前难以认识百年遇机率的极端洪水.为此,本文根据19世纪末历史文献的洪水灾害记录,利用流域水文模型,对太湖1889洪水年的流域产流、入湖汇流等水文特征和过程进行模拟.本研究设计了三套模拟实验:首先在现代气候控制实验基础上对1988-2002年时间系列和特大洪水年进行水文模拟和模型率定校验;其次,采用长江下游19世纪末的气候观测资料驱动,对极端年份1889年逐日洪水过程模拟;最后,为减少1 a洪水年模拟的不确定性,还采用蒙特卡罗Bootstrap法模拟了15 a的流域气候场,在5475 d样本下进行特征年份的水文模拟.模拟结果表明,1889年洪水期间产流在当年6月底达到最大,1%频率的径流深达8.6 mm/d,95%CI的误差在-2.94～3.26 mm/d之间.汇入太湖径流同期达到最大,1%频率的洪水流量达到1286.9 m3/s,95%CI的误差在-128.3～165.7 m3/s之间.根据洪水Log-Normal概率分布,计算1889洪水年的重现期为149 a.经Bootstrap法对误差置信区的模拟,95%CI检验在70～175 a间的重现期可信.该研究为延长20世纪洪水序列、拓展对百年时间尺度的特大洪水的认识提供了动力学模拟方面的科学依据.     

气候变暖下太湖极端洪水的归因探讨

全球增温引起的降水变化是否引起极端洪水的增加,发生在不同气候背景的极端洪水事件可提供不同参照系;而不同驱动因子下气候、水文数值模拟为认识洪水发生和归因提供了有效途径.本文结合机理数值模拟和随机统计模拟两种途径,针对1990s和1880s的太湖流域特大洪水,通过GCM气候模拟驱动的流域水文模拟和不确定性的阈值模拟,分析19世纪末和20世纪末极端洪水的发生强度和频率的变化,从而论证极端洪水发生的风险系数.结果表明,1990s的极端洪水流量(0.1%的极端洪水流量(Q0.1%)为2929~3601 m³/s,0.5%的极端洪水流量(Q0.5%)为1842~1893 m³/s)比工业革命前大气温室气体状况下(Q0.1%为2069~3119 m³/s,Q0.5%为1436~1561 m³/s)显著增大.与19世纪末相比,由于太湖流域人类活动改变的流域下垫面在1999年特大洪水中引起最大增量占35%,本文模拟和分析的20世纪末气候下的洪水最大增量占60%.去除人类活动影响的下垫面变化,估计特大洪水风险的最大增量为25%,因此认为20世纪末气候变化引起的太湖极端洪水风险在增加;这将为认识与全球增温相关联的洪水灾害预测预警提供科学依据.     

长江中下游典型湖泊营养盐历史变化模拟

湖泊营养盐变化在自然条件下受到气候水文因素控制,同时受到湖泊生态系统生物群落作用和反馈.作为动力机制探讨,本文试图基于水文和生态动力学方法,分别构建气候-流域水文作用于湖泊营养盐的外源模式和湖泊生物群落作用于湖泊营养盐的內源模式.针对长江中下游典型湖泊,经过控制实验和率定,发现营养盐模拟与观测数据在时间序列上达到90%百分位的正相关,因此用来模拟1640 1840 A.D.期间的营养盐演变历史.研究表明:(1)模拟的湖泊营养盐变化与沉积钻孔揭示的历史营养盐变化基本一致,沉积记录与模式模拟的7个湖泊的营养盐变化均显著相关;(2)气候因素是湖泊营养盐历史演变的主控因子,来自于湖泊生物群落的反馈作用贡献约占40%;(3)在温度和降水因子的驱动下,湖泊营养盐历史变化主要受降水控制,在极端干旱时期,60%的营养盐变化同步响应于降水变化.同时,面积在400 km2以下的湖泊营养盐对气候变化的响应比2000 km2以上的大湖更为敏感.研究结果对长江中下游湖泊营养状态的长期变化机理认识和趋势控制提供科学依据.     

全球变暖导致洪水风险增加——长江洪水前景分析

近期在很多地方洪水越来越频繁且破坏性更大.20世纪90年代以来全球大洪水造成社会经济财产巨大损失,30次大洪水每次总损失额均超过10×10⁸美元.1990-1998年的9a时间的大洪水爆发的次数比1950-1985年期间Ma大洪水次数还要多.近年来中国大陆也遭受了若干重大洪水灾害(包括1996和1998年两次大的财产损失).与气候变率和变化相关的洪水灾害和易爆发程度的显著增加,这是当前最紧迫的问题.随着气温升高大气中持水量也增加,因此大规模强度的降水的可能性也增大.己观测到高而集中的大降水事件而且这种趋势在未来气候变暖条件下可能增加,大降水事件的增加是洪灾增加的必然条件.当然也有一些其它的非气象因素加剧洪灾的发生,比如土地利用变化(森林砍伐、城市化)导致土壤持水能力下降,径流系数增加;此外,人类占据了洪泛区,可能导致洪水损失增大.另外物质财富在洪泛区的积聚也导致了洪灾损失增加.毫无疑问,由于人类活动和气候的共同作用,未来洪水风险在很多地方可能增加.洪水易爆发程度被认为是暴露系数和调节能力的函数,而且在许多地方所有这些变量都可能增加.而随着暴露系数比人类调节能力增加快,因此洪水易爆发程度增大.然而,要完全从径流变化中区分气候因素导致的强烈自然变率还是直接的人为环境变化是很困难的.由于使用不同的假定情景和不同的气候模型,得到的未来环境的预测结果差异也很大.IPCC第三次评估报告中广泛讨论了气候变化与洪水之间的关系.IPCC第三次评估报告警告说,在东亚季风区非常湿润的季风季节出现的可能性非常大,进而会导致相应地区洪水风险增加.本文总结了迄今为此可收集到的有关长江洪水的资料.利用一些案例来分析研究未来假定情景下气候对水文的影响,并对东亚地区的模拟结果进行了讨论.     

云南洱海桃溪河口净化工程的设计思路及初步净化效果

以太湖上游西苕溪流域为研究对象,通过分布式水文模型HEC-HMS模拟次降雨洪水过程:采用可视化数据存储系统HEC-DSS建立水文气象数据库,利用Geodatabase地理数据库技术集成流域自然属性数据库,通过距离平方倒数法对雨量数据进行空间插值,SCS曲线数法计算水文损失,运动波法计算直接径流与河道洪水演进,选用基流指数退水法模拟流域基流,并对模型中水库模拟部分进行适当修正.经模型校验,模拟结果表明,计算流量与观测流量拟合较好,效率系数大于0.8,洪峰流量误差低于4%,峰现时间误差低于2 h,该模型在土地利用变化对洪水水文要素的影响研究方面有较好的应用前景.     

大尺度水文模型TOPX构建及其与区域环境系统集成模式RIEMS的耦合

基于改进型SIMTOP参数化径流方案和新安江模型的三层土壤水量平衡计算方法,本文构建了一个输入数据和率定参数较少、同时具有地形指数尺度转换机制、较好描述二维水文过程的简单高效的大尺度水文模型TOPX,并将其与区域环境系统集成模式RIEMS紧密耦合,以增强区域气候模式对大尺度流域径流量的定量数值模拟能力．TOPX模型在酉水河流域和泾河流域的离线测试表明：该模型对小尺度流域的径流量模拟精度较高,能够较好地描述流域水文变化过程;同时,该模型在大尺度上具有较强的分布式模拟能力,能够捕捉陆面水文过程的主要特征和时空演变特点．TOPX与RIEMS的耦合模式在泾河流域进行了在线测试,借助TOPX模型中的地形指数降尺度转换和水文过程产汇流机制,耦合模式实现了利用区域气候模式模拟的气象资料来驱动水文模型进行大尺度流域日径流量的模拟．进一步分析还表明：区域气候模式RIEMS模拟的降水时空分布数据的精度是影响耦合模式对径流量模拟效果的关键因素．     

基于Copula函数的鄱阳湖流域极值流量遭遇频率及灾害风险

在以气温上升为主要特征的全球气候变化导致区域水循环加剧、极端气候水文事件频发的背景下,对极端水文事件,特别是水文极值遭遇频率的科学认识,对区域防洪抗旱具有重要意义.基于此,本文引入当前多变量分析中较常用的Copula函数.分析鄱阳湖流域主要支流赣江与抚河、乐安河与昌江的洪水、枯水流量联合概率特征,并对引起该流域水文极值...     

GlobeLand30地表数据对北京气候中心气候模式的影响

地表覆盖是陆面及气候模式中的重要基础变量,其数据质量对气候模式性能有显著影响.本文基于一套中国自主研制的全球30m地表覆盖数据(GlobeLand30),利用北京气候中心气候系统模式(Beijing Climate CenterClimateSystemModel,BCC_CSM)中的陆面过程和大气环流分量模式,开展GlobeLand30数据对气候模式性能影响的研究.首先通过GlobeLand30和其他卫星遥感等辅助数据融合细化植被功能型(Plant FunctionType,PFT)类型数据满足BCC_CSM模式需求,然后利用基于面积比例的升尺度方法得到适合于全球模式的不同覆盖类型及其面积百分比数据.GlobeLand30与模式原有覆盖数据都能合理描述全球地表覆盖基本分布特征,但也存在一定差异,其中植被PFT类型的差别最明显.通过数值模拟试验全面评估GlobeLand30数据对模式结果的影响,结果表明在BCC_CSM的陆面模式和大气模式中采用GlobeLand30数据可以合理再现陆面与大气的基本气候特征;更新植被PFT数据的气候效应大于更新冰川和水体类型,综合更新所有覆盖类型数据对模拟结果的影响最大.引入GlobeLand30数据可降低BCC_CSM大气模式对北半球中高纬地区降水的正偏差和南美亚马逊等地区模拟降水的负偏差,以及南半球部分地区大气温度模拟的负偏差,因此GlobeLand30数据适用于BCC_CSM分量模式并对改善模式性能有正贡献.     

长江流域夏季降水与气温百年尺度变化及近期趋势

在最近的30a里,中国长江流域夏季洪水频繁,直接影响该流域经济发展和生态环境在致力于解决洪水灾害和努力减轻其影响的同时,我们常面临如下三个问题:洪水频繁发生的原因,将来几十年的洪水频率将如何变化,还会这样频繁吗?本文将从局部气候的自然变化规律中来试图回答这三个问题.文中报告主要结果指出:长江流域夏季降水具有一个明显的自然尺度的变化,且该变化最近由一个偏干的气候态(从1910年到(30年代末期)转化为一个偏湿的气候态(自60年代末以来).伴随着这种变化,长江流域夏季降水表现出增加趋势(平均增加率为30mm/10a),夏季地表水蒸发呈现出减少趋势(平均减少率为10mm/10a),以及这两种作用共同造成的地表水增加和洪水频繁.由于目前偏湿的气候态将持续,预计在今后10-20a里这些变化以及相联系的频繁洪水的趋势将在长江流域持续.     

鄱阳湖汇流顶托对长江汉口水位影响的量化分析

为定量评估汇流顶托对水位变化的影响,本文从水文过程仿真及顶托响应评价入手,提出了一种汇流顶托对水位影响的量化分析方法,并以长江汉口江段为例,开展了鄱阳湖汇流顶托对长江汉口江段水位影响的量化评价,结果表明:改进提出的长江汉口江段水文仿真模型,经参数优选后确定性系数可达0.98以上,总量相对误差绝对值在3%以内,较好地再现了水文变化过程;通过响应指数定义及水文过程模拟,研制了汉口多值型水位流量关系响应特征曲线,揭示了鄱阳湖与长江水位变化的关联性机制;经2016和2020年洪水实例分析,汉口江段长历时高洪水位主要受长江来水及鄱阳湖汇流顶托共同驱动,二者合力贡献可达83.3%以上,其中鄱阳湖汇流顶托贡献率在35%左右.其余因素(如区间洪水、沿江排涝等)亦助推高洪水位形成,部分时段贡献可达近34.4%.本文提出的顶托量化分析方法,可定量评估因顶托效应引起的水位变化,为解析河段高洪水位成因机制提供了有效的技术支撑.     

基于连续方程的河道水流双变量耦合演算模型

针对现有的河道水流洪水演算模型只能模拟单一变量(流量或水位)的问题,以水流连续方程和河段蓄水量的两种不同表达形式(蓄水量等于平均过水断面面积与河段长乘积,蓄水量等于河段平均流量与传播时间的乘积)为基础,对马斯京根模型进行了通用性改进,提出了双变量耦合通用演算模型.选取了四大水系(包括内陆河流和入海河流)的16个河段汛期洪水资料进行模型检验,模型验证考虑了地理范围、不同的河段特征和水力特征、洪水量级等因素,全面地检验了模型结构的合理性和模拟实际洪水的有效性.将双变量耦合通用演算模型与传统的马斯京根法进行了效果比较,结果表明双变量耦合通用演算模型的模拟精度高于马斯京根法,模拟效果比马斯京根法稳定一些,而且具有较好的通用性.     

湖泊湿地水文过程研究进展

湖泊湿地是世界上最重要的生态系统之一,在调蓄洪水、净化环境、保护生物多样性以及为人类提供淡水和食物等方面发挥着不可替代的作用.然而,受气候变化和人类活动叠加影响,湖泊湿地水文过程发生了剧烈变化,湖泊湿地面临着面积萎缩、质量下降和服务功能退化等风险.本文总结了原位观测、数值模拟和遥感技术在获取湖泊湿地关键水文要素方面的优...     

水文非线性系统与分布式时变增益模型

论述了以Volterra泛函级数表达的流域降雨-径流非线性系统理论与概念性模拟方法. 依据流域数值高程模型、遥感信息和单元水文过程, 提出了水文非线性系统理论的时变增益模型(TVGM)和推广应用到流域时空变化模拟的分布式时变增益模型(DTVGM). 研究表明, 除了常用的非线性系统分析方法之外, 从复杂水文关系研究中另辟蹊径, 提出一种简单关系的非线性系统分析是完全有可能的. 时变增益水文模型的提出及其与一般性水文非线性系统的联系就是一个例证. 水文非线性系统方法与分布式流域水文模拟结合的DTVGM模型, 能够发挥水文系统方法与分布式水文模拟方法相结合的优点, 探索环境变化下的流域水文模拟问题. 将DTVGM分别应用到河西走廊干旱地区的黑河流域和华北地区潮白河流域实例研究, 模拟了水文时空变化以及陆面覆被变化与水文影响分析, 取得了较好的效果, 说明了其特色和应用价值.     

气候变化对黄土高原黑河流域水资源影响的评估与调控

气候变化将对水资源产生重要影响, 评估其潜在影响可为区域可持续发展提供重要的依据. 本研究的目标是评估2010~2039年气候变化对黄土高原黑河流域水资源的可能影响并进而探讨适应性对策. 基于4种全球环流模式(CCSR/NIES, CGCM2, CSIRO-Mk2和HadCM3)的各3种排放情景(A2, B2和GGa), 使用比例法预估了降水、最高和最低温度的未来变化; 使用SWAT (Soil and Water Assessment Tool)模型模拟气候变化的水文响应; 基于元胞自动机-马尔可夫模型(CA-Markov)建立未来土地利用情景. 结果表明, 与目前气候相比, 全球环流模式预测年均降水变化-2.3%~7.8%, 年均最高和最低温度分别增长0.7~2.2和1.2~2.8℃. 不考虑土地利用变化时, SWAT预测2010~2039年的年均径流变化-19.8%~37.0%, 土壤水分含量变化-5.5%~17.2%, 蒸散量普遍增长0.1%~5.9%. 尽管水文气象变量的变化复杂, 但增长的概率较大; 且水文过程将发生变化, 如冬季径流减少等. 考虑土地利用变化时, 较2000年土地利用, 建立的2015土地利用情景将分别增加土壤水分和径流4.0%和5.7%而减少蒸散0.6%. 这表明调整土地利用模式可以有效调控水资源, 可被用来减缓气候变化的不利影响.     

末次冰盛期中国气候要素定量重建

古气候定量化是古全球变化研究的核心目标之一.重建末次冰盛期时段((18±2)ka14C)气候变化特征,对理解冰期-间冰期地球气候演化规律具有重要的意义.以往古气候要素定量重建,主要基于现代气候条件下孢粉-气候的统计学方法,因难以有效区分过去气候季节性变化和大气CO2浓度降低对植物生长的影响,导致重建结果可能存在不确定性.本研究基于植物生理过程、新一代古气候定量重建的植被反演方法,考虑上述环境因子对植物生长的影响,利用新完善的中国第四纪孢粉数据库,重建了古气候的空间格局.结果表明,在末次冰盛期,大气CO2浓度降低对中国古气候要素重建结果影响不显著;全国年均温比现在低约(5.6±0.8)℃,最冷月温度和最热月温度分别降低约(11.0±1.6)℃和(2.6±0.9)℃,且中国南方降温幅度达到约(5.5±0.5)℃,接近平均值的水平,年均温变化主要归因于冬季温度的降低;全国年降水量比现在低约(46.3±17.8)mm,其中北方降水减少约(51.2±21.4)mm,年降水变化主要源于夏季降水的减少.与古气候模拟结果的对比揭示,虽然现有模式能较好模拟年均气候模态,但是在季节性变化上与重建结果还有较大的差距,指示未来在提高古气候重建精度的同时需进一步加强古气候模式的季节性气候模拟能力.     

利用HEC模型分析下垫面变化对洪水的影响——以伊河东湾流域为例

近些年,由于气候变化和人类活动的双重作用改变了流域下垫面的水文特性,探讨研究下垫面变化的水文响应过程具有重要的理论和现实意义.河南伊河洪水虽然量级不大,但发生几率较高,对水库运用和河道冲淤的影响较大.如果洪水变小,伊河下游的造床流量也相应减小,水库控制中常洪水的流量及所需的防洪库容可做相应调整,反之亦然.因此,为了科学...     

过去2000年重大火山喷发对全球和中国气候的影响

重大火山喷发(MVEs)越来越受到科学界的关注.已有很多工作研究了过去2000年MVEs对气候的影响,但古气候重建资料和气候模拟资料显示的全球和中国气候对MVEs的响应存在较大差异.本文汇总了观测、重建、模拟和同化数据,系统地总结了MVEs的史实、对气候的影响和机制以及未来的研究方向.主要结论是:过去2000年MVEs密集时期发生在公元530～700、1200～1460和1600～1840年.对温度影响上, MVEs会引起年际-年代际尺度全球和中国的显著降温,但模拟的年际尺度降温幅度明显大于重建结果.对降水影响上,热带MVEs会导致全球季风降水显著减少;在中国区域,长江流域的降水有所增加,但在华北、东北以及青藏高原南部区域,不同数据所反映的结果存在较大差异.频繁的强火山爆发、火山叠加太阳活动极小期、气候系统内部变率叠加火山的作用都可能引起北半球季风区和中国东部的年代际干旱事件.在机制上, MVEs既通过直接辐射效应影响气候,也通过调制气候系统内部变率来间接影响气候,如火山喷发会影响厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)和大西洋多年代际振荡(AMO)的变化.然而, MVEs调制ENSO和AMO等...