黄河中上游季节内强降水的时间非均匀性特征及其对大气环流的响应

应用1960-2008年5-10月黄河中上游流域66个气象台站降水资料和美国环境预测中心及大气研究中心（NCEP/NCAR）再分析资料,综合气候分区及地表水系分布情况,将黄河中上游流域分为高原区、干旱区、季风影响区,以强降水集中度（SCD）和强降水集中期（SCP）来表征强降水的非均匀性特征,并对SCP异常年份的强降水的变化特征及环流形式进行分析。结果表明：①黄河中上游流域大部分地区强降水依赖化的特征显著,强降水分布最为均匀的地区为秦岭北麓及山西南部,降水最为集中的地区为河套地区及陕北等地。②在黄河中上游流域,3个区强降水平均发生的时间先后顺序为季风影响区最晚、干旱区次之、高原区最早,且均相差一候;黄河流域季风影响区的南部渭河、泾河、洛河等处及青藏高原东部的兰州附近为大的SCP变率区,强降水发生的时间变动较大,鄂尔多斯高原东北部为小的SCP变率区,强降水发生时间稳定;干旱区与季风影响区汛期SCP于20世纪90年代初期发生由大变小的显著性突变,且干旱区突变提前于季风影响区。③干旱区汛期SCP异常年份的高空环流显示,当西太平洋副高北抬至30°N以北120°E左右、南亚高压维持在30°N左右120°E以东时,若两高压“同进同退”(“同向而进、背向而退”),则强降水发生在汛期(7月中旬-8月下旬)后(前)期。黄河流域季风影响区强降水异常年份的高空环流显示,当西太平洋副热带高压维持在26°-30°N、120°E左右,南亚高压维持在30°N左右、120°E以西时,若两高压“同进同退”(“同向而进、背向而退”),则强降水发生在汛期后(前)期。     

1998—2012年黄河流域植被覆盖变化时空分析

利用黄河流域1998—2012年SPOT-NDVI数据及同期119个气象站的降水数据,计算每个像元的NDVI变化趋势,并结合植被降水利用效率来分析近15年来黄河流域植被覆盖的时空变化特征。结果表明：（1） 多年平均的植被指数有明显的空间差异性,随着纬度的增加,NDVI平均值呈降低趋势;（2） 从时间序列来看,黄河流域的植被覆盖呈逐年增加趋势,其中黄河上游NDVI值增长最为缓慢,中游保持稳定增长,下游增长最快;（3） 近15年来黄河流域植被覆盖的改善区域面积大于退化区域,植被恢复明显。最后,结合NDVI变化趋势和植被降水利用效率对上述结果进行了验证。     

黄河流域NDVI时空变化及其与降水/径流关系

NDVI是表征区域植被覆盖的重要指标。本文把黄河流域划分为 16个区域 ,利用Pathfinder (探路者 )的AVHRR NDVI资料 ,得到各区域 1982～ 1998年NDVI统计序列 ,详细分析了各区域NDVI时空变化特征。研究表明 ,17年来黄河流域各分区年平均NDVI都呈增加趋势 ,说明植被覆盖增加 ,生态环境好转 ,但是 8月份龙羊峡以上和兰河干流区间NDVI则有所下降 ,生态环境有局部恶化趋势。最后研究各区域NDVI与降水、径流和径流系数的年内、年际相关关系 ,结果表明 :从年内变化看 ,黄河流域各区域NDVI变化与降水、径流变化呈明显的正相关 ;从年际变化看 ,黄河流域各区域NDVI波动趋势与降水具有一定的相关性 ,但与径流、径流系数变化的关系相对复杂 ,不具有明显的相关性     

台风“灿鸿”期间中国东部沿海城市降水中稳定同位素的变化及影响因素

为探讨极端天气降水中稳定同位素的变化,应用2015年9号台风“灿鸿”影响期间中国东部沿海城市台北、温岭、海宁、南通降水中稳定同位素资料,分析降水中稳定同位素的时空变化。结果表明：台风“灿鸿”影响期间,台北降水的δ18O平均值为-4.40‰,为最高值;温岭降水δ18O的平均值最低,为-9.80‰;海宁与南通降水的δ18O平均值居于两者之间,分别为-8.83‰和-7.88‰。4地降水δ18O均呈现出2个阶段的“厂”型变化特征。“灿鸿”降水δ18O值在时空分布上冲刷效应明显,采样站点距离台风中心越近降水δ18O值越低d值越高。台风灿鸿影响期间整个降水过程以湿润的热带海洋气团为主,台北阶段1降水受台风外围云系影响,降水的冲刷程度较轻,δ18O值偏高;台北阶段2降水与温岭降水受单一水汽团冲刷效应影响,降水δ18O不断降低;海宁和南通与灿鸿中心的距离基本相似,且水汽源相同,降水δ18O值波动比较接近。     

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。     

纵向岭谷区北回归线一带年降水区域分异特征

利用纵向岭谷区北回归线沿线及南北两侧的24 个站点1961-2007 时段月降水资料,基于全部站点的年降水主要特征统计,以及北回归线沿线的9 个站点的年降水变化的趋势性和阶段性检验、9 个站点间的年降水和5-10 月各月降水序列的相关性检验,分析研究区的年降水及变化分异特征。结果表明：研究区年降水主要特征及其年际变化,呈现出西部、中部、东部的空间分异,即三个区域各自内部自相似度高,而三个区域之间分异明显。北回归线沿线9 个站点的年降水序列都未表现出明显的“突变趋势性-阶段性”变化。研究区中部“岭-谷”相间的地形格局,对中部区域降水空间分异产生一定的影响,但相邻站点间多年际降水序列呈高度相关,意味着控制中部区域降水的决定性因素并不存在明显分异,间隔分布的“岭-谷”地形会带来局地性降水量的分异。     

基于虚拟地理环境的数字黄河研究进展

虚拟地理环境是人类社会环境和自然环境在计算机三维虚拟空间的映射,是近20年来随着信息技术进步而迅速发展起来的研究领域。“原型黄河”、“模型黄河”、“数字黄河”则是基于地理信息系统、三维可视化技术、现代遥感遥测技术和虚拟地理环境技术的发展而提出来的。通过概述“数字黄河”的研究意义、研究方法,探讨了“数字黄河”研究需要解决的关键技术问题,包括自然环境中“原型黄河”各有机组成部分在虚拟地理环境中的表达及行为描述,自然环境和人类社会环境对黄河具有重要影响的因子之间相互作用的计算机表达。以“数字河道模型”为例详细论述了“数字黄河”的重要组成部分,如“数字河道模型”、“数字流域模型”、“数字水库模型”和“数字河口模型”在虚拟地理环境的表达。     

黄河流域绿色发展效率时空演进

识别黄河流域绿色发展效率及其时空演进规律,有助于区域产业布局、环境规制与政策制定,进而实现黄河流域生态保护和高质量发展。针对黄河流域异质化发展,结合经济发展和环境治理的区域发展规律,构建多周期两阶段DEA模型（Multi-period two-stage DEA model）,通过测算绿色经济效率与绿色创新效率,实现黄河流域省市的绿色发展效率测度,同时借助ArcGIS10.6软件对黄河流域省域绿色发展的时空格局进行了动态演进并分析其发展路径。结果表明：黄河流域空间维度呈现上游较差、中游一般、下游最优的发展不均衡现状;时间维度呈现“W”型波动式上升趋势,但整体一般;存在省份绿色发展水平较高、黄河段城市却较差的发展不一致现象。针对黄河流域省市的各种发展情境,从省市协同治理、政府引导、产业结构、科技研发、税收政策等方面提出了建议。     

一本城市湿地研究的佳作

湿地因其具有无可比拟的生态、经济与社会等价值,被誉为“地球之肾”、“物种基因库”、“生命摇篮”。对于一座城市而言,特别是像北京这座兼具政治、经济与文化中心等多重功能的缺水型特大城市而言,准确把握其城市湿地的现状及其时空分布格局,科学评价其湿地所具有的多重价值,合理进行城市湿地的功能定位与分区,并提出合理化的对策与建议,对于城市湿地的保护、恢复以及区域生态平衡的维护都具有非常重要的作用。     

黄河流域不同时间尺度干旱对ENSO事件的响应

利用黄河流域1963-2012年逐月气温和降水量数据,计算了各气象站点不同时间尺度的标准化降水蒸散指数(SPEI),通过对不同时间尺度SPEI与Niño 3.4区海洋表面温度距平(SSTA)的时空相关性进行分析,揭示不同时间尺度干旱对ENSO事件的响应及ENSO事件对黄河流域不同区域降水量和气温的影响。结果表明:(1)黄河流域1、3、6个月时间尺度的干旱在各时间段均有发生,12、24个月时间尺度的干旱主要发生在20世纪末和21世纪初的近20年。黄河上游和中游地区不同时间尺度的SPEI与SSTA均呈负相关关系,下游地区呈正相关关系。(2)黄河流域不同时间尺度的SPEI与SSTA相关性在空间分布上具有显著的差异性。久治站以上的黄河上游地区、中游地区的宁夏、内蒙古、陕西和山西的北部以及下游地区均呈正相关关系,其余地区呈负相关关系。全流域1、3、6、12个月和24个月时间尺度的相关性系数通过0.05显著性检验的站点占总站点数分别为14%、43%、61%、75%和44%。(3)ENSO事件强度与降水量在黄河上游地区的相关性较弱,在中游和下游地区呈显著的负相关性,强度增大时降水量下降,减弱时降水量上升。全流域ENSO事件强度与气温呈显著的正相关性,强度增大时温度有上升趋势。其中El Niño对气温有抬高的趋势,La Niña对气温有降低的趋势。     

The heterogeneity of hydrometeorological changes during the period of 1961-2016 in the source region of the Yellow River,China

Runoff in the source region of a river makes up most of water resources in the whole basin in arid and semi-arid areas. It is very important for water resources management to timely master the latest dynamic changes of the runoff and quantitatively reveal its main driving factors. This paper aims to discover the variation heterogeneity of runoff and the impacts of climatic factors on this runoff in the source region of the Yellow River(SRYR) in China from 1961 to 2016. We divided SRYR into four sub-regions, and analyzed changes of their contributions to total runoff in SRYR. We also revealed the impacts of precipitation, temperature and potential evapotranspiration on runoff in each sub-region by constructing the regression relationships between them at multiple temporal scales. The changes of runoff in the four sub-regions and their contributions to the total runoff were not exactly consistent. The climatic variables’ changes also have heterogeneity, and runoff was mainly affected by precipitation compared to influences of temperature or potential evapotranspiration. Their impacts on runoff have spatiotemporal heterogeneity and can be reflected by very significant-linear regression equations.It provided a simple method to predict headwater runoff for better water management in the whole basin.     

降水不均匀性对黄河天然径流量的影响

降水不均匀对黄河流域天然径流量的影响十分显著。 1 983年和 1 985年都是黄河流域的降水偏丰年份 ,花园口以上年平均降水量分别为 5 0 1 mm和 5 0 2 mm,而这两年的花园口天然径流量分别为 76 5× 1 0 8m3和 6 3 8× 1 0 8m3。在降水总量十分相近的情况下 ,其地表径流却相差达 1 2 7× 1 0 8m3 。本文以 1 983和 1 985年为典型 ,分析了黄河流域降水不均匀性对天然径流量的影响 ,发现降水的空间不均匀对于产流的影响十分明显 ,而且分析的空间尺度应划分到几万平方公里以下 ;而对这两年而言 ,时间非均匀性对年径流量的影响并不显著。     

黄河流域节水高效农业建设的紧迫性及途径探讨

黄河流域由于水资源短缺,供需矛盾日益尖锐。本文在分析黄河流域水资源开发利用现状与建设高效节水农业紧迫性的基础上,对黄河流域建设节水高效农业的潜力进行了评价,并根据黄河流域上、中、下游水资源特点和农业生产现状对其节水高效农业的建设途径进行了探讨。建设高效节水的现代灌溉农业和现代旱地农业是黄河流域农业用水战略的必然选择。研究结果和结论对该区域维持21世纪农业可持续发展具有重要意义。     

黄河入海径流变化及影响因素

黄河入海径流是黄河水循环的重要分量,涉及整个流域,它的变化是流域气候与人类活动的综合体现。以黄河入海口利津水文站1963～2009年实测径流量年均值为基础,采用随机水文学方法,对入海径流动态变化进行了分析;结合流域内7个径流来源区的78个气象站同时段月均降水和气温数据及流域内取水量和水利工程等资料,探讨了不同径流来源区的气候因素和人类活动对入海径流量的影响。结果表明:近50年来入海实测径流量呈显着下降趋势,且存在1968年、1985年、1996年与2002年这四个突变点;入海天然径流量同样呈显着下降趋势,只有1985年一个突变点。唐乃亥以上区间的降水量、兰州至龙门区间的气温以及龙门至三门峡区间的降水和气温是引起入海天然径流量变化主要因素;气温因素的季节性变化对入海天然径流量也有影响,其中夏季降水与冬季气温是重要的因素。自20世纪70年代以来,人类活动对入海径流量的影响不断加强,且在耗水量、水土保持及水利工程等方面表现出明显的空间差异。取水量、降水、气温对黄河入海实测径流量变化的贡献率分别为42.2%、39.2%、18.6%.     

全球气候变化对黄河流域天然径流量影响的情景分析

本文从干旱指数蒸发率函数出发,以HadCM3 GCM对降水和温度的模拟结果为基础,在IPCC不同发展情景下,分析了未来近100年内黄河流域天然径流量的变化趋势。研究结果表明,在不同气候变化情景下,多年平均年径流量的变化随着区域的不同而有显著差异,其变化幅度在-48.0%²03.0%之间。全球气候变化引起的多年平均天然径流量的变化从东向西逐渐减小。就黄河流域而言,2006²035年、2036²065年、2066²095年A2情景下（人口快速增长、经济发展缓慢）多年平均天然径流量的变化量分别为5.0%、11.7%、8.1%,B2情景下（强调社会技术创新）相应的变化分别为7.2%、-3.1%、2.6%。     

黄河下游河道输沙功能的时间变化及其原因

以输出某一河道的泥沙总量与进入这一河道的泥沙量之比来定义河道输沙功能,以此为指标研究了黄河下游输沙功能的时间变化。研究表明,近50年来黄河下游河道输沙功能表现出随时间而减小的明显趋势。在总的减小趋势中,由于水库运用方式与下游水沙组合的不同,河道输沙功能指标具有明显的差异,可以划分为6个阶段。1986¹997年,由于降水偏少,且人类大量引水,黄河下游进入连续枯水的水文系列,河道萎缩,输沙功能迅速降低,此时段中输沙功能指标的时段平均值为0.62,为有水沙记录以来最低的时期。对于黄河下游输沙功能指标与流域因子和河道特性因子的时间变化系列进行了比较,以揭示输沙功能减小的原因。结果表明,黄河下游河道输沙功能指标与流域平均年降水量、兰州站和三门峡站汛期径流占年径流百分比、游荡段典型断面平滩水位下断面面积、花园口站和高村站水面比降等因子有同步减小的关系,并随流域水土保持面积、人类引水量及其占天然径流量比率的增大而增大,说明这些因子的变化导致了黄河下游输沙功能的减弱。     

黄河流域多尺度水系统结构变化特征

大河流域的水系统是支撑社会-生态系统的基础,理解水系统的结构变化是深入揭示区域系统演化的关键。基于自然-社会水系统视角,从黄河全流域和二级水资源分区尺度,利用1998—2018年降水、蒸发、径流、社会经济耗水等水系统变量,通过Mann-Kendall趋势检验和线性回归分析方法,分析了水系统要素的变化趋势及结构演变特征。结果表明：在全流域尺度,降水、蒸发分别以4.25 mm·a^-1、4.09 mm·a^-1的速率上升,但蒸发在空间上的变化更显著;径流量呈现先减少再上升后急剧下降的趋势,且与降水量显著正相关。社会系统耗水量呈现增速减缓的特征,农业灌溉占耗水结构的比例以0.50%的速率逐年下降;城镇公共、居民生活和生态环境耗水比例分别以0.07%、0.29%、0.11%的速率上升。在二级水资源分区尺度,各水系统分异特征明显,兰州至头道拐段及花园口以下区域水系统所支撑社会经济发展的功能已经出现了超载。各水系统要素间具有不同程度的协同演变趋势,在湿润区域,蒸发相较于降水具有明显的滞后现象,但在干旱区域两者变化趋势基本一致。黄河流域水系统要素在时空上均存在明显的异质性,未来人口和经济的进一步发展可能会使区域的水资源压力加剧。     

Climate transformation to warm-humid and its effect on river runoff in the source region of the Yellow River

The change characteristics and trends of the regional climate in the source region of the Yellow River, and the response of runoff to climate change, are analyzed based on observational data of air temperature, precipitation, and runoff at 10 main hydrological and weather stations in the region. Our results show that a strong signal of climate shift from warm-dry to warm-humid in the western parts of northwestern China （Xinjiang） and the western Hexi Corridor of Gansu Province occurred in the late 1980s, and a same signal of climate change occurred in the mid-2000s in the source region of the Yellow River located in the eastern part of northwestern China. This climate changeover has led to a rapid increase in rainfall and stream runoff in the latter region. In most of the years since 2004 the average annual precipitation in the source region of the Yellow River has been greater than the long-term average annual value, and after 2007 the runoff measured at all of the hydrologic sections on the main channel of the Yellow River in the source region has also consistently exceeded the long-term average annual because of rainfall increase. It is difficult to determine the prospects of future climate change until additional observations and research are conducted on the rate and temporal and spatial extents of climate change in the region. Nevertheless, we predict that the climate shift from warm-dry to warm-humid in the source region of the Yellow River is very likely to be in the decadal time scale, which means a warming and rainy climate in the source region of the Yellow River will continue in the coming decades.     

黄河流域水资源演化模式分析

应用EMD-Hilbert变换方法分析花园口以上降水和天然径流近50年的资料系列。结果表明：黄河流域降水演化模式可由4个内在模函数以及一个单调递减的趋势项表示,而天然径流的演化则由3个基本模态和一个单调递减的趋势组成。黄河流域降水和天然径流的演化模式存在一定的相关关系,但两者之间并非一一对应的关系。从时间上看,不论是内在模函数还是趋势项,相对于降水,天然径流都表现出滞后的特点,一定程度上反映了下垫面调蓄作用对径流演化过程的影响。此外,从降水和天然径流内在模函数的周期可以推测黄河流域的水资源演化可能与大气低频振荡有关。     

基于InVEST模型的黑河流域上游水源涵养量

黑河流域上游生态系统具有重要的水源涵养功能,对维系流域生态平衡有着重要的意义。基于InVEST模型估算了黑河流域上游水源涵养量,分析了水源涵养量的时空变化特征及其与气候因子的相关性。结果表明：2001—2015年黑河流域上游草地、林地、灌丛面积分别增加了1 665.00、381.75、162.75 km²,而荒漠和农田分别减少了2 165.25、20.50 km²;2001—2015年黑河流域上游水源涵养量年均值为228.64 mm,在空间上呈现东南高、西北低的分布特征,高值区位于祁连山一带,肃南裕固族自治县北部条带状为上游水源涵养量的低值区;从变化趋势来看,研究区水源涵养量以7.60 mm·a^-1的速率减少;近15年来,研究区潜在蒸散、降水量分别呈现增加和减少趋势,速率分别为1.45、-0.67 mm·a^-1,水源涵养与潜在蒸散以负相关为主,而与降水量正相关,降水量主要影响上游的中东部、北部的祁连山高寒地区,而潜在蒸散主要制约西北部的水源涵养量。