华北地区水循环与水资源安全:问题与挑战

华北缺水及其日趋严重的生态环境变化是中国首要解决的问题之一。目前,由于山区与平原径流明显减少和过量开发水资源,造成了地下水漏斗加深、平原区河道干涸、湖泊湿地萎缩、地表和地下水污染等生态环境恶化问题,严重影响到华北地区水资源安全,已引起党和国家的高度重视。本文以海河流域为重点对象,通过国内外学科前沿进展综述,指出华北地区缺水及其导致的生态环境恶化问题背后的自然和人文因素作用与发展演化的背景,强调高强度人类活动作用下的水循环基础研究的重要性,提出华北地区水资源安全的水循环基础与应用问题研究的若干建议与思考。研究自然和人类活动双重作用下的华北地区水循环过程,水体运动与污染物质输移及其与生态环境演变耦合机制,阐明华北地区"河道断流,水体污染,湿地消失,地下水枯竭"的成因规律,特别是人类活动的驱动分量,提出生态环境修复的理论基础,不仅对变化环境下流域水环境演变的地学基础科学前沿研究有重大的学术价值,而且对中国可持续发展和社会进步具有重要的战略意义。     

近50年中国北方土壤湿度的区域演变特征

利用中国100E以东139站1951～1999年逐月反演的土壤湿度资料(0cm～100cm,共11层),重点分析了中国东北、华北和西北东部三个地区的土壤湿度在年际一年代际时间尺度上的演变特征.研究表明:不同层次上土壤湿度的变化特征有很好的一致性.华北地区在20世纪60年代末到70年代末为显著偏湿的阶段,之后发生突变直到90年代末土壤湿度持续降低并以90年代中后期为甚.东北区在70年代前后为一显著的干旱时段,此后土壤湿度有所恢复,但90年代以来该区的土壤湿度仍然较低.值得注意的是,华北夏季土壤湿度自80年代以来并未有明显的下降.另外,北方地区土壤在秋季普遍存在干化趋势,其中以东北地区最为显著.本文还分析了土壤湿度演变趋势的地理分布特征.     

中国华北地区昼夜降水时空变化特征

基于1960-2014年华北地区68个观测站点逐日气象资料,分析了华北地区昼夜降水的时空变化特征。结果表明:华北地区年昼夜降水量呈现由东南向西北阶梯式减少的趋势,昼降水量年均减少0.70mm,夜降水量年均减少0.39mm。华北地区东北部和山东丘陵地区中西部昼降水量下降趋势较明显,华北中西部、山东丘陵地区东南部夜降水量下降趋势较明显。近35年,华北地区昼夜降水量偏少,其中,1980s是昼夜降水最少的阶段。华北地区夏季和秋季昼降水量均呈减少趋势,且夏季减少趋势明显;春季和冬季昼降水量呈增加趋势。华北地区夜降水量春、夏、秋季均呈减少趋势,且夏季和秋季减少趋势较明显。夏季昼降水的显著减少是华北地区降水减少的主要原因之一,华北中部平原地区、山东丘陵地区夏季昼降水量减少幅度大于西部山地地区。     

1961—2017年华北地区降水气候特征分析

基于华北地区1961—2017年的均一化降水数据,从降水量、降水强度、降水日数和降水量贡献率等方面揭示了华北地区降水的气候特征。结果表明：1961—2017年华北地区年降水量以3.2 mm/10a的速率减少,其主要原因是夏季降水的减少。空间上,降水量大值区的降水趋势变化呈减少特征;降水强度呈增大趋势,降水的时间分布更加集中;小雨、暴雨和大暴雨及以上量级降水日数和贡献率呈减小趋势,而中雨和大雨则有所增加;分析各等级降水对华北地区空间分布的贡献率,小雨事件对华北地区西部降水的贡献最主要,大雨、暴雨和大暴雨对华北东南部地区降水量的贡献最为主要,这进一步解释了小雨、暴雨和大暴雨及以上量级降水量的减少造成了华北地区西部和东南部地区降水总量的下降。华北地区降水气候特征研究可为区域气候变化以及暴雨、干旱等灾害应对提供科学支撑。     

2001-2013年华北地区植被覆盖度与干旱条件的相关分析

基于MODIS-NDVI遥感数据以及地表气象数据,计算了2001-2013年华北地区的修正Palmer干旱指数（Palmer Drought Severity Index,PDSI）和植被覆盖度,总结出植被覆盖度以及PDSI的年际变化规律,从华北地区生态分区的角度分析了二者的相关关系。结果表明：① 华北平原的植被覆盖度呈南高北低、中部高四周低的分布特点,最低为内蒙古高原草原生态区的0.61,最高为淮阳丘陵地区的0.84;② 2001-2013年,华北平原整体植被覆盖度主要呈上升趋势,其中华北的北部、西部、南部山区及丘陵地带植被覆盖度主要呈上升趋势,而华北平原农业区以及京津唐城郊地带植被覆盖度呈下降趋势;③ 华北地区的东北部有变潮湿的趋势,南部则有变干旱的趋势,其他地区干旱条件变化不明显;④ 华北地区植被覆盖度与气候干旱程度的平均相关系数为0.20,73.37%的地区相关系数为正,正相关关系最为明显的地区为华北地区的西北部,而北京、天津、以及河北省与河南省一级、二级城市的城郊地区相关系数多为负值。⑤ 在华北大部分地区,夏季和秋季的气候干旱条件对植被覆盖度的影响最为明显。     

中国华北东北强干旱事件的时空演变特征及重现期分析

利用中国华北、东北（110~140°E,34.5~55°N）126个站1901—2015年月尺度标准化降水蒸散指数（[WTBX]SPEI[WTBZ]-1）,去除11月到次年2月（即北方冬季）的数据后,利用聚类分析将研究区域分为东北地区中北部（Ⅰ区）、东北地区南部（Ⅱ区）、华北地区南部（Ⅲ区）、华北地区北部（Ⅳ区）以及华北地区西部（Ⅴ区）5个气候区,利用游程理论在识别单站强干旱事件的基础上,给出区域强干旱事件的识别标准,并与实际干旱事件相比较,检验方法的适用性;分析不同区域强干旱事件年代际的分布特征和演变规律;基于拟合优度最高的Copula函数,以华北西部（Ⅴ区）为例,分析其强干旱事件的重现规律;分析在相同重现期条件下,干旱历时与干旱强度的分布特征。结果表明：（1） 区域强干旱事件的识别标准对于中国华北、东北强干旱事件具有较好的适用性。（2） 华北北部（Ⅳ区）的强干旱最为严重,且较易发生连旱事件。（3） 华北西部（Ⅴ区）的一般性强干旱事件有约5 a～6 a的周期,1929年、1941年和1965年分别有一次特别严重的强干旱事件发生,其重现期分别约为94 a～102 a、93 a～101 a和35 a～41 a。（4） 对于2 a、5 a、10 a、20 a、50 a和100 a一遇的强干旱事件,华北北部（Ⅳ区）的强干旱事件最为严重,华北西部（Ⅴ区）次之。     

“华北地区水循环及水资源安全研究”取得重要进展

华北地区在全国政治、文化和经济领域中占有重要地位,但又是水资源矛盾十分突出的地区。针对华北水资源问题,中国科学院于2001年11月启动了知识创新工程重要方向项目“华北地区水循环与水资源安全研究”。项目的总目标是:抓住21世纪华北水资源研究的三个关键性问题,即在自然变化和人类活动影响下的水循环、农业节水和水资源安全,开展科学研究,推动我国资源与环境学科水循环水资源安全的知识创新,并培养出一批优秀的科研人才队伍,为华北地区社会经济可持续发展、水资源可持续利用的国家战略目标服务。该项目在首席科学家夏军研究员、刘孟雨研究员的主持下,以中国科学院地理科学与资源研究所、石家庄农业现代化研究所为主,汇集了中     

华北主要城市夏季高温气候特征及评估方法

利用我国华北地区1961~2000年夏季6~8月高温资料,探讨了华北地区主要城市高温过程,建立该地区强高温过程较完整的序列。分析华北主要城市北京、天津、石家庄、济南、太原市等夏季危害性高温气候特征。给出了东亚副热带高压和大陆变性高压的活动特点。观测结果表明,东亚副热带高压和大陆变性高压对华北地区主要城市夏季危害性高温在各地有很大差异,与相对湿度大小有密切关系。东亚副热带高压和大陆变性高压的活动是造成华北地区城市夏季危害性高温的主要影响系统。在此基础上建立了华北主要城市夏季危害性高温候、旬、月评估方法。其结果表明该方法对华北地区主要城市夏季危害性高温影响评估有应用价值。     

华北土地利用十年动态特征分析

以遥感与GIS为技术支撑,分析华北地区十年的土地利用动态特征。华北地区耕地增加,以旱地为主,主要分布于河北、河南;林草地减少,尤其是草地的减少集中于内蒙古,表现为耕地大量占用草地;城镇增加迅速,主要表现在城镇用地占用耕地,以农村居民点发展快;华北土地利用转换以耕地变城镇、农村居民点与工矿用地为主。按土地利用变化分区,华北处于两个区:黄淮海耕地-城镇转换区,主要表现在河北旱地变为农村居民点,河南、北京、天津旱地变城镇。华北、黄土高原农牧交错带草地-耕地转换区,集中在内蒙古草地变耕地。从两个时间段看,华北土地利用20世纪80年代末到90年代中期耕地增加速度明显大于华北土地利用90年代中期到90年代末。华北土地利用90年代中期到90年代末城乡、居民工矿用地面积的增加幅度比华北土地利用80年代末到90年代中快。     

1961—2017年华北地区高温日数及高温热浪时空变化特征

利用华北地区85个气象站1961—2017年逐日最高气温资料,统计分析了华北地区高温日数及高温热浪（频次、持续时间、强度）的时空变化特征。结果表明：① 华北地区年高温日数整体呈增加趋势,自20世纪90年代中期之后年均高温日数明显增多;高温多出现在华北地区的南部和西部,华北地区大部分站点的高温日数呈增加趋势。② 就气候平均态而言,高温初日有略提前趋势,高温终日则明显推迟;空间上,绝大多数台站的高温终日呈推迟的趋势,其中京津冀中北部地区尤为明显。③ 累计高温热浪次数、轻度和中度热浪次数均整体增加,并在1990年左右明显由少变多,重度热浪次数增加趋势更为显著;1987年之后,平均每次高温热浪事件的高温有效积温明显增加,表明高温热浪的平均强度增大。④ 不同等级高温热浪总频次的空间分布特征相近,高频次区域均集中在内蒙古西部、山西西南部和河北南部;热浪累计频次的变化趋势在内蒙和山西以增多为主,在京津冀地区以减少为主。除山西南部和河北南部的个别站点以外,绝大多数站点的热浪平均持续天数和平均高温有效积温的变化呈增多增强趋势。总体来看,华北大部分区域自20世纪90年代以来,高温日数及热浪事件明显增强,同时存在明显的空间差异,研究结果将有助于进一步认识华北高温的区域性特征。     

1982—2014年中国沿海地区归一化植被指数(NDVI)变化及其对极端气候的响应

基于1982—2014年GIMMS NDVI3g数据集,分析中国沿海地区生长季归一化植被指数（NDVI）的时空变化特征,探讨NDVI对极端气温和极端降水年尺度和月尺度的响应特征。结果表明：中国沿海地区及其子区域NDVI均呈上升趋势,且该趋势具有一定持续性;江南及其以南各子区域的NDVI高于江南以北,但长江三角洲、珠江三角洲等地区NDVI下降较明显,而江南以北沿海地区NDVI多呈上升趋势。NDVI在东北沿海西部、华北和黄淮沿海各子区域与极端气温暖指数（暖昼日数和日最高气温的极高值）多呈负相关,在其他沿海地区多呈正相关。NDVI与极端气温冷指数（冷昼日数和日最低气温的极低值）在整个沿海地区基本呈负相关,且对冷指数的响应具有一定滞后性;江淮（含）以南各子区域的NDVI与气温日较差多呈正相关,以北基本呈负相关。NDVI在黄淮以北与极端降水之间一般呈正相关,在黄淮（含）以南和东北沿海中东部地区多呈负相关,黄淮（含）以北各子区域的NDVI对极端降水的滞后效应较明显。     

中国西北汛期极端降水事件分析

利用中国西北五省（区）1960—2004年125个台站汛期（5—9月）逐日降水资料,首先定义了不同台站的极端降水阈值,然后统计出了不同台站近45 a逐年汛期发生极端降水事件的发生频次,并进行了时空分布特征分析,结果表明:中国西北汛期极端降水事件发生频次同降水量的空间分布有很大的差异;一致性异常分布特征是中国西北汛期极端降水事件发生频次的最主要空间模态;中国西北汛期极端降水事件发生频次的空间分布可分为以下6个分区:高原东部区、南疆区、北疆区、西北东部区、青海高原区及河套区;从长期变化趋势来看,高原东部区近45 a来汛期极端降水事件发生频次没有明显的变化趋势,北疆区、南疆区、青海高原区及河套区表现为较明显的的增长趋势,而西北东部区表现为较明显的减少趋势;中国西北汛期极端降水事件发生频次的各主要空间分区中,近45 a来13 a左右的周期振荡表现得比较显著。     

基于地理探测器的干旱区内陆河流域产水量驱动力分析 ——以疏勒河流域为例

明确干旱区产水量的驱动因素,能为区域水资源优化和可持续发展提供科学依据。基于 MODIS 植被指数、HWSD 的土壤数据集以及气象要素数据,采用 InVEST 模型和地理探测器探究疏 勒河流域多年平均产水量的空间分布,揭示不同空间尺度上产水量的单因子及双因子交互驱动机 制。结果表明：疏勒河流域多年平均产水量呈现南部>北部>中部。流域尺度上,产水量空间格局 的主导驱动力为降水,坡度与降水交互驱动作用最为显著。区域尺度上,南部山区、北部马鬃山地 区和中部平原区的主导驱动力各不相同,分别为日照时数、人为干扰强度、降水,双因子交互作用 显示人为干扰强度与其它因子的交互最为显著。不同土地利用类型中,耕地产水量的主导驱动力 为坡度,而其它地类产水量的主要影响因子为降水。各地类中降水与其他因子的交互均大大增强 了单因子驱动力。因此,干旱区产水量多尺度驱动机制研究对区域水资源可持续管理至关重要。     

新疆不同季节降水气候分区及变化趋势

利用新疆88个测站1961—2006年逐日降水量资料,采用EOF（主成分分析）、REOF（旋转主成分分析）、线性趋势、kendall-τ检验以及累积距平、t检验、信噪比相结合等方法,对新疆四季降水量的空间特征、变化趋势以及突变时间等进行了对比诊断分析\.结果表明,新疆四季降水量EOF的前3个载荷向量场均表现为全疆一致的降水偏多或偏少型、南北疆反变化的南多（少）北少（多）型以及东西反向的东多（少）西少（多）型等3大整体异常结构;在同一约束条件下,不同季节REOF分析所揭示的降水气候分区不同,冬季大致可划分为3个区,春季6个区,夏季7个区,秋季5个区;除南疆偏西地区冬季降水量未出现显著突变增加趋势外,新疆大部地区于1986年前后冬夏降水量同时显著突变增多,与其上空大气可降水量(APW)的增加有关;北疆春季降水量既没有显著的增加趋势,也未发生过突变;南疆大部地区春季降水量曾出现过显著突变增加,但突变时间早晚不一;从长期变化趋势看,北疆北部、中天山两侧及其以东地区秋季降水量虽增加不显著,但在1978年前后出现过突变增加,是季降水量突变最早区域;北疆西部冬、夏、秋降水量均显著增加,是新疆降水量增加最敏感区域,但秋季降水量的突变增加是从1997年开始的,比冬夏突变晚11 a左右,比其东部地区偏晚30 a左右。     

基于HadCM3模式的我国主要气候区划界线时空预测研究

气候区域分异规律及其时空演变研究是气候变化研究的核心内容之一。以1951-2014年中国气象数据和基于HadCM3模式的1950-2059年气象模拟数据为数据源来分析中国主要气候区划界线的时空变化趋势。结果表明：我国寒温带界线北移,且速度呈加快趋势;中温带和暖温带的北部界线向北移动,且东段界线的移动趋势较明显;亚热带北部界线已越过秦岭-淮河一线,且其东段北移趋势较明显;热带范围逐渐向北扩张。东北地区由湿润转干燥,达到干湿并存的状态;河西走廊、青藏高原和新疆地区总体上呈转湿趋势,虽北方半干旱区有部分区域转换为干旱区,但未出现明显的移动;华北平原等地区的湿润-半湿润界线和干湿区分界线均向西北方向移动;南方湿润区的干湿状况未发生显著变化。     

1980—2017年天山山区不同降水形态的时空变化

利用1980—2017年天山山区35个气象站点的逐日降水资料,分离出3种主要降水形态后,运用线性倾向估计、Mann-Kendall(M-K)突变检验、滑动t突变检验、Morlet小波分析等方法研究了天山山区降水日数及降雨日数、降雪日数和雨夹雪日数的时空分布及变化规律。研究表明：（1）在空间上,天山山区降水日数和降雨日数表现为“北多南少,西多东少”的分布格局,降雪日数“北多南少”明显;降水日数呈现“西快东慢,北快南慢”的增长趋势,西段增长幅度明显,降雨日数普遍增多,大部分地区降雪日数减少,雨夹雪日数也有减少趋势。（2）近38 a来,天山山区降水日数表现为缓慢增长趋势,降雨日数显著增加,降雪日数减少,雨夹雪日数变化并不明显。（3）天山山区降水日数突变年在1986年前后。（4）降水日数、降雨日数、降雪日数及雨夹雪日数均存在明显的10 a左右的振荡周期,此外,降水日数、降雨日数和雨夹雪日数18~22 a周期波动也比较明显。     

雅鲁藏布江流域降水时空变化特征

雅鲁藏布江流域是全球气候变化的敏感区,该流域降水变化对青藏高原的水系统、生态系统和山地灾害系统的演变具有重要影响。本文通过流域水文分析,将雅鲁藏布江流域的三大水资源区细分为9个分区。基于雅鲁藏布江流域1979—2018年降水数据,综合分析了雅鲁藏布江流域及9个分区的年、干湿季、月降水量以及日、小时尺度极端降水的时空变化特征,探讨了降水和典型大尺度大气环流因子的相关性。结果表明：① 1979—2018年间,在流域尺度上,各时间尺度降水整体上均呈上升趋势。其中,年降水量上升趋势最大,为2.5 mm·a^-1;年、干湿季降水量以及典型小时尺度极端降水（Rx3hour、Rx12hour）均在95%信度水平下显著上升。在水资源分区尺度上,各分区不同时间尺度降水的变化趋势呈现更明显的非一致性,所有分区除小时尺度极端降水均呈上升趋势外,其余时间尺度降水的趋势变化方向各异。② 雅鲁藏布江流域降水存在明显的空间分异性,且降水空间分异性会随着降水指标时间尺度的缩短而增强。各时间尺度降水整体上均呈现出自东部向西部逐渐减少的趋势,流域东南部（分区Ⅲ-2）始终是高值中心,流域中西部（分区Ⅰ-2、Ⅱ-1）存在区域性高值中心。③ 北半球副热带高压和北半球极涡对雅鲁藏布江流域降水变化具有显著影响。研究结果有助于掌握当地降水的多尺度变化特征,可为雅鲁藏布江流域和青藏高原地区的水循环研究、水资源开发利用和山洪灾害防治等提供科学基础。     

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.     

半干旱草原型流域不同时间尺度降水特征分析

基于锡林浩特气象站1960-2015年逐日降水数据,运用M-K法、R/S 法和Morlet 小波法,分析了半干旱草原型流域--锡林河流域近56a不同时间尺度下降水趋势及突变特征、未来变化趋势、降水周期规律的变化情况。结果表明：近56a来锡林河流域年降水量呈下降的趋势,在1974、1980、1989年和1998年发生过4次突变,存在28a的主周期变化。夏季降水特征和年降水特征基本一致,冬季降水量呈显著上升的趋势。汛期8月份降水量呈显著下降的趋势,并在1998年左右发生突变,降水第一主周期在12a处,非汛期11和12月份降水量都呈显著上升的趋势,其中,12月份降水在2000 年左右发生显著突变,这两个月份降水的第一主周期分别是30a和9a。不同时间尺度下降水序列的Hurst指数均>0.5,说明流域降水趋势具有持续性,未来降水趋势与过去保持一致。     

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