气候变化及人类活动对西北干旱区水资源影响研究综述

本文回顾了西北干旱区气候变化事实及其对水资源影响的最新研究进展,从气候变化和人类活动两个角度综述了水资源变化的原因,以及未来西北干旱区水资源变化与适应对策。研究表明：1961年以来西北干旱区呈现明显暖湿化趋势,其中冬季增温最快,夏季降水增加速率最大。伊利河谷、塔城等地区增温趋势最大,北疆降水量增加最多。受气候变暖导致冰雪快速消融和山区降水增加的影响,西北干旱区西部河流黑河、疏勒河、塔里木河出山口径流量显著增加。由于东部河流石羊河径流的补给主要靠降水,降水的减少导致径流呈现下降趋势。不合理人类活动造成石羊河、黑河和开都河中下游径流减少。本文提出了西北干旱区亟待深入研究的任务：极端天气气候事件的变化规律及其对水资源影响;未来气候变化和水资源的预估;气候变化归因研究;气候变化-社会经济活动一体化适应策略选择;水资源科学合理定量分配等。     

气候变化对西北水循环和水资源影响的研究

西北地区全年水汽总输入为1 061.9 mm,但只有14.4%形成降水,85.6%成为过境水汽直接穿过该地区上空出境,水汽净输入量仅为31.1 mm.西北地区降水分布很不均匀,内陆河地区多年平均降水量大于300 mm的都是高山带,而平原盆地的降水量多在150mm以下,内陆河流域多年平均径流深仅有6.8 mm.西北水循环最突出的特点是径流系数小于蒸发系数,而干旱指数Ep/P(Ep:蒸发能力,P:降水)十分大,介于4～10之间.未来30年黄河及其以北地区气温平均升高2.0℃(HD模式)或2.38℃(MPI模式),黄河以南地区气候平均升高1.8℃(HD模式)或1.5℃(MPI模式),内陆河流域气温升高可能分别达到3.1℃(HD模式)或1.5℃(MPI模式).据MPI模式结果,未来30年黄河及其以北地区降水量平均增加1.6%,而黄河以南地区降水量平均增加11.4%,干旱少雨的内陆河地区降水量可能减少7%以上;黄河及内陆河地区的蒸发量将可能增大15%左右,西北区地表径流量的变化范围预计为751～1017亿m3.气候变化使得该地区天然径流减少,水资源供需矛盾将更加突出.     

西北干旱区极端高温时空变化特征分析

利用1961—2010年西北干旱区83个气象观测站的日气温资料,通过线性倾向率、百分位法及Mann-Kendall法得出西北干旱区极端高温的具体变化特征。用百分位法对西北干旱区日气温数据进行处理,确定极端高温指标的阈值,得出极端高温强度和极端高温事件的频率。结论如下:自1989年开始,西北干旱区年极端高温呈显著上升趋势,空间上西部大于东部,局部地区盆地南缘大于北缘;极端高温日数呈明显的上升趋势;四季极端高温均有上升趋势,秋季增长率最高、冬季最低,秋季极端高温日数增长速率最大;季极端高温及高温日数高值区分布在西北干旱区西北和东南部的盆地边缘,干旱区沙漠边缘及戈壁区;西北干旱区年、季极端高温日数均与年平均气温相关性突出。     

中国西北干旱区年降雨量的时空变化

通过对中国西部地区６８个站３０年年降雨量的分析，把中国西部划分为６个降雨量性质不相关的区。通过对西北３个区的分析，把年降雨量划分为８种不同的空间分布类型。分析表明，控制中国西北干旱区的天气系统主要为西风系统。在过去的３０年间，西北干旱区的气候并非都是变得越来越干，不同的地区变化情况不同。     

西北干旱区感热异常对中国夏季降水影响的模拟

利用最新版的RegCM3模式通过增加西北干旱区地面向大气的感热输送,模拟了西北干旱区春、夏季感热异常对中国夏季降水的影响。结果表明:西北地区地面向大气的感热输送增加后,西北干旱区低层空气温度升高,空气密度减小使得空气有上升运动距平,减弱了空气的下沉运动,从而在新疆地区降水增加。西北地区下沉气流减弱使得高空气压更强,形成反气旋气流距平,导致高原地区上升气流减弱,在青藏高原降水减少。高原地区上升气流减弱导致在长江中下游和东北北部分别有负的气压距平中心,使得这里有气旋式距平环流,降水增加;而在华南、西南、华北南部和东北南部降水减少。     

东亚干旱半干旱区空中水资源研究进展

系统回顾了近年来中外对东亚干旱半干旱区空中水资源方面的主要研究进展,主要包括大气水汽、云的分布特征、空中水资源的降水转化率及其影响因子等。东亚干旱半干旱区西部及东部水汽含量较中部高,背风坡水汽含量较迎风坡高,季风区及山脉地区云水资源高于盆地、沙漠上空。20世纪80年代中期以后,东亚干旱半干旱区对流层底部的水汽显著增多,其中夏季增加最为明显。在全球气候变化背景下,中国西北部分地区云水路径总体呈现上升趋势,同时呈现"东正西负"的东西向变化差异以及"北正南负"的反相位特征。大气环流、地表温度、下垫面地表特征等因子通过影响东亚干旱半干旱区的水汽输送及蒸散,进而改变东亚干旱半干旱区空中水资源,空中水资源的改变通过影响辐射收支、不同高度云量及第2次相变产生的云水含量进而对局地温度和降水产生影响。以往研究中,大部分主要针对东亚干旱半干旱区大气中的水汽含量和云平均状态的分布与变化特征,而与降水相关联的空中水资源的变化特征目前仍不清楚,有待系统深入地研究。      

西北干旱区荒漠水分循环特征及其模拟

利用"中国西北干旱区陆—气相互作用实验"观测的资料,分析了大气湿度、土壤含水量、与土壤含水量相关的陆面参数及其他陆面参数特征。为了验证新的陆面参数及参数化公式,将新陆面参数与参数化公式输入陆面模式进行模拟,将模拟值与观测值进行了比较。结果表明输入新参数及参数化公式的模拟效果更好。     

西北干旱区地气温差的时空特征分析

利用西北干旱区55个站1961—2000年0cm地温和气温资料,利用EOF、旋转EOF分析和小波分析方法．分析了西北干旱区地气温差的空间分布及时间演变特征。结果表明：西北干旱区地气温差6月份最大,1月份最小;春、夏、秋三季均为正值,冬季除个别站点外均为负值。西北干旱区春、夏、秋、冬四季地气温差的空问分布前三个特征向量均表现为三种分布型：全区一致型、南北差异型和东西差异型。在过去40年问,西北干旱区的地气温差表现为四种时间演变型：具有极小值的抛物线型、具有极大值的抛物线型、单调递增型和单调递减型。西北干旱区地气温差的周期振荡主要以3～6年和20年为主。这些周期振荡在不同区域不同时期的显著性不同。     

中国西北地区干旱气侯学的新进展及其主要科学问题

回顾了“十五”期间中国西北地区干旱气侯学的进展。就遥感监测、西北干旱形成机制、西北地区年代际的气候变化、西北干旱新的强讯号、高原干旱气候生态作物适应性和西北干旱监测预测业务服务综合系统等方面所取得重要研究进展和学术成就,作了系统的回顾;并对21世纪初干旱气侯学的主要科学问题作了展望。     

西北干旱区空中水资源的时空变化特征及其原因分析

利用1979—2008年NCEP/NCAR月平均再分析资料,从大气可降水量、水汽输送及收支等方面分析西北干旱区空中水资源的时空变化特征,并揭示其主要原因。研究表明,1979—2008年西北干旱区整层年水汽含量略呈增加趋势,而夏季水汽总收入呈现显著增加趋势。区域空中水资源的变化与中纬度西风水汽输送密切相关。尽管区域西风指数的年代际减弱反映了西北干旱区东、西边界西风水汽输送的减弱趋势;但受区域特殊地形的影响,区域东边界水汽收支的减弱趋势远强于西边界,使得大量的水汽滞留于西北干旱区,从而导致该区域夏季水汽总收入呈现增加趋势。     

西北干旱区地表辐射特性的初步研究

利用2000年5－6月敦煌（戈壁）陆面过程野外观测实验加强期的地表辐射观测资料以及HEIFE中绿洲（张掖）和沙漠两站1991年同期的地表辐射观测资料，分析了三种不同下垫面晴天地表辐射各分量的日变化特征。结果表明：绿洲地区和沙漠区总辐射略高于敦煌戈壁区；地表反射率沙漠区和敦煌区明显高于绿洲区，地面有效辐射戈壁区最大，张掖绿洲区最小，地表净辐射张掖绿洲区明显大于沙漠和戈壁区。     

西北干旱区水资源供需分析与可持续利用对策研究

水资源是西北干旱区人类生存和经济发展的基础资源及重要制约因素.作者在分析西北干旱区内陆河水资源条件、水资源开发利用现状、未来西北地区气候与水资源变化趋势、西北干旱区不同时期水资源供需平衡及主要水环境问题的基础上,提出了西北干旱区水资源可持续利用对策建议.     

全球变暖背景下西北干旱区雨季的降水时空变化特征

利用西北干旱区1961—2007年77个观测站的逐日降水资料序列,将西北干旱区分为5个主要气候区,分析了全球变暖背景下西北干旱区雨季的降水时空变化特征,并预测降水的未来变化趋势。结果表明：西北干旱区降水存在显著的年际和年代际变化,其西部降水量呈显著上升趋势,尤其在新疆北部与伊犁河谷地区。降水具有5～6年或2～3年的年际周期与8～11年的年代际周期,但河西走廊地区例外。干旱区降水转型时期的空间差异显著,最早在1980年代初期从南疆开始,1980年代中期新疆北部降水出现异常偏多,伊犁河谷和河西走廊地区降水突变期则出现在1990年代初,但变化趋势相反;阿拉善高原地区降水没有明显的突变时间。由周期外推方法得到,在未来一个年代际周期中,西北干旱区的西部降水将以偏少的气候特征为主,直到2015年前后才会再次回到偏多的周期中来;阿拉善高原地区在未来8～11年中有可能向着降水增加的趋势发展。     

西北干旱区地气温差季节和年际变化特征的分析

利用西北干旱区49个气象站1961—2000年0 cm地温和气温月平均资料,采用逐级归并法、小波分析、经验正交函数(EOF)、旋转经验正交函数(REOF)方法,分析了西北干旱区地气温差的时空演变特征、气候突变和周期振荡。结果表明:西北干旱区地气温差可分为12月~2月、3月、4~6月、7~10月和11月5类,11月和12月~2月呈下降趋势,3月、4~6月和7~10月呈上升趋势,12月~2月下降幅度较大,4~6月上升幅度最大;地气温差受大尺度气候异常的影响,第一载荷向量反映了全区一致的性质;北疆区和内蒙区有异常变化存在;3月和11月的突变点为1977年,12月~2月、4~6月和7~10月的突变点为1981年;周期振荡主要以3~6年为主。     

陆面过程模式SSiB在中国西北典型干旱区使用性能的检验

利用2000年5月25日～6月15日敦煌试验加强期的观测资料，检验了SSiB模式在我国西北典型干旱区的使用性能。结果表明，在无降水强迫的情况下，模式对净辐射、感热、潜热和地表温度有较好的再现能力；但当加入降水强迫时，模式输出的模拟值与实测值有较大的差别，究其原因这可能与该模式对干旱区土壤水运动过程描述不准确有关。因此，要将此模式应用于典型干旱区，需要做进一步的改进工作。