利用RIEMS-LRM对黄河河川径流的模拟研究

利用区域系统环境集成模式(RIEMS）和一个offline的大尺度汇流模型(LRM)对黄河的河川径流做了模拟。中国科学院大气物理所东亚中心从1991年开始建立和发展RIEMS，并验证RIEMS对东亚区域气候有较好的模拟能力。LRM是以线性时基不变假定为基础并能够计算水的水平传输的数学模型。RIEMS—LRM可以用来模拟和预测大尺度河流的河川径流。RIEMS—LRM在黄河上游河段的应用证实其有能力对大尺度河流的河川径流进行模拟。此外，作还分析了模拟误差产生的原因。     

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。     

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。     

The Linkage between Two Types of El Ni?o Events and Summer Streamflow over the Yellow and Yangtze River Basins

It is generally agreed that El Nino can be classified into East Pacific(EP)and Central Pacific(CP)types.Nevertheless,little is known about the relationship between these two types of El Ni?o and land surface climate elements.This study investigates the linkage between EP/CP El Ni?o and summer streamflow over the Yellow and Yangtze River basins and their possible mechanisms.Over the Yellow River basin,the anomalous streamflow always manifests as positive(negative)in EP(CP)years,with a correlation coefficient of 0.39(-0.37);while over the Yangtze River basin,the anomalous streamflow shows as positive in both EP and CP years,with correlation coefficients of 0.72 and 0.48,respectively.Analyses of the surface hydrological cycle indicate that the streamflow is more influenced by local evapotranspiration(ET)than precipitation over the Yellow River basin,while it is dominantly affected by precipitation over the Yangtze River basin.The different features over these two river basins can be explained by the anomalous atmospheric circulation,which is cyclonic(anticyclonic)north(south)of 30°N over East Asia.EP years are dominated by two anticyclones,which bring strong water vapor convergence and induce more precipitation but less ET,and subsequently increase streamflow and flooding risks.In CP years,especially over the Yellow River basin,two cyclones dominate and lead to water vapor divergence and reduce moisture arriving.Meanwhile,the ET enhances mainly due to local high surface air temperature,which further evaporates water from the soil.As a result,the streamflow decreases,which will then increase the drought risk.     

陆面—水文耦合模式的参数率定及改进研究

基于淮河流域的地形、岩石地质类型等空间分布特征,对陆面—水文耦合模式CLHMS1.0(Coupled Land Surface-Hydrological Model version 1.0)的河道曼宁糙率系数、水力传导度两个关键参数进行了率定;在此基础上,通过基于CLHMS1.0的多组敏感性试验,分析了河道曼宁糙率系数、水力传导度对CLHMS1.0模拟淮河流域水文过程的影响。研究结果表明,淮河流域上游王家坝子流域曼宁糙率系数的减小,可以显著提高模式对王家坝水文控制站上游模拟的水流流速,减小了模式对王家坝洪峰来临时间模拟偏迟的误差;依据淮河不同子流域的岩石地质类型选定更为合理的水力传导度参数后,模式对淮河流域河道流量等水文过程的模拟更为准确。利用参数率定后的CLHMS1.0对淮河流域1980~1987年逐日水文过程进行了模拟,与观测实况比较结果表明,采用了新的河道曼宁糙率系数和水力传导度参数后,模式对淮河流域逐日水文过程的模拟能力显著提高,且可以更合理地模拟出地表产流和地下水补给对流域河道流量的相对贡献。     

未来气候变化对黄河和长江流域极端径流影响的预估研究

使用NASA-NCAR全球环流模式FvGCM结果驱动高分辨率区域气候模式RegCM3 (20 km),进行1961～1990年当代气候模拟(控制试验)和2071～2100年IPCC A2排放情景下未来气候情景模拟(A2情景模拟试验)。将RegCM3同高分辨率大尺度汇流模型LRM(分辨率0.25°×0.25°)连接,分析水文极端事件在A2情景下相对于当代气候的变化,预估未来气候变化对我国黄河和长江流域水文极端事件的影响。结果表明:(1)未来黄河流域径流年变率增大,月变率减小,日变率在头道拐站以上流域减小,以下流域增大。未来兰州以上半湿润地区,流域东南部湿润区出现径流量峰值的可能性增大,而流域西北部干旱半干旱区出现径流量百分位极值的可能性减小。未来黄河流域中游地区发生流域洪水的风险在夏季月份减少,其余月份均增大。(2)未来长江干流径流年际变率增大,上中游地区径流日和月变率减小,下游地区略有增大;未来汉江流域径流量的年、月和日变率均增大。未来长江干流发生流域洪水的风险在夏季明显降低,而汉江流域各月发生流域洪水的可能性均增大。     

我国西部冬季扰动源涡与东部夏季雨带分布

我国西部 (85°10 5°E)冬季“扰动源涡”的位置对夏季东部雨带的配置具有支配作用。当西部“源涡”位于 35°N以北时 ,东部雨带多出现在黄河流域及其以北 (Ⅰ类雨型 ) ;源涡位于 32°35°N之间时 ,夏季雨带多出现在淮河流域 (Ⅱ类雨型 ) ;当源涡位于 32°N以南时 ,雨带多出现在长江流域或江南 (Ⅲ类雨型 )。藏东南热点区冬季的中强地热脉冲对我国夏季江淮和川黔的大水具有很强的指示作用     

基于陆面水文耦合模式CLHMS的淮河流域水文过程的模拟评估及其不确定性分析

利用最新的CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)再分析及观测的降水和地表气温资料驱动陆面水文耦合模式CLHMS(Coupled Land surface and Hydrologic Model System),对淮河流域1980~2003年共24年的水文水循环过程进行了模拟,系统评估了CLHMS对淮河流域水文过程的模拟能力及其不确定性。分析结果表明,CLHMS模式对淮河流域水文过程具有良好的模拟能力,模式尤其对湿润年份流域的水量平衡以及河道流量的季节、年际变化具有很强的模拟能力,而对降水偏少的干旱年份,模式模拟的河道流量通常会高于观测实况,与实况间存在着一定的偏差,而这也是导致CLHMS对流域水文过程模拟能力存在显著年代际差异的主要原因。基于三组不同降水强迫的流域水文过程模拟结果比较表明,降水驱动资料准确与否是陆面水文模拟最主要的不确定性来源之一,正是由于CFSR再分析降水与观测降水之间存在较大的差异,从而导致CFSR降水驱动下模式模拟的淮河流域河道流量与观测存在较大的偏差,其模拟性能相对较差。进一步分析还表明,可以保持较强降水日变化的时间解集方法,也是保证合理模拟流域水文过程的重要因素。     

Impacts of climate variability and human activities on decrease in streamflow in the Qinhe River,China

Under the impacts of climate variability and human activities, there are statistically significant decreasing trends for streamflow in the Yellow River basin, China. Therefore, it is crucial to separate the impacts of climate variability and human activities on streamflow decrease for better water resources planning and management. In this study, the Qinhe River basin (QRB), a typical sub-basin in the middle reach of the Yellow River, was chosen as the study area to assess the impacts of climate variability and human activities on streamflow decrease. The trend and breakpoint of observed annual streamflow from 1956 to 2010 were identified by the nonparametric Mann–Kendall test. The results showed that the observed annual streamflow decreased significantly (P?<?0.05) and a breakpoint around 1973 was detected. Therefore, the time series was divided into two periods: “natural period” (before the breakpoint) and “impacted period” (after the breakpoint). The observed annual streamflow decreased by 68.1 mm from 102.3 to 34.2 mm in the two periods. The climate elasticity method and hydrological model were employed to separate the impacts of climate variability and human activities on streamflow decrease. The results indicated that climate variability was responsible for 54.1 % of the streamflow decrease estimated by the climate elasticity method and 59.3 % estimated by the hydrological modeling method. Therefore, the climate variability was the main driving factor for streamflow decrease in the QRB. Among these driving factors of natural and anthropogenic, decrease in precipitation and increase in water diversion were the two major contributions of streamflow reduction. The finding in this study can serve as a reference for regional water resources management and planning.     

多区域气候模式集合对中国径流深的模拟评估和未来变化预估

对5组区域气候模式集合模拟的中国径流深进行评估,并且预估了温室气体高排放情景RCP8.5下的未来变化。结果表明：多区域气候模式集合结果能够基本模拟出径流深的观测特征,对年径流深的空间分布特征模拟较好,但量值存在一定的系统偏差,特别是黄河中游、海河和松辽河存在明显的正偏差,且对全国9个流域片中东南、西南和西北诸河的年内分配总体模拟效果相对较差。未来到21世纪末,全国平均年径流深在各个时段都以增加为主,增加幅度多在5%以内。未来变化存在明显的空间差异,大致表现为“北增南减”的分布特征,但不会改变中国水资源南多北少的空间格局;其中,黄河、西南和西北诸河流域片呈显著的增加趋势,淮河、长江和东南诸河流域片呈现显著的减少趋势,海河、松辽和珠江流域的变化趋势不显著。21世纪末期各地的变化多在±30%以内,且多模式预估的正负变化一致性较高。到21世纪末期,各流域片平均的径流深季节分配总体特征没有明显变化,径流深的最大月份基本维持不变,分配比例的数值有±2%以内的变化,且各季节的增减变化存在明显流域间差异。     

辐射参数化方案对气候模拟和回报的影响

研究两种不同辐射参数化方案(Morcrette 方案和Ritter方案)对一个大气环流模式及其与一个海洋环流模式的耦合模式的模拟和回报效果的影响. 大气模式的模拟结果表明,采用Morcrette方案模拟的降水较采用Ritter方案有明显改进.采用Morcrette辐射方案的大气模式对夏季500 hPa高度场的模拟比采用Ritter方案的大气模式有明显改进,但对冬季500 hPa高度场的模拟没有改进.大气-海洋耦合模式的20年夏季回报结果表明采用Morcrette方案回报的夏季降水在华北和江淮地区明显比采用Ritter辐射方案好;对于夏季温度,带有Morcrette方案的耦合模式的回报在江淮地区没有带有Ritter方案的耦合模式好,但在黄河以北和新疆等地区,前者明显好于后者.     

Spatial and Temporal Variability of Water Availability in the Yellow River Basin

The changes in hydrological processes in the Yellow River basin were simulated by using the Community Land Model(CLM,version 3.5),driven by historical climate data observed from 1951 to 2008.A comparison of modeled soil moisture and runoff with limited observations in the basin suggests a general drying trend in simulated soil moisture,runoff,and precipitation-evaporation balance(P-E) in most areas of the Yellow River basin during the observation period.Furthermore,annual soil moisture,runoff,and P-E averaged over the entire basin have declined by 3.3%,82.2%,and 32.1%,respectively.Significant drying trends in soil moisture appear in the upper and middle reaches of the basin,whereas a significant trend in declining surface runoff and P-E occurred in the middle reaches and the southeastern part of the upper reaches.The overall decreasing water availability is characterized by large spatial and temporal variability.     

哈萨克斯坦北部伊希姆河径流对气候变化和人类活动的响应

基于1933-2016年哈萨克斯坦北部伊希姆河彼得罗巴甫洛斯克水文站流量观测数据以及流域内格点气象数据，利用线性趋势法、Mann-Kendall检验、相关普查法和累积量斜率变化率比较法等方法，探讨了气候变化背景下伊希姆河流量变化及其主要驱动因子。结果显示:（1）伊希姆河流域近84年来气温和降水呈上升趋势，且在20世纪70年代后增加趋势更为明显。（2）伊希姆河流量年内分布不均，年际流量变化总体呈下降趋势，但趋势不明显。（3）伊希姆河流量受流域内降水和气温共同影响，其中降水与流量相关性最大，且降水的变化对流量补给具有滞后性，6-9月气温对同时期流量影响较大。（4）T1时段（1969-1996年）和T2时段（1997-2016年）与T时段（1933-1968年）相比，气候变化对流量减少的贡献率分别为16.09%和44.83%，而人类活动对流量减少的贡献率为83.91%和55.17%。流域内水资源的开发及利用、人口数量和土地利用方式的变化等人类活动因素在很大程度上影响了伊希姆河流量。     

基于MTM-SVD方法的黄河流域夏季降水年际变化及其主要影响因子分析

应用中国气象台站积雪日数资料和NCEP/NCAR再分析资料以及多锥度—奇异值分解方法 (MTM-SVD),分析了近50年来黄河流域夏季降水的时空变化及其影响因子.发现黄河流域夏季降水存在显著的2～3年周期.在准3年周期上黄河流域夏季降水对前冬青藏高原东部积雪日数有很好的响应,当前冬高原积雪日数以正 (负) 异常为主时,接下来的夏季黄河流域降水偏少 (多).这种响应存在年代际变化,在1983年之前最为明显,1983~1993年是个调整时期,1993年以后又开始明显.在准2年周期上黄河流域夏季降水对前冬西太平洋暖池SST有很好的响应,当前冬西太平洋暖池SST偏高 (低) 时,接下来的夏季黄河流域降水表现为东多 (少)西少 (多) 型.这一响应同样存在年代际变化.前冬高原积雪和西太平洋暖池SST是影响黄河流域夏季降水的重要因子.     

作物生长对流域水文过程与区域气候的影响

利用区域气候模式RegCM3以及考虑作物生长过程的耦合模式RegCM3_CERES对东亚区域进行20年模拟,研究作物生长对流域水文过程与区域气候的影响。结果表明：考虑作物生长过程的耦合模式模拟海河流域、松花江流域、珠江流域多年平均降水效果明显改进,在除黑河流域外的各流域模拟的温度负偏差有所减小,其中在海河流域、淮河流域的夏季改进尤为明显。各流域夏季（6、7、8月）月蒸散量最高,其中长江流域、海河流域、淮河流域、珠江流域的夏季月蒸散量基本上在100 mm左右,并且七大流域蒸散发的季节变化趋势跟总降水基本一致。多数流域考虑作物生长过程的耦合模式模拟得出蒸散发减少且进入的水汽增加,导致局地水循环率减小;黑河流域与黄河流域降水有所增加,其他流域均有不同程度的减小。针对长江流域,比较耦合模式RegCM3_CERES与模式RegCM3模拟结果显示,叶面积指数减少1.20 m²/m²,根区土壤湿度增加0.01 m³/m³,进而导致潜热通量下降1.34 W/m²（其中在四川盆地地区减少16.00 W/m²左右）,感热通量增加2.04 W/m²,从而影响到降水和气温。     

基于HBV模型的太子河流域致洪临界雨量的确定

以太子河流域为研究区域,基于流域内的气象水文数据、数字高程模型及土地利用等资料,采用HBV水文模型对流域的水文过程进行模拟,通过对模型参数的率定与验证,评估了HBV模型在该流域径流模拟的适用性,确定了适合太子河流域的最优化参数,结合水位-流量关系曲线,推算太子河流域不同等级洪水致洪临界雨量。结果表明: HBV模型对太子河流域的径流模拟效果较好,率定期与验证期Nash效率系数与确定性系数均超过0.60,模型中积雪和融雪模块(CFR)、土壤含水量计算模块(BETA)与响应模块(KUZ2、UZ1、PERC)中的这些参数最为敏感,模型基本模拟出了洪水对降水的响应过程。通过建立的HBV水文模型,结合小林子水文站的水位-流量关系曲线,以警戒水位、保证水位作为不同等级洪水的判别条件,推算得到了不同起始水位下太子河流域动态临界雨量指标,临界雨量随起始水位的升高而有所减小。     

Atmospheric moisture budget and floods in the Yangtze River basin, China

In this paper, we explored the trends of the atmospheric moisture budget, precipitation, and streamflow in summer during 1961 to 2005 and possible correlations between them by using the linear regression method in the Yangtze River basin, China. The results indicate that: (1) increasing tendencies can be detected in the atmospheric moisture budget, precipitation and streamflow in the Yangtze River basin; however, the significant increasing trends occur only in the atmospheric moisture budget and precipitation in the middle and lower Yangtze River basin; (2) both the ratio of summer moisture budget to annual moisture budget and the ratio of summer precipitation to annual precipitation exhibit a significant increasing trend in the Yangtze River basin. The ratio of summer streamflow to annual streamflow is in a significant increasing trend in Hankou station. Significant increasing summer precipitation can be taken as the major controlling factor responsible for the higher probability of flood hazard occurrences in the Yangtze River basin. The consecutively increasing summer precipitation is largely due to the consistently increasing moisture budget; (3) the zonal geopotential height anomaly between 1991 and 2005 and 1961 and 1990 is higher from the south to the north, which to a large degree, limits the northward propagation of the summer monsoon to north China. As a result, the summer moisture budget increases in the middle and lower Yangtze River basin, which leads to more summer precipitation. This paper sheds light on the changing properties of precipitation and streamflow and possible underlying causes, which will be greatly helpful for better understanding of the changes of precipitation and streamflow in the Yangtze River basin.     

2007年夏季淮河流域洪涝与亚洲地区大气低频振荡的关系

利用NCEP/NCAR再分析资料和我国地面观测站的逐日降水资料, 研究了2007年夏季淮河流域洪涝与亚洲地区大气低频振荡的联系, 通过分析研究表明: 2007年夏季淮河流域降水低频振荡的主要周期是30～70天, 该低频序列的方差大约占了总方差的47%; 在降水低频振荡的位相5～8 (1～4), 亚洲季风区从阿拉伯海北部经孟加拉湾到我国南海地区, 以及我国淮河流域经渤海到日本地区主要受低频热源 (热汇) 的控制; 并且在极大降水位相7, 我国东部地区 (10°N～45°N, 110°E～120°E), 从北到南, 〈Q1〉低频分量的分布呈负正相间的低频热汇、 热源、 热汇、 热源形式(位相3则呈相反的分布形式); 在位相5～8 (1～4), 亚洲季风区〈Q1〉低频分量的分布有利于 (不利于) 气流向淮河流域汇合并形成辐合上升; 受低频环流变化的影响, 在位相5～8, 大量的水汽被输送到淮河流域, 辐合上升形成降水; 相反, 在位相1～4, 来自西太平洋上的水汽在该地区辐散, 不利于降水的发生。     

淮河流域夏季极端降水频次空间分布的客观分类及其形成机理

本文基于1961～2016年淮河流域四省（江苏、安徽、河南、山东）逐日降水观测资料及全球大气再分析资料,利用K均值聚类、旋转经验正交函数分解对淮河流域夏季极端降水频次分布进行了客观分类,利用统计诊断和数值模拟的手段讨论了其相关环流异常和形成机理。结果表明:（1）淮河流域夏季极端降水频次的空间分布可客观分为以极端降水主要发生在淮河流域33°N以南地区的南部型,主要发生在32°～36°N之间的中部型,和主要发生在34°N以北的北部型这三种分布类型;（2）南部型极端降水频次分布与西北太平洋副热带高压异常偏西偏南有关,西北太平洋异常反气旋北侧的异常气旋性环流使得水汽输送停留在淮河流域南部,导致南部极端降水频次偏多。中部型对应淮河流域受鞍型场环流结构控制,导致中部极端降水频次偏多。北部型极端降水频次分布时,淮河流域处于反气旋性环流异常西南侧,偏南风将水汽输送至淮河流域北部,导致北部极端降水频次偏多;（3）南部型和北部型的极端降水频次分布相关环流异常分别受厄尔尼诺和拉尼娜相关海表温度异常所影响,而中部型极端降水频次分布的相关环流异常是巴伦支海/喀拉海海冰异常在欧亚大陆上空激发的自西北向东南传播的准定常罗斯贝波所导致的。     

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。