气候变化对秦岭北坡径流过程的影响机制研究——以灞河流域为例

综合运用距平分析、连续小波变换(CWT)、交叉小波变换(XWT)、小波相干(WTC)和时滞相关性分析等方法对秦岭北坡灞河流域径流与六大气象因子进行了多尺度分析。结果表明:水文气象因子在不同时频域中存在1~4个显著性周期,且都能通过95%置信水平检验;太阳黑子数8~11.4 a的显著性周期对同时间尺度年均SOI和年均MEI的连续小波能量谱具有明显的影响;交叉小波变换和小波相干分析相结合的方法在识别水文和气象要素的共振周期、相位角变化、丰枯阶段转换、时滞性、相关性、突变与显著性检验等方面具有独特的优势;同期降水是灞河流域径流形成和变化的控制性因素,年均太阳黑子数的影响作用微乎其微,月均流量滞后月均AOI 0个月或8~9个月时的相关系数绝对值达到最大,滞后月均SOI 2个月或7~8个月达到最大,滞后月均MEI 6~8个月达到最大。     

基于小波分析的地下水水位与降水的周期性特征研究

选取北京西山地区2000-2010年6个第四系承压水长观孔逐月观测水位及气象站降水数据,运用连续小波变换方法,对降水量和地下水水位的多时间尺度变化特征进行分析,并采用交叉小波变换探讨了二者关系。结果表明:1)北京西山地区降水具有9~16个月的主振荡周期,持续时间较长,不同季节的多周期特征明显;2)承压水水位存在12个月左右的振荡周期,但持续时间较短,且各观测孔水位周期性特征差异较大;3)交叉小波变换结果表明该地区降水量和承压水水位具有显著的共振关系,地下水水位峰值出现时间一般滞后降水峰值约5~7个月。     

塔里木河流域径流量周期特征及其影响因素

采用交叉小波变换与小波相干方法分析了塔里木河流域近40 a来年径流量、年降水量和年平均温度的周期特征,结果表明:塔河流域年径流量、年降水量和年均温度存在2.0~6.0 a左右的显著周期变化,除卡群站年径流量周期变化不显著,其余水文站的年径流量周期强烈震荡主要分布于20世纪60年代中后期至70年代以及90年代以后;各站年降水量的显著周期主要分布于20世纪80年代以后;年均气温显著周期主要分布于20世纪60年代中后期至70年代。同古孜洛克和卡群的径流量显著周期变化主要受和田和莎车降水量的影响;沙里桂兰克1965~1968的径流量显著周期主要是阿合齐气温周期显著变化引起的,20世纪90年代以后阿合齐降水量成为影响径流量周期变化的主要因素;大山口的年径流量周期变化受降水量和气温的共同影响。阿拉尔径流量的周期变化在20世纪70年代主要受源流降水量显著周期变化。由于人口和耕地面积的迅速增加,源流区用水量增加,20世纪90年代以后降水量的周期变化没有引起阿拉尔径流量的周期变化。     

小波变换在相对海平面变化研究中的应用

根据广东沿岸14个验潮站的月均序列,应用小波分析方法将其进行时域-频域分解,分析了近40多年来月平均潮位序列的多层次尺度结构,进而研究相对海平面的周期变化和趋势变化。结果表明,用小波变换研究相对海平面在时域-频域中的周期分布及变化时,能较好地揭示周期变化的局部特征;广东沿岸相对海平面变化包含着0.5年、1年、2~4年、10~11年及18~20年左右等周期变化,且周期变化在时间域中具有明显的局部化特征;据实测资料计算,周期变化对海平面的趋势变化影响明显,未消除周期变化的趋势分析结果偏大,用小波变换有效地消除周期变化后得出粤西及珠江口地区沿岸相对海平面变化率,一般而言,广东沿岸海平面呈上升趋势,上升幅度约为0.36~1.2 mm/a。     

1933~2012年无定河径流突变与周期特征诊断

选取黄河中游区实施水土保持最早的一级支流无定河流域,利用滑动-T、曼-肯德尔和山本等3种突变检测方法相互验证,确定了在受人类活动显著影响下,径流的突变年份为1972年,自此径流平均减少3.55×10⁸m³;基于径流突变前降水与径流的显著相关性,并借助地统计克里格空间插值法,重建1933~2012年无定河流域出口控制水位站天然径流变化序列。采用小波分析法诊断天然径流序列的周期变化,结果显示：天然年径流存在6个不同时间尺度的“丰-枯”演变特征,其平均周期分别对应着35.5、22.2、16.8、12.2、9.3和3.3 a。     

黑河出山径流过程与气象要素多尺度交叉小波分析

运用交叉小波对黑河上游野牛沟气象站1959-2010年和祁连气象站1957-2010年年降水(AP)与年均气温(AAT)、北极涛动指数(AOI)和莺落峡站(1944-2010年)的年均径流量(AAR)进行了多尺度分析。结果表明:AOI存在3~5 a尺度的显著周期,AAT存在3 a尺度的显著周期,AP存在3 a和4~6 a尺度的显著周期,AAR存在3 a、2.5~4 a和5 a比较显著的周期;黑河上游径流的增加主要是受"暖湿"气候影响;AAR与AOI、AAT呈现出3 a的负相关和3~4 a的近似负相关共振周期,AAR与AP存在2~7 a的显著性的共振周期,降水对径流的影响很大,为径流的主要补给来源;受AOI的影响,AAR在1987年发生3 a周期的"丰-枯"转换,受AAT的影响,AAR在1974年和1996年发生3 a周期的"丰-枯"转换,受AP的影响,AAR在1986年发生3 a周期的"丰-枯"转换。降水和气温是影响径流变化的主导因素。     

西江流域径流与气象要素多时间尺度关联性研究

使用水文统计和交叉小波方法对西江流域1961~2005年径流变化特征及其与气象要素的多时间尺度的关联性进行分析。结果表明,径流量总体呈现减少的变化趋势,可能是人类活动引起流域内蒸发和入渗增加,使径流对降水的响应减弱造成的,径流丰枯变化基本与降水的波动相一致。气温对径流的显著作用主要集中在1990~2000年3~5 a周期上,径流对气温变化的响应时间为6~12个月;降水与径流在大部分时频域中呈同相相位变化,其相互作用主要集中在1992~2003年3~4 a和1980~2000年11~12 a周期上;大气环流变化对径流的影响主要集中在1965~1975年2~3 a及1993~2000年3~5 a周期上,对径流的影响可能是通过对区域降水影响实现的,径流对前一次环流变异响应时间为6~12个月,对后一次响应时间较快,时间的差异可能是下垫面的改变引起流域产汇流机制变化造成的。     

塔里木河干流径流量变化与太阳黑子活动的关系

本文运用Morlet 小波分析方法, 分析了1957-2011 年塔里木河干流年径流量与太阳黑子相对数的关系。结果表明, 55 年间塔里木河干流年径流量和太阳黑子相对数都呈减小的趋势。塔里木河干流年径流量变化存在4 a、8 a、18 a、21 a 左右的主周期。在8~9 a 和18~21 a 尺度上年径流量序列与太阳黑子相对数序列具有相近的主周期。年径流量变化所表现的4 年主周期与太阳黑子活动关系不大;18~21 a 主周期特征应主要受太阳黑子活动的影响;8 a 主周期也与太阳黑子活动显著相关, 但由于受到人类活动的强烈干扰, 致使在20 世纪80 年代以后两者关系被扰乱。预测2012-2020 年间塔里木河干流将处于枯水期, 年径流量的平均值约为35×10⁸~40×10⁸ m³。     

1960~2005年西北地区低云量的时空变化及成因分析

基于西北地区177个站点1960~2005年逐日的低云量观测资料,运用地统计学、交叉小波分析和多元回归分析,分析了近46 a来西北地区低云量的时空变化特征及影响因素。结果表明：近46 a来西北地区低云量呈较显著上升趋势,1997年之后上升显著。低云量空间呈自东南向西北递减的趋势。低云量与降水、相对湿度等呈显著的正相关,与昼夜温差、日照时数等呈显著的负相关。低云量存在2~4 a、准6 a、准11 a的周期变化,与宇宙射线在1982~1993年存在5~8 a的共振周期,与NOI指数存在2~4 a、准5 a、准11 a的共振周期,和太阳黑子的共振周期为9~11 a。     

雅鲁藏布江流域径流特性变化分析

本文采用Morlet小波对1956~2000年雅鲁藏布江流域6个站点的径流序列进行了分析,揭示了不同时间尺度下四个季节以及年平均径流量的丰枯交替特性、突变性和周期性,通过小波方差确定各序列存在的主要周期。结果表明:在15年时间尺度上,雅江流域四个季节的径流变化趋势基本一致;发生突变的年份主要在1957、1967、1976、1983、1992年;径流序列第一主周期主要以15年长周期和2年短周期为主,第二主周期以15、6、2~3年的长、中、短周期为主;秋季和冬季径流序列的周期空间分布基本一致,年平均径流序列的周期分布与夏季最为接近;除拉萨河子流域春季在2~3年尺度上处于枯水期外,其他子流域其他时段在任何时间尺度上未来几年里都将处于丰水期。     

52 a来秦岭南北径流变化对比及影响因素

运用集中期、M-K突变检验法、径流系数等数理统计方法,基于1960-2011年马渡王与南宽坪径流数据及气象数据,对比分析灞河与金钱河流域径流变化特征,揭示秦岭南北气候变化差异得出：（1）52 a来灞河与金钱河年均径流深变化趋势相似,金钱河年径流深的变异程度大于灞河;（2）灞河与金钱河流域径流与降水在年内分配上存在滞后效应,秦岭南北从流域降水开始经过停蓄、漫流、河槽集流,然后汇流至金钱河河道大概需要20 d 左右的时间;（3）秦岭南北气候因子突变的时间点具有一致性,均发生在1990年左右,该突变可能是由于大尺度的气候变化导致局部地区自然环境变化引起的;（4）径流变化的下降趋势是降水、气温、植被变化和人类活动综合作用的结果。20世纪90年代末的径流突变主要原因是气候变化引起的,人类活动对其影响十分微小,因此,某些明显的突变现象是由于大的气候变化引起的,人类活动的影响是一个长期的过程,所以对自然资源应采取开发与治理同时进行。     

阿克苏河径流变化与北大西洋涛动的关系

使用小波、交叉小波多尺度分析、相关和突变检验以及线性趋势等方法研究了阿克苏河天然径流与北大西洋涛动的关系。结论如下：（1）对NAO与阿克苏河径流的年代际变化、周期、相关等分析表明两者关系密切;（2）交叉小波谱表明：阿克苏河径流与NAO在年、冬季和夏季各周期尺度上的20世纪90年代相关性高,相关显著区多集中在90年代;（3）阿克苏河径流与NAO年代趋势强弱变化具有一致性;（4）NAO突变影响阿克苏河径流突变;（5）NAO通过大气环流变化来影响阿克苏河流域温度和降水,进而影响其径流。     

中国干旱内陆河出山径流对流域气象要素与全球气象指数的响应特征研究

干旱内陆河出山径流及其影响因素分析对于流域水资源评价、流域经济生态安全保障具有重要意义。基于1960-2012年塔里木河流域"三源流"与黑河流域的出山径流、降水、气温资料及4个全球气象指数监测数据,采用小波分析方法研究了各水文气象要素的周期特征,以及流域出山径流对气象要素与气象指数的响应特征。结果表明：（1）各水文气象因子多具有1~2个显著周期,周期多在2~7 a尺度范围内。（2）叶尔羌河、黑河出山径流与流域降水分别在6~17 a、2~16 a周期上关系显著。各出山径流与流域降水、气温的多尺度共振周期性差异,反映了各径流来源构成及其与气象要素年际动态方面的差异。（3）各流域出山径流对气象指数的响应特征不同,这在显著时频域以及径流响应时滞等方面均有表现。此研究可为气候变化条件下干旱内陆河流域生态-水文过程响应及水资源管理提供依据。     

湖南月蒸发量的时空变化特征及其与月平均气温的相关性

运用经验正交函数（EOF）和交叉小波变换法,分析了湖南省1981―2013 年月蒸发量的时空分布特征及其与月平均气温之间的非线性交互关系。月蒸发量的EOF 分解表明：前3 个空间模态的累计贡献率达77.9%。其中EOF1（63.4%）揭示了湖南省月蒸发量最主要的时空分布特征呈东西反向型,体现出月蒸发量与高程之间存在一定的负相关性;EOF2（8.5%）具有正负位相频繁交替的时间系数,反映了更为复杂的时空变化特征;EOF3（6.0%）的值自西北向东南呈“＋、-、＋”分布。然后,分别选用洪江、桑植和新晃站作为3 个空间模态的代表站点,并计算出各站点的月蒸发量与月平均气温之间的交叉小波谱和小波一致性,结果表明：两者之间的相关性在8~16个月的时间尺度下最强,且其相位角均为0°,说明气温对蒸发量的影响在该时间尺度下最为显著且不存在时滞效应,但在＜8 个月和＞16 个月的时间尺度下,强相关性的出现频率和分布以及相位角的方向沿时间轴均呈现出较大的差异性。     

近54年来辽西北地区降水与太阳黑子关系研究

根据1960~2013年辽西北地区50个雨量站逐日降水量数据和同期太阳黑子相对数数据,利用Mann-Kendall检验法对辽西北地区近54 a来的降水量变化趋势进行分析,采用Morlet小波分析技术分析了研究区降水量和太阳黑子的变化周期,并计算了相应的小波系数。结果表明：辽西北地区降水量年际变化表现为微弱的下降趋势,突变点在1996~1997年之间,突变前后降水趋势由升转降。太阳黑子与降水距平值的负相关关系显著,且存在5 a的滞后性,对降水周期影响较小,与降水量相关关系复杂。     

1960―2013 年华南沿海海洋站SST 变化及其影响因子

根据 1960―2013 年华南沿海 7 个海洋站的实测海表温度（SST）及全球平均表面温度、太平洋年代际涛动（PDO）、ENSO、南海高压、华南沿海近海面风速等资料,采用线性回归、Yamamoto 突变检验、小波分析、相关分析等方法,研究了近 54 a 华南沿海 SST 时空变化及其影响因子,结果表明：1）近 54 a 华南沿海的年平均 SST呈准同步变化和显著增暖趋势,其气候倾向率为 0.08~0.17℃/10 a,平均为 0.12℃/10 a,以冬季增暖最为显著;2）SST 变化在 1997/1998 年出现突变现象;3）SST 变化有多时空尺度的变化特征,其中最显著的变化周期是 2~4 a的年际变化;4）SST 变化深受 ENSO 事件的影响,约滞后于 MEI 指数 2~4 个月;5）影响 SST 变化趋势的主要因子有全球气候变暖、PDO、南海高压、华南沿海近海面层风速等。     

黑河流域气象要素与全球性大气环流特征量的多尺度遥相关分析

黑河流域生态-水文过程集成研究是我国近年来干旱半干旱地区的研究热点,气候变化条件下流域生态-水文过程的响应机制是其中一个重要科学问题。基于1956-2015 年黑河流域气温、湿度、降水观测数据及多个大气环流特征量监测资料,采用小波分析方法研究了流域气象要素与大气环流特征量的周期性及遥相关。结果表明：（1）流域气温与大气环流特征量的遥相关关系最为明显,湿度、降水次之。（2）气温与Niño3.4 SSTA、SOI 的显著遥相关共同周期为12～16 a,与NAO、AO为9～11 a,与WP遥相关周期为5～9 a,与PDO为8～15 a。（3）湿度与NAO遥相关周期为4～5 a,与POL为3～6 a,与WP为9～15 a,与PNA为2～8 a。（4）降水与Niño3.4 SSTA遥相关周期为9～15 a,与NAO为2～4 a,与AO为3～7 a,与POL为11～19 a,与WP为9～14 a。（5）上述各遥相关周期的地域分布、显著时段与时滞特征各有差异。本文研究有助于加深流域气象要素对环流特征量响应机制的认识,为我国干旱半干旱地区内陆河流域严峻的水-生态问题的解决及水资源管理提供依据。