基于集合经验模态分解北疆降水多尺度变化特征

降水是中国西北干旱区水资源的重要组成部分,利用合理方法有效认识降水的区域变化规律对指导农业发展尤为重要。基于北疆42个气象站1961—2012年降水序列数据,从气候时间序列中提取气候信号中各个尺度的变化,对北疆过去52a来的降水进行多尺度分析,并对其空间差异进行了初步探讨。结果表明:过去52a北疆降水量存在明显的年际和年代尺度的变化,年际尺度的周期为5a和8a,年代尺度的周期为10a和30a。变化趋势上,降水量1985s之前呈减少趋势,在1985s之后呈增加趋势,且后期的增幅大于前期的减幅。突变分析表明北疆年降水量呈增加趋势。集合经验模态分解(EEMD)是一种适用于非线性、非平稳序列的信号分析方法,将EEMD应用于气候要素时间序列,可提取可靠真实的气候变化信号,同时,EEMD可以得到气候变化的固有时间尺度。     

丹江流域气候因子变化分析

利用1970—2015年丹江流域气候因子数据,采用小波分析和Mann-Kendall突变检验法,研究了丹江流域气候因子多时间尺度的周期性变化规律。小波分析结果显示,在大尺度上(23~32 a)气温的年际和季节变化规律一致,但在小尺度上(8~22、3~7 a)变化周期差异明显,且随着时间尺度的缩小,周期变化越来越频繁;降水量的年际和季节变化在不同时间尺度上呈现出不同的规律性,这种规律在大尺度上(22~31 a)相对稳定,在小尺度上(12~21、3~11 a)干湿交替频率增大、时间间隔缩小。Mann-Kendall突变检验表明,丹江流域年平均气温变化总体呈上升趋势,且在1985年增温突变,冬季气温对全年增幅贡献最大,也是年平均气温在1985年后突变增温的主要原因;年平均降水量的增加中夏季的贡献值较大,但其不稳定的变化趋势也是导致年平均降水量变频较大的主要原因;年平均日照时数的减少与年平均降水量的增加有关。     

淮河上游径流演变规律及其对气候驱动因子的响应

[目的]研究淮河上游径流的变化趋势及其对气候驱动因子的响应,为防洪防汛,水资源的合理规划管理及区域社会经济可持续发展提供决策依据。[方法]基于1975—2014年淮河上游的年平均流量、降水、蒸发数据,使用时序分析、交叉小波分析法和弹性系数法,分析河川流量和气候要素的变化趋势及周期性特征,探讨淮河上游径流对气候驱动因子的响应状况。[结果](1)淮河流域上游河段流量、降水量呈不同程度的减少趋势,递减率分别为3.8m3/(s·10a)和26.3mm/10a,而潜在蒸散发量的变化趋势不明显。(2)淮河流域上游流量的周期变化主要是6~12a的年际变化,年降水量在2a左右的年际变化周期与年潜在蒸散发量的基本一致。年流量和年降水量、潜在蒸散发量的显著相关区域均主要分布于20世纪90年代以后。(3)通过定量估算气候因子对流量影响,发现年降水和年潜在蒸散发对流量的弹性系数εP和εEo分别为2.30和-0.47。年流量与降水量关系密切,而与潜在蒸散发的关系不大,未来降水的变化是影响水资源变化的主要因素。[结论]在气候变化、流域下垫面和人类活动的综合影响下,河川径流的年内分配均匀度发生着相应变化。     

基于小波分析和灰色预测的莺落峡年径流量特征分析

[目的]研究黑河莺落峡年径流量的变化规律及周期特征,为水量调配和水资源管理提供理论基础与科学依据。[方法]基于黑河莺落峡水文站1944—2014年径流量实测资料,采用Morlet小波分析、Mann-Kendall突变和灰色预测等方法分析了莺落峡流域径流变化趋势及其变化特征。[结果]莺落峡年径流量呈现微弱的增加趋势,年径流量距平百分率的倾向率为2.78%/10a。在莺落峡流域径流小波方差分析图中,有4个较为明显的峰值,它们依次对应的时间尺度为43,56,12和9a。43a时间尺度对应的最大峰是莺落峡流域年径流变化的第一主周期。根据年径流主周期的循环交替特征推测,在2020年左右莺落峡流域处于丰水时期,年径流量预测为1.843×109 m3。[结论]莺落峡年径流量周期变化特征明显,径流量呈增加趋势。     

基于Budyko假设的沂河流域径流变化归因识别

气候变化和人类活动是导致径流变化的主要原因,因此计算气候变化和人类活动对沂河流域径流变化的贡献率可为缓解沂河流域水资源紧张提供一定的参考依据。以山东省沂河流域为研究对象,基于1960—2016年的气温、风速、降水和流量等水文气象数据,首先采用Mann-Kendall、有序聚类分析法和累积平距法分析降水量及径流量的变化趋势及突变点,最后采用Budyko水热耦合平衡方程,定量计算了气候变化和人类活动对径流变化的贡献率。结果表明：1960—2016年沂河流域年径流深呈现显著减小趋势,且在1975年和2003年发生突变,因此将径流序列分为1960—1975年(基准期),1976—2003年(变化期Ⅰ)和2004—2016年(变化期Ⅱ)3个阶段。基于Budyko水热耦合平衡方程计算变化期Ⅰ和变化期Ⅱ中降水、潜在蒸散发和下垫面对径流变化的贡献率,发现导致沂河流域变化期Ⅰ径流减少的主要原因是下垫面条件和降水的改变,贡献率分别为51.42%,49.43%,潜在蒸散发的减少导致径流增加,贡献率为-0.85%;导致变化期Ⅱ径流减少的最主要原因是下垫面条件的改变,占73.11%,其次是降水,贡献率为42.5...     

海南省东方市60年来降雨量及降雨侵蚀力变化趋势

[目的]分析海南省东方市降雨量、侵蚀性降雨量及降雨侵蚀力在不同时间尺度上的趋势变化及其相关性,为该区生态环境建设、水土流失治理及土壤侵蚀机理研究提供科学支持。[方法]根据该地区1956-2015年60a的逐日降雨量数据资料,采用变异系数、趋势系数和气候趋势率分析不同时间尺度的降雨、侵蚀性降雨和降雨侵蚀力的变化趋势。[结果](1)东方市1956—2015年60a来年均降雨量、年均侵蚀性降雨量、年均降雨侵蚀力分别为982.9±36.9mm,816.1±37.6mm和9 441.7±554.2 MJ·mm/(hm~2·h·a),变异系数分别为29.1%,35.7%,45.5%。(2)60a来降雨量、侵蚀性降雨量及降雨侵蚀力年际变化均呈一定的增加趋势,趋势系数分别为0.129,0.156,0.198。季、月尺度上变化差异较大,但总体变化格局相似,均呈单峰型分布。(3)降雨量、侵蚀性降雨量及降雨侵蚀力两两之间有极强的线性相关性,且乘幂方程较线性回归方程能更好的反映两两之间的关系。[结论]60a来降雨量、侵蚀性降雨量、降雨侵蚀力均呈现较明显的年际增加趋势,且两两之间呈幂函数关系。     

1960-2017年珠江流域下游径流年际与年内变化特征

[目的]分析1960—2017年珠江三角洲顶点径流年际、年内变化,为合理利用流域水资源提供参考。[方法]年际变化运用径流年际变差系数(C_v)、M-K趋势分析、Morlet小波分析等方法分析,年内变化运用集中度(期)、径流等值线法等方法分析。[结果]珠江三角洲顶点主要水文站径流年际变率较小。1960年以来研究区主要水文站径流量总体并未发生显著变化;径流量距平百分率K_i显示西、东江流域旱涝灾害发生较均匀且发生率较低,北江流域易发生洪涝灾害;珠江流域西、北、东江径流基本存在25～32,10～20,4～10 a的周期变化。珠江流域径流年内分配极不均匀,年径流集中度(RCD_(year))北江和东江略低于西江,近年来集中度都有减小趋势。北江最大径流最早出现,在5,6月份交替,东江最大径流在6,7月份交替,西江最大径流主要出现在7月份。[结论]珠江流域下游地区近60 a径流量并未发生明显的下降或上升趋势,但径流年际与年内变化仍十分明显,变化的主要原因为流域水库修建等剧烈的人类活动。     

近50年来甘肃省河西中部地区径流变化特征及驱动因素

[目的]对近50a来甘肃省河西中部地区径流变化特征及驱动因素进行分析,为该地区生态建设和社会经济的可持续发展提供科学依据。[方法]应用研究区径流数据,以年际极值比和变差系数反映径流的年际变化特征,运用数理统计方法开展研究。[结果](1)研究区年内径流呈单峰型,夏季所占比例最高,冬季最低;该区径流以降水量补给为主。(2)年均径流近年来呈减少趋势,丰枯变化较小,但与其海拔呈正相关;从西至东由减少趋势逐渐减弱至增加趋势明显。(3)年均径流突变性特征一致性较差,年际变化具有多尺度循环振荡周期,主要存在8和24a明显准周期,其中8a波动最强,其径流先后经历了"多—少—多—少……"13次循环交替,2010年之后径流再次减少,可能持续到2018年。(4)气温升高和降水量增加对该区径流变化产生影响,而人类活动对其影响微弱。[结论]研究区径流以降水补给为主,近50a其丰枯变化较小,从东到西由增加趋势转变为减少趋势,突变性特征一致性较差,具有8a显著周期,气温和降水主导径流变化。     

城市化条件下的秦淮河流域径流多时间尺度变化特征及影响因素

[目的]探究城市化条件下的秦淮河流域径流多时间尺度变化特征及其内在联系,为定量分析气候变化和人类活动对流域水文循环演变研究提供科学依据。[方法]以秦淮河流域为研究区,基于1986—2015年水文气象资料和不透水面数据,采用Mann-Kendall趋势检验和Pettitt突变检验方法,分析秦淮河流域多时间尺度降雨和径流的变化特征,并通过建立广义可加模型GAMLSS,分析降雨和流域不透水面变化对不同时间尺度径流变化的影响。[结果](1)秦淮河流域不透水面在30 a间扩展迅速,从1988年的3.09%扩展至2015年的24.01%,增长了近8倍。(2)不同时间尺度下径流序列变化特征不同,其中年径流序列增加趋势显著,并在2001年发生突变。(3)不透水面对小洪水的影响较大。对于相同的时间尺度,一般情况下,流量小的径流序列受不透水面影响较大;对不同时间尺度,不透水面具有累积效应,随着时间尺度增大,不透水面对径流的影响增强。[结论]秦淮河流域城市化进程不断加快,不透水面扩张对不同时间尺度径流影响程度不同。     

近50年来黄河入海水沙的多时间尺度特性分析

基于黄河入海水沙对黄河三角洲及其生态系统平衡的重要性,研究从实时性、全面性地掌握黄河入海水沙序列演变规律的角度出发,以黄河入海口的控制测站—利津站1964年以来的实测径流量、输沙量和水沙系数为研究对象,以Matlab为软件平台,以复值Morlet连续小波变换为研究方法,开展近50a以来的黄河入海水沙序列的多时间尺度特征分析,并应用小波方差对研究结果进行了检验。研究发现,1964—2012年黄河入海水沙序列都存在明显的多时间尺度特性,且以年均水沙系数的多时间尺度特性最强,其次为年径流,最后是年输沙。黄河入海年均水沙系数以年代际周期振荡为主,且具有全域性,以33a为尺度中心的是主周期振荡,以18a为尺度中心的是次周期;黄河入海年径流和年输沙亦以具有全域性的年代际周期振荡最强,前者以大于45a的年代际周期振荡最强,后者以大于36a的年代际周期振荡最强;以4a为尺度中心的年际周期振荡都表现出局域范围内振荡能量最强的特征,但都仅限于1970s前期。在大的丰水期和高含沙量期的主控下,黄河河道以低于次饱和状态的冲刷作用为主,且未来这种趋势将会进一步加强。     

黄土高原藉河流域径流对气候和土地利用变化的响应

[目的]揭示黄土高原区中尺度流域径流对气候和土地利用变化的响应规律,为合理解决流域水资源利用和实现水资源的可持续管理提供理论支撑。[方法]以黄土高原藉河流域为研究对象,采用Mann-Kendall检验、距平累积曲线、双累积曲线以及分离评判法等方法进行研究。[结果](1)1962—2010年藉河流域年降雨呈下降趋势,但下降趋势不显著(p0.05);流域年径流深呈显著下降趋势(p0.001),且在1985年发生减少突变;(2)坡耕地面积减少,梯田面积增加是研究时段内流域土地利用变化的最明显特征。[结论]研究时段内土地利用变化是藉河流域径流量减少的主要驱动因素,影响贡献率为90.2%,而气候变化影响较小,贡献率仅为9.8%。     

昕水河流域径流变化及其对气候和人类活动的响应

开展流域尺度气候变化和人类活动对径流的影响研究是科学制定流域综合管理规划,并实现流域可持续管理的基础。以黄土高原丘陵沟壑区的典型流域——昕水河流域为研究对象,结合流域多年(1958—2015年)气象水文数据,采用M-K趋势检验法分析年降水、年潜在蒸发散和年径流量的变化趋势,运用双累积曲线法分析年径流量序列的突变年份,并根据生态水文分析法与水量平衡原理定量解析流域尺度气候变化和人类活动对年径流的影响。结果表明:1958-2015年,流域年径流量变化呈显著下降趋势(Z=-5.84,p<0.0001),而降水(Z=-0.72,p=0.31)和潜在蒸散发(Z=-0.5,p=0.88)变化趋势不显著。双累积曲线法表明径流量突变点为1974年和2000年,其中,1975—2000年间影响径流减少的主要因素是气候变化,气候变化导致径流量减少的贡献率为73.14%,土地利用方式仅为26.86%;而2001—2015年土地利用变化是影响径流减少的主要原因,其贡献率高达103.81%,可见土地利用变化已成为昕水河流域径流量变化的主要驱动因素。在今后的流域治理中,需合理制定土地利用方案,实现昕水河流域水土资源协调发展。     

基于HEC-HMS模型的兰江流域径流预测

[目的] 分析兰江流域径流对气候变化的水文过程响应,为区域水资源可持续发展和防洪抗旱提供科学基础。[方法] 利用2015—2018年日降雨径流过程和6场暴雨洪水过程率定并验证HEC-HMS水文模型在该流域的适用性;基于SDSM统计降尺度模型,对2030—2100年CanESM2模式下RCP2.6,RCP4.5和RCP8.53种情景的气候数据进行降尺度,生成兰江流域6个气象站点未来日降水序列以预测未来气候变化下的径流响应。[结果] HEC-HMS模型对场次洪水和逐日径流模拟的相关系数平均值达到0.89,0.77,平均效率系数达到0.86,0.76;RCP2.6情景下研究区面降水量较于基准期（2015—2018年）减小0.82%,在RCP4.5,RCP8.5情景下分别增大6.18%,18.17%;RCP2.6,RCP4.5,RCP8.53种情景下多年平均径流相较于基准期分别增幅为17.00%,26.22%,41.93%。[结论] HEC-HMS模型在兰江流域有较好的适用性;未来兰江流域径流呈显著上升趋势,增幅程度随辐射强迫度的增加同步增大。当辐射强迫度升高至8.5 W/m²时,流域径流量平均每10 a上升49.49 m³/s。预计21世纪末多年平均径流量达到1 101 m³/s,年径流变化起伏剧烈,汛期径流占全年比例较高,旱涝事件趋于频繁,对人民福祉威胁较大。     

渭河流域径流变化趋势及其影响因素分析

降水是产生土壤侵蚀的主要原动力.以豫西土石山区的汝阳县和黄土丘陵区的嵩县为例,通过对实测的雨强、坡度等水土流失因子的观测和研究,初步探讨了降水变化对不同下垫面(梯田、林地、坡耕地、荒坡)造成的水土流失之分异影响,并推求出组合方程式表达其影响规律.结果表明,荒坡和坡耕地的蓄水作用最差,梯田和林地的蓄水功效则较高.在小流域治理过程中,应当把梯田、林地以及配套的沟道整治工程等作为重要的雨水存贮措施.     

沈阳市河川径流演变趋势分析

 在全球气候变化和人类活动影响下,流域河川径流已经发生了显著变化。以沈阳市1980—2007年28年的实测径流数据为基础,采用数理统计分析方法,对沈阳市的河川径流变化规律进行研究。结果表明：沈阳市河川径流已经表现逐渐减少的趋势,径流模数减少幅度在108～1万2093m3/(km2·a)之间,平均减少2061m3/(km2·a),蒲河减少最大,饶阳河减少最小;由于人类取用水导致的河川径流减少程度平均为23.11%,其中辽河、浑河、柳河减少程度较大,养息牧河减少程度最小。     

基于Budyko假设的金溪流域径流变化归因分析

[目的]探究金溪流域径流变化特征及其原因,对于水库运行调度及水资源管理具有重要指导作用。[方法]基于1982—2015年流域气象水文数据以及植被NDVI数据,采用线性回归法、Mann-Kendall突变检验及滑动T突变检验法分析径流变化特征,进一步采用Budyko水热耦合平衡方程计算各影响因子对流域径流变化的贡献率。[结果]金溪流域年径流深、降雨量均呈不显著上升趋势,变化速率分别为3.89 mm/a, 8.43 mm/a。潜在蒸散发量呈显著上升趋势,变化速率为1.17 mm/a。通过突变检验可将金溪流域径流序列分为基准期1982—2002年和变化期2003—2015年。金溪流域径流变化归因分析表明：下垫面变化对径流变化的贡献率为123.55%,潜在蒸散发的贡献率为33.83%,降雨贡献率为-57.38%,流域下垫面变化主要源于植被情况显著改善,其中NDVI在基准期上升速率为0.005/10 a,在变化期上升速率为0.024/10 a。[结论]导致金溪流域径流变化的主要源于植被情况的显著改善,金溪流域径流变化的归因分析为金溪流域的水资源利用提供了理论支持。     

近60年来渭河甘肃段径流演变及驱动因素

分析径流量的长期变化趋势并研究其影响因素是高效利用地区水资源的前提。为明确气候变化与人类活动对渭河甘肃段径流的影响,利用Mann-Kendall方法和R/S方法,分析了渭河甘肃段径流、降水与气温等水文气象要素的变化趋势;利用小波分析对径流的周期性特征进行了研究;通过Mann-Kendall方法与累积距平法判定了径流变异年份,并将整个研究周期分为基准期与人类影响活动期;通过累积量斜率变化率法定量计算了气候变化与人类活动对径流变化的贡献。结果表明：(1) 1953—2010年,渭河甘肃段径流量与降水量整体呈下降趋势,气温呈显著上升趋势。(2)径流突变出现在1991年,人类活动影响期较基准期径流量下降8.02亿m³,其中气候变化对径流量减少贡献率为37.57%,人类活动影响占比62.43%。综上,人类活动对径流的影响占据主导。研究阐明了渭河甘肃段未来水文气象变化趋势,并对径流变化驱动因素的定量分析,为地区水资源的高效利用提供了理论依据。     

白龙江上游径流变化特征及其对降水和人类活动的响应

[目的]研究近50a来白龙江上游径流变化特征,并进一步分析径流对降水的滞后效应以及降水与人类活动对径流变化的影响。[方法]以1961—2010年白龙江上游武都水文站的月径流数据和白龙江上游气象站月降水量数据为基础,采用集中度和集中期、Mann—Kendall法、R/S分析法等多种数理统计方法,分析了近50a来白龙江上游径流量在年际、季节和月尺度上的变化特征,并预测了其未来可能的变化趋势。[结果]白龙江上游径流年内分配极不均匀,多年平均集中度Cd达34.92%。近50a来白龙江上游年径流量呈极显著减少趋势(p0.001),变化率为-3.942×108 m3/10a,Hurst指数为0.980.5,表明未来一段时间内白龙江上游年径流量可能继续呈减少趋势。四季和1—12月径流量均呈显著减少趋势(p0.05),年径流量在1990年发生由多到少的突变。白龙江上游径流对降水的响应存在滞后效应,且滞后时间有微弱延长趋势。近50a来白龙江上游径流系数呈显著减小趋势(p0.001),降水量转化为径流的部分逐年减少,径流系数在1990年后减少了0.14。[结论]1990年之前,白龙江上游径流变化主要受降水影响;1990年以后,人类活动逐渐成为影响白龙江上游径流变化的主要因素。     

植被恢复对青海省北川河流域水循环演变趋势的影响

[目的] 研究植被恢复对流域水循环的影响,明确植被恢复条件下流域水资源的演变趋势,为指导干旱半干旱地区开展科学的植被恢复工作提供数据支撑。[方法] 结合青海省北川河流域植被覆盖变化及长序列气象、水文数据,分析流域尺度水循环要素的演变趋势,分析植被恢复对关键水循环要素演变的影响作用。[结果] 20世纪80年代以来,北川河流域丘陵山区植被覆盖快速增加,仅2000—2019年期间平均增幅14.98%,最大增幅52.2%。1956—2019年,流域年降水量相对平稳,但年径流量呈不显著衰减趋势,平均降幅1.60×10⁷ m³/10 a,流域生态用水量增加是造成径流衰减的主要原因;植被恢复改变了流域大气降水的时空分配,在空间上更多降水用于流域内部生态消耗,减小了对下游的水源供给量,在时间上更多降水参与土壤水—地下水循环,延长了向流域外的排泄周期;地表风速、水面蒸发量、干旱指数等气象要素显著降低。[结论] 植被恢复影响下,北川河流域生态用水量增大,径流量衰减,降水—土壤水—地下水循环过程的水量比例增加,流域水源涵养能力不断提高,半干旱的气候条件有所改善。