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《西北农林科技大学》 2012年
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气候变化对流域径流的影响研究

何自立  
【摘要】:不断增多的观测资料进一步证实大气中温室气体浓度增加所引起的全球性气候变化已成为全球性环境的主要问题之一。气候变化对水文水资源系统将产生重要影响,其中以融雪作为径流主要补给水源的地区,受气候变化的影响更为显著。以灌溉农业为典型特征的加州中央谷地地区是世界著名的高效农业产区,其灌溉用水严重依赖于内华达山脉冰雪融水,全球变暖和区域性气候变化对该地区水资源系统将产生显著影响。定量评价气候变化对水文水资源系统的影响是实现未来水资源可持续开发利用的基础工作,其对认知特定区域水文过程的演变规律,保障圣华金河流域水资源合理开发,维持加州中部谷地地区农业可持续发展具有重要意义。鉴于此,本文选取位于美国加州内华达山脉西侧的圣华金河上游源区五个子流域为对象,在构建流域水循环模型的基础上,采用增量情形及GCM降尺度方法对该地区在未来气候变化情形下的水文响应过程进行研究,主要研究结果如下: (1)圣华金河流域上游地区水文气象要素变化特征分析。结合滑动t检验、Mann-Kendall、Spearman、Yamamoto检验和小波变换等方法,对研究区域水文气象要素的变化趋势、突变点及变化的周期性进行分析检验,初步判断研究区域降水、气温、径流等主要水文气象要素的变化特征。结果显示,在研究时间段内气温总体呈现较为明显的增长趋势,年均气温倾斜率达到0.71℃/10a,其中冬季气温呈现显著的上升趋势。降水未发生显著的年及季节性变化。存在夏季径流减少而春季径流增加,整体径流过程呈现提前的趋势。分析表明,该地区于1986年左右发生水文气象要素的突变,并存在9-12年及19-22年的变化周期,该变化过程与影响北美洲西部地区主要气候特征的北太平洋年代际涛动(NPO)周期较为一致,表明大气环流过程是影响加州地区气候变化的主要因素,全球大气环流过程的变化将会对该地区气候产生重要影响。 (2)流域尺度水文模型的构建及其适应性检验。以流域水文模型HSPF为基础,深入分析模型结构和原理的基础上,构建水文气象及地理数据库,利用人机联合参数率定方法,对模型参数进行率定,并对模型参数的敏感性进行分析。结果表明,湿球温度、融雪系数、日地下水消退常数、壤中流退水系数和饱和导水率为较为敏感参数,对流域的径流过程影响较大。通过模型的率定得到校准期年径流量模拟值和观测值差值变化范围为9.23%至-18.65%,验证期年径流差值变化从9.59%至11.69%。逐月流量在校准期及验证期内模型的EC值分别为0.86和0.97,相关系数分别为0.906和0.97。校准及验证期内该地区逐日流量的EC值分别为0.771和0.882,对应的R2值分别为0.83和0.897,统计检验结果表明逐日流量校准和验证期无显著性差异。经验证模型较好的反映了该地区典型的地中海式气候及山地气候特征,总体预测精度达到了检验要求,对研究区域具有较好的适应性,可以满足预测需要。 (3)未来加州气候变化时空分布特征及降尺度研究。对未来气候变化情形下,加州气温及降水量的变化趋势及不同区域的变化特征进行分析研究,结果表明,未来加州增温趋势较为一致,而降水量的模拟结果无显著变化趋势。加州沿海山区气温变化较为缓和,内华达山脉地区及加州东北部地区气温变化较为显著。降水量的变化波动性较大,敏感区域主要集中在加州西北部沿海地区,内华达山脉北部及加州南部沿海地区。基于全球气候模式(GCM)通过降尺度方法分析结果显示,圣华金河源区域日平均气温的实测值和模拟值拟合结果较为理想,模型模拟期内站点日均气温平均确定性系数为0.97,受到内华达山脉地区特殊的地形条件及气象条件等因素影响,降水量的模拟结果统计相关性较弱,平均确定性系数约为0.76。A2情景下未来4个时期(2030s,2050s,2070s,2090s)的平均气温变化分别为+1.6℃、+2.1℃、+3.7℃和4.2℃;B1情景下未来4个时期的平均气温变化分别为+1.0℃、+1.7℃、+2.3℃和+3.4℃,夏季日平均气温在两种情景下变化较为显著,其中A2情景下未来4个时期夏季日平均气温变化分别为+2.9℃、+3.8℃、+4.7℃和+5.6℃,B1情景下分别为+1.2℃、+1.4℃、+3.6℃和+4.6℃,而冬季次之,春季和秋季变化相对较小。 (4)定量分析未来气候变化对圣华金河上游源区径流变化过程的影响。利用确定的加州未来气候变化情形,耦合HSPF流域水文模型研究未来气候变化对流域径流的影响。通过分析得出增量情景下年均径流量变化区间的大致范围为-43.7%至+16.8%。若其他因素保持不变,气温上升将引起径流变化为-23.7%至-8.3%。在A2、B1情形下,未来径流量变化范围为-32.3%至+19.7%,A2情形下径流量减小趋势大于B1情形。径流的逐月变化分析表明,5-9月份径流存在下降趋势,1-4月份及11-12月份径流量存在不同程度的上升趋势。在各气候变化分析情形下,冬春季径流主要呈现增加趋势,而夏季径流呈现下降趋势,秋季径流变化程度较为缓和。在增量情形下,降水不变气温上升将引起的径流中心(CT值)分别向前移动16-45天。保持气温不变降水量的变化将导致CT值的变化仅为1-4天。B1排放情形下模拟结果显示CT值分别提前13-20天,而A2排放情形下CT值分别提前34-38天,其中降雨量变化引起CT值变化仅为2-4天,表明气温升高为影响径流过程的主要因素。通过对比分析表明,在21世纪中期圣华金河流域上游地区暖干气候特征将会较为明显,年径流存在减少的趋势,干湿季变化特征更加显著,径流的季节性变化增强,径流过程将显著提前。
【学位授予单位】:西北农林科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:P467;P333.1

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【引证文献】
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