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《中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心》 2017年
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Budyko框架下黄土高原流域蒸散时空变化及其归因分析

宁婷婷  
【摘要】:受气候和下垫面变化的双重影响,流域水文循环过程也随之发生变化,其中蒸散过程作为联接水文过程与生态过程的纽带,更受学界关注。Budyko框架具有坚实的理论基础和明确的物理含义,籍此开展的流域生态水文研究已成为水文学研究的前沿和热点之一。黄土高原生态环境脆弱,近几十年来包括以退耕还林还草为主要内容的生态建设、煤田油气能源基地建设以及新城镇建设等在内的大规模、高强度的人类活动又使得下垫面发生了显著变化,在这种背景下该区域蒸散发生了怎样的变化,气候和下垫面变化对其贡献影响如何需要深入研究。为此,本论文在分析黄土高原水热条件时空变化的基础上,首先基于全微分方程对本区域潜在蒸散时空变化进行了定量归因;然后在年际尺度上研究Budyko框架下水热耦合控制参数与下垫面变化(以植被为代表)和气候季节变化之间的关系,并探讨了影响水热耦合控制参数的各因子间关联性及时间尺度效应;最后估算了气候和下垫面变化对流域实际蒸散的贡献,得到的主要结论有:(1)近几十年来黄土高原气温显著升高,而基于FAO 56 Penman-Monteith公式计算的潜在蒸散整体上则有轻微减小的表现,说明该区域存在“蒸发悖论”现象;降水的年内变异和波动较之于潜在蒸散的更大,气候季节性指数S呈微弱降低趋势,意味着近几十年来降水和潜在蒸散差值的季节波动趋于减小。(2)基于全微分方程对潜在蒸散时空过程上所发生的实际变化进行归因分析表明:在时程变化上,多年来潜在蒸散对实际水汽压最敏感,对太阳辐射和平均气温的敏感性次之,而对风速的敏感性最小。但同时受各气象因子实际变化幅度的影响,多年来对该区域潜在蒸散变异贡献最大的因子却是平均气温,其次为风速和太阳辐射,而实际水汽压的贡献最小。造成潜在蒸散在空间上从鄂托克旗向东和向南递减的主导因子分别是这两方向上逐渐下降的太阳辐射和逐渐增加的实际水汽压;而从鄂托克旗至西南方向,下降的风速对该方向上潜在蒸散的变化贡献最大。(3)在水文年尺度上分析了13个典型流域水热耦合控制参数ω与植被盖度M和气候季节性指数S的关系后发现,在年际变化过程中,所有流域ω都呈现出了上升的趋势,这种上升趋势在80年代以后变得更加明显;参数ω与M在所有流域都表现出正相关关系,而与S则为负相关关系;在考虑参数ω与M和S的关系和边界条件后,构建了参数ω的半经验公式,交叉验证的结果说明该公式用于估算黄土高原流域年实际蒸散结果较可靠。(4)分析了不同时间尺度上影响参数ω的主要因子间的关联性后发现,Budyko框架下多年尺度上,流域植被与地形和气候季节性显著相关,逐步回归的结果也证明地形和气候季节性与植被间存在多重共线性问题,因此植被作为关键因子,可单独拟合控制参数;年际尺度上,植被和气候季节性的相关性在多数流域都不显著,在构建控制参数的经验公式时可同时考虑二个因子;在流域地形因子的表征指标方面,发现采用地形起伏度要优于前人用到的坡度和地形湿润指数,实施多年的退耕还林还草工程使得植被覆盖度随着地形起伏度的增大愈趋增强。(5)在Budyko框架下对流域实际蒸散变化进行归因的全微分法、外推法、互补法和分解法进行比较后发现,互补法最具优越性;1981-2012年,多年尺度上各流域实际蒸散对降水的变化最敏感,对参数ω的敏感性次之,对潜在蒸散的敏感性最差;年际尺度上,各流域实际蒸散对ω和潜在蒸散的敏感性呈显著降低趋势,而对降水的敏感性却呈显著上升趋势。在大多数流域,改善的植被条件对实际蒸散起到正贡献的作用,而流域水热匹配性的减弱对实际蒸散变异都是负贡献;如果不考虑气候的季节性变化,那么在估算下垫面变化对流域实际蒸散的贡献时将存在较大的误差,误差的大小等于气候季节性变化对实际蒸散的贡献值。本论文基于Budyko假设,分析和探讨了黄土高原蒸散的时空变化及气候和下垫面变化对其的影响,深化和扩展了不同时间尺度上水热耦合控制参数的影响因子及其之间耦合关系的认识,有助于黄土高原以有限水资源可持续利用为基础的农业生产和生态建设的发展。
【关键词】:Budyko框架 流域蒸散 水热耦合控制参数 水量平衡 黄土高原
【学位授予单位】:中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P426.2
【目录】:
  • 致谢4-7
  • 摘要7-9
  • Abstract9-17
  • 第1章 绪论17-33
  • 1.1 研究背景及意义17-18
  • 1.2 潜在蒸散的计算及其时空变化归因分析18-21
  • 1.2.1 潜在蒸散的计算18-19
  • 1.2.2 蒸发悖论现象19-20
  • 1.2.3 潜在蒸散变化归因分析20-21
  • 1.3 Budyko假设的形成和发展21-28
  • 1.3.1 Budyko假设与Budyko曲线21-22
  • 1.3.2 Budyko经验公式的发展22-24
  • 1.3.3 水热耦合控制参数的解译24-26
  • 1.3.4 水热耦合控制参数经验公式的建立26-27
  • 1.3.5 Budyko假设在时间尺度上的应用扩展27-28
  • 1.4 基于Budyko方程区分气候和下垫面变化对水量平衡的影响28-30
  • 1.4.1 水循环变化归因基本原理29
  • 1.4.2 基于Budyko方程的几种水循环变化归因方法29-30
  • 1.5 论文研究思路和主要内容30-33
  • 1.5.1 论文研究的主要问题与研究目标30
  • 1.5.2 论文研究的思路与主要内容30-33
  • 第2章 黄土高原水热状况及其季节性匹配时空变化特征33-51
  • 2.1 概述33
  • 2.2 主要数据和分析方法33-37
  • 2.2.1 研究区概况和主要数据33-34
  • 2.2.2 潜在蒸散和气候季节性指数的计算34-36
  • 2.2.3 主要空间插值和统计方法36-37
  • 2.3 降水量和潜在蒸散的时空变化37-43
  • 2.3.1 降水量的时空变化特征37-38
  • 2.3.2 潜在蒸散量的时空变化38-43
  • 2.4 黄土高原水热耦合的季节性变化特征43-48
  • 2.4.1 气候季节性指数时程变化特征43-45
  • 2.4.2 气候季节性指数空间变化特征45-48
  • 2.5 讨论48-49
  • 2.5.1 黄土高原潜在蒸散计算与以往研究结果的比较48
  • 2.5.2 起始时间选择对气候季节性指数S的影响48-49
  • 2.6 本章小结49-51
  • 第3章 引起潜在蒸散时空变异的驱动因子分析51-66
  • 3.1 概述51
  • 3.2 主要方法51-53
  • 3.2.1 潜在蒸散时程变化归因51-52
  • 3.2.2 潜在蒸散空间变化归因52-53
  • 3.3 潜在蒸散对主要气象变量的敏感系数时程变化53-57
  • 3.3.1 年际尺度敏感性分析53-55
  • 3.3.2 季节尺度敏感性分析55
  • 3.3.3 多年平均敏感系数的空间变化特征55-57
  • 3.4 各气象因子对潜在蒸散时程变化的贡献57-59
  • 3.4.1 年尺度贡献量分析57
  • 3.4.2 季节尺度贡献量分析57-58
  • 3.4.3 年际和季节尺度主导因子的空间分布58-59
  • 3.5 黄土高原潜在蒸散沿三个梯度方向的变化及其归因59-62
  • 3.5.1 鄂托克旗向东方向潜在蒸散变化及其归因59-61
  • 3.5.2 鄂托克旗向南方向潜在蒸散变化及其归因61
  • 3.5.4 鄂托克旗西南方向潜在蒸散变化及其归因61-62
  • 3.6 讨论62-64
  • 3.6.1 敏感性分析和贡献量计算的比较62
  • 3.6.2 误差分析62-63
  • 3.6.3 人类活动对潜在蒸散时程变化的可能影响63-64
  • 3.6.4 对潜在蒸散空间变异的进一步解释64
  • 3.7 本章小结64-66
  • 第4章 植被动态和气候季节性对流域年际蒸散变化的影响66-84
  • 4.1 概述66
  • 4.2 数据和方法66-70
  • 4.2.1 所使用的数据66-67
  • 4.2.2 各流域潜在蒸散和降水量的获取67
  • 4.2.3 傅抱璞方程67-68
  • 4.2.4 水文年的定义68
  • 4.2.5 下垫面和气候季节性因子的选取68-69
  • 4.2.6 主要统计方法69-70
  • 4.3 各流域水热条件和植被状况的变化特征70-71
  • 4.4 水热耦合控制参数ω的时程变化及其与主要因子的关系71-75
  • 4.4.1 参数ω的年际变异特征71-75
  • 4.4.2 各流域参数ω与植被动态和气候季节性间的关系75
  • 4.5 参数ω半经验公式的建立及其验证75-79
  • 4.5.1 年际尺度上参数ω的半经验公式75-78
  • 4.5.2 对半经验公式的验证78-79
  • 4.6 讨论79-82
  • 4.6.1 不同潜在蒸散公式对Budyko框架应用的影响79-80
  • 4.6.2 对参数ω与M和S关系中特殊点的可能解释80-81
  • 4.6.3 影响参数ω的其他因子81-82
  • 4.6.4 忽略水储量变化的影响82
  • 4.7 本章小结82-84
  • 第5章 影响实际蒸散的各因子间关联性及时间尺度效应84-97
  • 5.1 概述84-85
  • 5.2 数据和方法85-88
  • 5.2.1 所用数据85-86
  • 5.2.2 植被盖度86
  • 5.2.3 地形湿润指数86-87
  • 5.2.4 地形起伏度87-88
  • 5.3 主要结果88-92
  • 5.3.1 年际尺度上植被和气候季节性因子的关联性88
  • 5.3.2 多年尺度上各因子的关联性88-91
  • 5.3.3 不同因子构建的参数ω经验公式对ET估算的比较91-92
  • 5.4 讨论92-96
  • 5.4.1 关于参数ω与地形因子的关系92-93
  • 5.4.2 选择植被为关键变量的原因93-94
  • 5.4.3 变量的不独立性对控制参数公式构建的可能影响94-95
  • 5.4.4 未考虑土壤因子的原因95-96
  • 5.5 本章小结96-97
  • 第6章 黄土高原典型流域实际蒸散变化归因97-114
  • 6.1 概述97-98
  • 6.2 方法和数据98-101
  • 6.2.1 全微分法98
  • 6.2.2 互补法98-99
  • 6.2.3 分解法99-100
  • 6.2.4 外推法100
  • 6.2.5 敏感系数的计算100-101
  • 6.2.6 气候季节性和植被变化对流域ET变化的定量归因101
  • 6.3 不同实际蒸散变化归因方法比较101-107
  • 6.3.1 基于不同时间段的全微分法归因结果比较101-105
  • 6.3.2 互补法与全微分法、分解法和外推法的比较105-107
  • 6.4 黄土高原典型流域实际蒸散变化归因107-112
  • 6.4.1 黄土高原流域ET敏感系数的时程变化特征107-111
  • 6.4.2 气候和植被变化对黄土高原流域ET变化的归因111-112
  • 6.5 讨论112-113
  • 6.5.1 外推法的不适用性分析112
  • 6.5.2 不确定性分析112-113
  • 6.6 本章小结113-114
  • 第7章 总结与展望114-119
  • 7.1 主要成果114-116
  • 7.2 主要创新点116-117
  • 7.3 研究中的不足和今后的工作展望117-119
  • 参考文献119-133
  • 作者简介133-134

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