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气候变化影响下的流域干旱评估研究

段凯  
【摘要】:作为一种气候异常现象,干旱的形成与致灾过程通常发轫于区域降水量的减少,其在水文系统中的演变涉及到蒸散发、土壤调蓄、产汇流等水循环过程,并主要通过对地表、地下径流与土壤湿度的影响而干扰到经济社会用水及作物的正常生长。在高度不确定的气候变化背景下,干旱问题显得更为复杂多变,一方面降水量及其时空分布特征的变化直接影响了补给流域的水资源总量,另一方面流域水文循环也受到气候变化的影响而发生改变。本文结合水文模拟探讨了气候变化背景下的流域干旱评估问题,试图揭示干旱对气候变化的响应及其在水文系统中的传递特征。主要研究内容与成果如下: (1)建立了一种基于贝叶斯插值方法的多时空尺度气象干旱风险评估框架,分析了淮河流域近半个世纪以来气象干旱的时空分布特征。首先,基于实测降水数据在不同时空尺度评估了“极旱”、“重旱”、“轻旱”等不同等级的流域干旱风险,进而揭示其演变趋势与空间分布规律。结果显示:在月、季节与年尺度三种时间尺度之中,季节尺度上的干旱频次更大、时间变异性更显著;在四月与九月干旱风险呈现显著的增大趋势,这表明流域可能会面临更严峻的春旱与秋旱;淮河流域南部与西北部发生极旱与重旱的风险更大,而流域东北部则更易发生轻旱。 (2)比较了SDSM、SVM、LARS-WG等三种统计降尺度模型在降水降尺度中的应用,分析了三种模型对于降水的平均值、极端值、年际与年内时间分布等降水特征的模拟效果,并从点预测的角度构建了一种多目标的模型平均框架用于三种模型的耦合,讨论了多模型集成方法在降水降尺度中的应用前景与局限性。 (3)基于CSIRO-MK3.5与CCCma-CGCM3.1两个全球气候模式的输出数据模拟了淮河蚌埠以上流域在SRES A2、A1B与B1等温室气体排放情景下的降水与气温序列,并进而使用新安江、HBV、SIMHYD等三个水文模型模拟了未来情景下的径流与土壤湿度序列,分析了降水、气温、径流、土壤湿度等水文气象因子对气候变化的响应。 (4)在对降水、径流、土壤湿度等变量进行频率分析的基础上,进一步从气象、水文、农业等三个层面上评估了气候变化对干旱的频次、强度、持续时间等特性的影响,并探讨了气候变化背景下干旱在水文系统中的传递特征。结果表明,干旱频次与持续时间均倾向于从A2向A1B向B1情景递增,即更高的碳排放将会加剧流域干旱。在所分析的三种干旱类别中,水文干旱与农业干旱体现出对气候变化更强的敏感性,从气象干旱到水文干旱与农业干旱,干旱频次、强度与持续时间总体上呈现出放大的趋势。这意味着即使未来气象干旱情势没有显著的加剧,由于气温的升高以及径流与土壤湿度对降水的非线性响应,流域仍然可能面临着更为严峻的水文干旱与农业干旱威胁。 (5)量化分析了温室气体排放情景、GCM结构与水文模型结构等不确定性对干旱评估结果的影响,并对各种来源的重要性进行了比较与排序。结果表明,由于水文模型不确定性的累积,水文干旱与农业干旱评估中的不确定性要远大于气象干旱;在不同干旱特征的模拟上,极端干旱频次与最大持续时间等极端特征的不确定性明显更大;三种不确定性来源的重要性排序在不同的干旱类别中体现出一定的差异,总体而言,排放情景不确定性与GCM不确定性的影响范围较为接近,前者对气象干旱与农业干旱的影响更大,后者则对水文干旱的影响更显著,而水文模型结构不确定性对未来情景下的水文干旱与农业干旱模拟评估有着至关重要的影响,尤其是在极旱频次、最大干旱持续时间等极端特征的模拟上,水文模型不确定性甚至起到主导作用。


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