变化环境下黄土高原水文气候要素数值模拟及未来预测

【摘要】：全球气候变暖背景下黄土高原气候变化显著,同时该区生态环境建设极大改变了下垫面条件,气候和下垫面变化深刻影响着该区水文过程。科学评估黄土高原气候和下垫面变化对水文过程的影响,合理模拟预测黄土高原历史未来气候及径流变化,可为生态建设和水资源规划及开发利用提供理论支撑。针对目前黄土高原气候和下垫面变化对水文过程影响及预测研究存在的不足,本文选择黄土高原无定河流域为研究对象,以Budyko水热耦合模型为理论基础和工具,基于长时间序列气象水文及遥感数据,分析流域植被覆盖时空变化及其驱动力、气候变化和水文过程变化特征,评估气候和植被变化对流域径流和蒸散发的影响,探究流域气候、植被、径流和蒸散发之间的相互作用关系,采用区域气候模型Weather Research and Forecasting Model(WRF)对该区历史气候进行数值模拟,利用降尺度模型对全球气候模型输出进行降尺度,在此基础上,对黄土高原未来主要水文气候要素变化进行了预测。得出以下主要研究结论:(1)明晰了变化环境下黄土高原无定河流域植被覆盖时空变化特征及其驱动力。无定河流域植被覆盖在1982-2011年间表现为显著上升趋势。在2000年前后存在“突变”现象。突变前流域植被覆盖上升缓慢,年际波动明显,突变后流域植被覆盖急剧上升,且流域植被覆盖变化与植被建设历程较为一致。流域植被覆盖显著变化区域包含了河源区和黄土区的大部分地区,显著增加面积占流域总面积的83%。未来流域56%面积的植被将保持稳定以及持续增加的态势,44%面积的植被未来变化趋势不明确。气候变化对植被的影响在不断减弱,人类活动对植被的影响在逐渐增强,人类活动使得植被与气候间关系变得更加复杂,政策驱动下的植被建设工程在短时间尺度上成为流域植被覆盖变化的主导驱动力。(2)提出基于Budyko理论判定流域达到水量平衡状态时间的敏感性方法。构建了考虑植被覆盖和气候因子的Budyko水热耦合控制参数经验公式,基于该公式评估了气候和植被覆盖变化对无定河流域径流减少的贡献。无定河干流及各支流1960-2011年间径流量均显著下降,变化过程存在两个突变点且分别在1970年和1999年左右。流域降水-径流关系不断变化,降水对径流的主导作用逐渐变弱。此52年间流域在经历愈加频繁和严重的干旱,径流变化与干旱紧密联系。基于Budyko模型的敏感性分析法可有效反映该流域多年水量平衡状态,较合理判断流域达到水量平衡状态的时间。考虑植被覆盖度和相对入渗能力因素的经验公式可较合理对Budyko参数做出解释,二者可较好反映多年平均尺度Budyko参数的主要影响因素。气候变化是导致流域径流减少的主导因素,贡献多年平均值约为76%;植被覆盖变化作用不可忽视,贡献量多年平均值约为24%,且其影响在不断增强。(3)阐明了气候和植被覆盖变化对流域水热耦合关系的影响。推导出用于定量分析流域蒸散发变化的弹性系数法,模拟结果表明,无定河流域1960-2011年间风速、相对湿度和净辐射均显著减少,净辐射减少是潜在蒸散发减少的主要原因。流域蒸散发在1960-2011年间显著下降,蒸散发系数持续升高,实际蒸散发占降水比重不断加大,导致流域径流量减少。基于Budyko模型的弹性系数法能较准确对蒸散发变化原因做出预估,蒸散发对各气候因子的弹性系数分别为:0.79(降水)、0.13(净辐射)、0.06(气温)、0.05(风速)、-0.10(相对湿度)。降水减少是蒸散发减少的首要原因,贡献量为66%,其它因子合占34%。大规模植被建设使得流域蒸散发在2000年后显著增加,同时导致流域水储量不断减少。植被建设和气候变化对流域反照率影响较大,植被增加导致流域反照率降低,积雪覆盖变化导致冬季反照率剧烈波动,流域反照率变化导致净辐射变化从而影响流域能量收支。(4)揭示了分辨率和物理参数化方案对黄土高原气候模拟的影响。提出能较准确模拟黄土高原历史气候的WRF优化物理参数化方案组合。结果表明,模型分辨率对黄土高原降水模拟影响较大,低分辨率模拟不能准确表达复杂下垫面地形,导致降水被严重高估。5 km和10km分辨率结果相近,都能较准确合理再现降水。降水模拟对积云对流参数化方案最敏感,其次为大气边界层参数化方案,最后为云微物理参数化方案。得出的优化物理参数化方案组合为:Dudhia短波辐射方案,RRTM长波辐射方案,Revised MM5 Monin-Obukhov地表参数化方案,CLM陆面过程方案,CAM5.1云微物理方案,MYNN2.5大气边界层方案和Kain-Fritsch积云对流方案。基于该优化组合的WRF可较准确再现气温和降水时空变化特征,复杂地形对降水模拟结果影响较大。基于该组合的WRF还可较合理再现气候极端事件,能抓住侵蚀性降水的量级、波动和变化趋势。降水模拟误差主要来自特大强度降水模拟。WRF能合理描述该区平均和极端事件情况下的水汽输送是其良好表现的主要原因。(5)探究了黄土高原未来主要水文气候要素变化趋势。基于Budyko理论的径流弹性系数法对黄土高原无定河流域未来径流进行了预测,采用的降尺度模型能较好再现黄土高原气候时空分布。未来该区大部分地区降水呈增加趋势,增加速率为6.6mm/decade,降水年际变动剧烈。增幅呈现北部多南部少的空间格局,大部分地区降水增加量都在50 mm左右,太行山以西大部分地区、关中平原、陕北及河套地区增加量约为150 mm。未来该区气温呈显著增加趋势,加速率为0.32℃/decade,增幅呈现南北部多,中部少的空间分布格局,大部分地区气温在本世纪末增加量都在2℃左右。在上述工作基础上,重点对无定河流域降水气温及径流进行了分析,流域未来降水和气温均呈现显著增加趋势,相对于基准期1979-2005年,流域降水在2011-2040年将减少10 mm,在2041-2070和2071-2100年分别增加29 mm和67 mm。流域径流在2011-2040年间将减少16%,在2041-2070和2071-2100年间持续增加,增幅分别为7%和30%。本文基于Budyko理论,分析和探讨了气候和植被覆盖变化对黄土高原无定河流域径流和蒸散发的影响,提出了判断流域达到水量平衡年限的新方法,扩展了多年平均尺度上Budyko水热耦合控制参数的影响因子,推导了蒸散发变化定量归因弹性系数法,提出了能合理准确再现黄土高原历史气候的WRF模型优化物理参数化方案组合,结合降尺度模型和Budyko理论对未来黄土高原未来主要水文气候要素变化趋势进行了预测。研究结果能为黄土高原可持续生态环境建设提供科学依据,为区域水资源合理规划提供理论支撑。