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气候变化条件下黄土高原水文综合风险评估

孙朝兴  
【摘要】:在全球气候变化的大背景下,区域水文循环规律也在一定程度上发生了改变,水份在不同时空尺度上重新分配,部分地区水文状况发生了显著变化,极端降水、干旱等极端天气或气候事件的多方面特征也处于动态变化过程。极端降水和干旱均可对农业、社会经济、生态系统及生命安全构成严重威胁,是农业科学家、水文学家、生态学家和气象学家的重点关注和研究对象。黄土高原是我国重要农业产区,区域降水时空分布不均,夏季暴雨频繁,土壤侵蚀严重而其他季节缺水严重。气候变化会同时影响黄土高原的可用水资源量以及土壤侵蚀程度,因而研究该地区气候变化背景下极端降水和干旱的发生及变化规律有助于对区域水文风险管理以及水资源可持续管理等提供科学依据。本文旨在深层了解黄土高原地区极端降水和干旱等极端水文事件的多方面特征对气候变化的响应,围绕以下内容展开研究:黄土高原极端降水事件的多维风险变化特征、气候模型集合降尺度方法开发、未来气候变化对黄土高原干旱高温耦合事件的影响及黄土高原上泾河流域未来水文干旱在不同时间尺度的变化特征。论文具体内容、主要发现和贡献如下:(1)定量评估了黄土高原多极端降水指标组合的联合风险及其空间变化特征,对包括三维指标组合风险在内的多组合联合风险进行了评估。基于蒙特卡洛随机抽样算法的二维和三维二次重现期被创新性地应用于极端降水风险评估,以满足水文设计中不同风险评估的需要。采用正、反演方法,对黄土高原极端降水指标的多维风险综合研究,计算结果既能反映事件的严重性,又能得到合理范围内可靠的风险评估结果,避免得到过大或过小联合重现期的问题。研究发现,黄土高原近60年降水时空分布失衡加剧,西北地区大部分时间处于严重干旱状态,全年降水可能高度集中在几次强降水事件,而东南地区出现特大暴雨导致的洪涝灾害的风险增加。(2)开发了一个集合降尺度方法,可同步对多气候模型的输出结果进行联合偏差修正,使得不同气候模型输出之间信息共享,弱化个别模拟较差的模型输出对整体结果的影响,同时可根据多组合修正结果反映气候模拟中的不确定性。所开发的方法用于7个区域气候模型输出降水的偏差修正,结果表明,与其他传统方法相比,本研究开发的方法对气候模型输出的质量要求更低,模型表现更稳定。为解决在拥有复杂地形及气候类型地区的气候模型模拟结果普遍较差的问题提供了方法支撑。该方法被进一步用于未来降水的集合模拟,结果显示未来中度及高排放情景下(RCP4.5及RCP8.5)黄土高原中南部地区降水将明显减少,未来发生干旱的概率增加,而东部地区未来更容易发生洪涝灾害。(3)考虑到干旱和极端高温事件同时发生时,两个事件的协同作用可加剧彼此的严重程度,本文建立了一个热旱识别系统,该系统可定量评估干旱高温的复合风险。利用两个区域气候模型探讨了未来气候变化对黄土高原干旱和热浪耦合风险的影响。对干旱及高温指标分别设定两水平构建四种组合研究方案。结果表明,黄土高原极端高温历时在未来RCP4.5及RCP8.5情景下的值均显著大于历史时期,而严重干旱事件主要分布于西南和中南部。黄土高原西南和中南地区的一些站点,在未来可能频繁发生长期高温伴随中度干旱事件。在干旱和热浪的共同作用下,可能对当地农业生产甚至人类健康产生严重影响。(4)构建了区域气候模型与水文模型耦合系统,该系统可识别气候变化下流域未来水资源以及不同时间尺度下水文干旱风险的变化情况,为区域水资源可持续管理及制定长远的灾害防治措施提供信息支持。建立的系统被用于研究未来气候变化对黄土高原泾河流域径流及水文干旱特征的可能影响。结果表明,RCP8.5情景下的月均径流相对历史阶段有明显增加;尽管RCP4.5情景下的年均降水相对历史情况有所增加,但平均年径流却变小,这可能是因为气温上升造成蒸发量显著增加。未来径流的时间分布不均衡加剧,RCP4.5情景下雨季平均径流相对历史阶段显著增加,而其他月份则明显减少。相对历史和RCP8.5情景,年尺度干旱在RCP4.5情景下更为严重,但其严重程度随着时间的推移而逐渐降低。未来月尺度干旱形势更为严峻,干旱的持续时间和严重程度都将明显增加。


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