长江源区高寒生态与气候变化对河流径流过程的影响分析

长江源区高寒生态与气候变化对河流径流过程的影响分析（共2篇）

篇1：长江源区高寒生态与气候变化对河流径流过程的影响分析

土地覆盖与气候变化对黄河源区径流的影响

After dividing the source regions of the Yellow River into 38 sub-basins, the paper made use of the SWAT model to simulate streamflow with validation and calibration of the observed yearly and monthly runoff data from the Tangnag hydrological station, and simulation results are satisfactory.Five land-cover scenario models and 24 sets of temperature and precipitation combinations were established to simulate annual runoff and runoff depth under different scenarios. The simulation shows that with the increasing of vegetation coverage annual runoff increases and evapotranspiration decreases in the basin. When temperature decreases by 2℃ and precipitation increases by 20%,catchment runoff will increase by 39.69%, which is the largest situation among all scenarios.

作 者：李道峰 田英 刘昌明 HAO Fanghua LI Daofeng TIAN Ying LIU Changming HAO Fanghua  作者单位：李道峰,HAO Fanghua,LI Daofeng,HAO Fanghua(State Key Joint Laboratory of Environmental Simulation and Pollution Control, Key Laboratory for Water and Sediment Sciences of Ministry of Education, Institute of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)

田英,TIAN Ying(Dept. of Civil Engineering, The University of Hong Kong, Hong Kong, China)

刘昌明,LIU Changming(State Key Joint Laboratory of Environmental Simulation and Pollution Control, Key Laboratory for Water and Sediment Sciences of Ministry of Education, Institute of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875, China;Inst. Of Geographic Sciences and Natural Resources Researh,CAS,Beijing 100101,China)

刊 名：地理学报（英文版）  ISTIC SCI英文刊名：JOURNAL OF GEOGRAPHICAL SCIENCES 年，卷(期)： 14(3) 分类号：P9 关键词：distributed hydrological model   source regions of the Yellow River   scenario simulation   changing environment  

篇2：长江源区高寒生态与气候变化对河流径流过程的影响分析

全球气候变化已经成为一个不争的事实,己成为各国政府和专家关心和研究的热点难点问题。观测资料表明全球平均气温在20世纪约升高0.6℃,综合多模式多排放情景的预估结果表明,到21世纪全球地表平均增温1.1～6.4℃[1,2]。气候变化必然引起全球水资源的变化,导致水资源在时间空间上的重新分配和数量的改变,并对降水、蒸发、径流、土壤湿度等造成直接影响,从而进一步影响地球的生态环境和人类社会的方方面面。深入研究气候变化条件下流域水文水资源的变化,可为水资源的合理开发及可持续利用提供科学依据。

对于发源于高寒区域的山区性河流,高山冰川和积雪融水是重要的补给源。高寒山区气候条件极其复杂,由于气温的垂直分带性,不同高程上的温度不同,降水也可能以液态降水或固态降水的形式出现,受气候变化的影响较大。在全球气候变化的大背景下,高寒山区融雪径流也将受到一定的影响。本文以天山山区为研究区,以伊犁河流域为典型区,选取该流域1957年至2005年降水、气温和径流资料分析了在全球气候变化下该流域降水、气温和径流的变化趋势。以新安江模型为基础借助GIS和RS工具建立了该流域数据水文模型并假定不同的气候情景分析了全球气候变化对高寒山区融雪径流的影响及其敏感性。

1 研究区概况

本文天山西部山区伊犁河流域为研究区,选取卡甫其海水文站1957-2006年降水、气温和径流资料分析各因素对气候变化的响应,如图1所示。

选取伊犁河支流哈什河流域进行数字水文模型的构建,如图1所示。该流域面积9 460 km2,高程为699～4 604 m之间,其中流域上各种冰川共551条,冰川面积为421.6 km2,冰储存量为28.18 m3,平均雪线高度为3 680 m[3]。流域坡度为0°～62.8°之间。流域海拔高度差异悬殊。地形复杂,各地气候差异明显。多年平均气温8.8℃,多年平均风速3.3 m3/s,多年平均降雨量334.02 mm,多年平均蒸发量(20 cm蒸发皿)1 961.04 mm。该流域由于特殊的地理位置和下垫面因素,水量主要以冰川、积雪融雪,雨水以及地下水混合补给。以该流域内13个水文及遥测站点和流域外10个水文站点2005年5-9月的水文气象资料以及该时段MODIS八日合成积雪覆盖数据进行融雪径流的模拟。以研究区分辨率为90 m的DEM数据进行数字水文模型的构建。

2 研究方法

本文选用Mann-kendall检验趋势分析方法、差积曲线法和小波周期分析方法对研究区降水、径流和气温要素时间序列的趋势变化进行分析 。

2.1 Mann-kendall检验

Mann-kendall检验法最初由Mann于1945年所发展,它的优点在于检测范围宽、人为影响小、定量化程度高[4]。Mann-kendall检验是提取序列变化趋势的有效工具。Mann-kendall检验法是基于秩的非参数方法,由于其不要求所分析数据服从某一概率分布,同时也不受个别异常值的干扰,能够客观地表征样本序列的整体变化趋势,其趋势检测能力与参数趋势检测方法相同,因而被广泛应用于气候参数和水文序列的分析中[5]。公式为:

$\begin{array}{l}{\rm Z}{}_c=\{\begin{array}{cc}\frac{S-1}{\sqrt{Var(S)}},& S>0\\ 0& S=0\\ \frac{S+1}{\sqrt{Var(S)}},& S<0\end{array}\\ S={\displaystyle \sum _{i=1}^{n-1}{\displaystyle \sum _{j=i-1}^{n}S}}gn(X{}_j-X{}_i)(1)\end{array}$

式中:Zc为统计意义的趋势评价值;S为统计时间序列中有区别的值的个数;Xi和Xj均为研究的时间序列值;n为数据资料的时间长度。Sgn(Xj-Xi)的公式为:

$Sgn(\theta )=\{\begin{array}{cc}+1& \theta >0\\ 0& \theta =0\\ -1& \theta <0\end{array}(2)$

当-Z1-α/2≤Zc≤Z1-α/2时,表示研究对象没有趋势,其中±Z1-α/2表示在显著性水平α下,标准正态分布中值为1-α/2时的统计值。取α为0.05,±Z1-α/2=±1.96,并假设H0代表分析的时间序列没有趋势,H1代表时间序列存在趋势。

2.2 模比系数差积曲线

在分析水循环要素多年变化规律时,常使用差积曲线和模比系数差积曲线[6]。差积曲线是分析水文或气象要素变化的常用方法。模比系数是表现短系列各值对长系列平均值的偏离程度,模比系数累积平均值随着系列变化逐步趋近于1。可表示为:

$\begin{array}{l}S{}_i={\displaystyle \sum _{i=1}^n(}x{}_i-\overline{x})\\ {\rm K}{}_i={\displaystyle \sum _{i=1}^n(}\frac{x{}_i}{\overline{x}}-1)\end{array}(i=1,2,\cdots ,n)(3)$

式中:Si为差积值;Ki为模比系数;xi为实测值;$\overline{x}$为时段的平均值。

2.3 小波分析

小波分析是在傅里叶(Fourier)变换的基础上引入窗口函数。小波分析在时域和频域上同时具有良好的局部性质,可以分析出时间序列周期变化的局部特征,能更清楚地看到各周期随时间的变化情况,从而在气候分析中得到广泛应用[7],这里选取的小波变换为Morlet小波,其形式为:

$\psi (t)=e{}^{ict}e{}^{-t{}^2/2}(4)$

式中:c为常数;i为虚数。Morlet小波为复数小波能够真实反映径流的各尺度周期性的大小及这些周期在时域中的分布。

通过小波变换得到的是一个尺度时间函数,若要从该函数准确的对一些复杂过程进行解释,需要借助小波方差来进行小波分析检验,从而确定显著周期。小波方差反映了波动的能量随尺度a的分布,可以用来确定一个时间序列中各种尺度扰动的相对强度,对应峰值处的尺度称为该序列的主要时间尺度即主要周期[8]。根据小波变换可得其方差图,通过小波方差图,可以确定一个时间序列中存在的主要周期。小波方差计算公式为:

$Var(a)={\displaystyle {\int }_{-\infty }^{+\infty }|}W{}_f(a,b)|{}^2\text{d}b(5)$

式中:Var(a)为小波方差;Wf(a,b)为小波系数。

3 分析结果

3.1基于Mann-kendall检验研究区水文要素的变化趋势

为了确定研究区时间序列的发展趋势,对研究区1957-2006年年降水量、年平均气温和年径流要素进行了Mann-Kendall趋势性检验,结果见表1。从表中可以看出1957-2006年气温呈现明显的上升趋势,年降水的Zc为负,呈微弱的减少趋势,但年径流的Zc为正,年径流序列呈微弱的增加趋势,说明

注:α=0.05,±Z1-α/2=±1.96。

气候变化对降水和径流有一定的影响。山区降水呈减少趋势,但径流却有增加的趋势,说明气温的升高使高山的冰川和积雪消融量增加。

3.2 基于差积曲线研究区水文要素的变化趋势

对研究区1957-2006年年降水量、年平均气温和年径流要素使用模比差积曲线进行分析,结果见图2。从图中可以看出1957-2005年降水和径流有3个变化阶段,降水与径流具有较好的同步性,而气温则具有两个变化阶段。1957-1971年降水和径流呈现出波动增加的趋势,从1972-1997年降水和径流呈现明显的减少的趋势,而1998-2005年降水和径流呈现出明显的增加的趋势。1957-1976年气温呈现明显的下降趋势,1977-2005 年呈现出缓慢的上升趋势。从1998-2005年降水、 径流和气温具有同步性。从气温资料统计结果表明1977-2006年平均气温为9.37℃,明显高于1957-1975年的平均气温8.46℃,增幅为10.8%。

3.3 基于小波分析研究区水文要素的变化趋势

对研究区1957-2006年年降水量、年平均气温和年径流要素进行小波分析,结果见表2。

可以看出降水、气温和径流的变化的第一主周期和第二主周期相同完全一致。说明气候变化对降水和径流有一定的影响。

4 数字水文模型的构建

气候变化和径流响应之间关系的研究可采用多种方法来进行[9,10]。目前的主要应用可以分成两类:①基于水文数据的统计分析方法;②分布式水文模型模拟方法。统计学的方法主要应用回归分析来评估特定地区和流域的水文特征。但该方法缺点是假定气温、降水及径流之间的相互关系在未来气候条件下保持不变。而用基于物理机制的分布式水文模型来评价气候变化对水文过程的影响有较高的模拟精度。

为了有效的评价气候变化对山区融雪径流的影响本文选用融雪型新安江模型,主要原因是融雪型新安江模型在研究区已经成功应用[11]。为尽可能的真实的评价在目前气候条件下的季节性积雪覆盖,模型选用卫星监测的积雪覆盖数据。

4.1 新安江模型

新安江模型是由赵人俊等在1973年对新安江水库做入库流量预报工作中提出来的模型。此模型是目前国内外应用较为广泛的概念性流域水文模型之一,在洪水预报以及水资源评估和管理中得到了广泛的应用 ,多年来广泛应用于我国的湿润和半湿润地区并取得了成功[12,13]。

4.2基于DEM的各栅格单元降雨、气温和蒸发量的确定

4.2.1 降 雨

降雨的时空分布对流域产汇流的影响非常大。影响降水的因素很多,如经度、纬度、高程、坡度、坡向、离水体的距离、风速等。在国内,现有的降水插值模型,考虑高程、坡度等其他影响因素的很少。这些模型都只是根据气象站点的降水直接对整个区域进行插值,没有考虑地形等因素的影响,这样获得的降水数据的误差较大[7]。本文通过借助地理信息系统软件和研究区分辨率为90 m的DEM数据采用考虑高程、坡度、坡向的改进的协克里金方法(Co-kriging)方法进行降雨的空间分布研究。改进的协克里金方法模型可表示为:

${\rm Z}(x{}_0)={\displaystyle \sum _{i=1}^n\lambda }{}_i{\rm Z}(x{}_i)+a{}_i[y(x{}_i)-m{}_{\overline{h}}+m{}_{\overline{p}}](6)$

式中:Z(x0)为x0点处估计降雨量;Z(xi)为第i站的实测降雨量;y(xi)为xi点处的高程;n为实测雨量站个数;m,m为高程和降雨全局平均值;ai为协克里金插值综合权重系数,由坡度、坡向、距离权重系数决定。

4.2.2 气 温

在融雪型新安江模型中,温度是和降水同样重要的模型输入变量。如何根据少数测站上的温度资料估计流域中各网格点上的温度,是模型需要解决的问题。由于流域内进行气温监测的站点比较少,无法通过插值的方法来探讨气温在空间上的变化情况。气象观测表明,气温随高程变化,最通常的情况是气温随高程线性递减,即各栅格单元的气温可由下式确定:

${\rm T}{\rm P}={\rm T}-{\rm T}{\rm I}\times ({\rm H}{}_i-{\rm H}{}_0)(7)$

式中:T为基本测站的日平均气温,℃;Hi为栅格单元中心平均高程,m;H0为基本测站的高程,m;TI为直减率,℃/100 m。

4.2.3 蒸发量

只有水文和气象站点进行蒸发量的监测,而遥测站点只进行降雨和气象的测报。本文采用修正的彭曼-蒙特斯(Penman-Monteith)公式计算遥测站点的潜在蒸散发。根据蒸发量和高程之间的关系,推算各栅格单元蒸发能力。

4.3 融雪径流模拟及评价

选择流域2005年5-9月作为模拟时段,模拟结果和实测的径流结果见图3。图3中实线为实测的日径流过程线,虚线为模拟的结果。通过模拟和实测的流量过程线比较,可以比较直观的检验和评价模拟结果的效果。模型采用确定性系数(R2)和水量误差(ΔW)来评价模型预测模拟的结果,表达式为:

$\begin{array}{l}R{}^2=1-\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^n[}Q{}_{\text{测}}(i)-Q{}_{\text{模}}(i)]{}^2}{{\displaystyle \sum _{i=1}^n[}Q{}_{\text{模}}(i)-\overline{Q}]{}^2}\\ \Delta W=\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^n[}Q{}_{\text{模}}(i)-Q{}_{\text{测}}(i)]}{{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}Q}{}_{\text{测}}(i)}(8)\end{array}$

式中:Q模为模拟实测流量; Q测为观测流量;$\overline{Q}$为模拟期平均观测流量;n为模拟期的天数。

由式(8),得到融雪径流模拟结果的两个精度指标分别为R2=0.812和ΔW=-0.037。月水量的合格率为100%,日水量的合格率为76.5%。与实测资料比较,模拟结果基本反映了径流量的实际变化趋势。其结果达到了比较好的模拟效果。

5 敏感性分析

5.1 方法和气候情景

模型参数取决于流域本身的地理、气候和水文特征,以及基于物理原理的实际观测和实验数据,因此可以用来进行气候变化对径流影响的模拟和评估。

模型的3个变量(气温、降水和积雪覆盖率)是气候变化的3个主要变量。由分析可知从1976年后研究区气温一直是上升的,因此采用的气温方案为模拟期日气温增加1℃和2℃(T+1℃和T+2℃)。因为降水变化有比较大的不确定性,故采用的降水方案为模拟期日降水减少和增减10%(P±10%)。

5.2 温度变化对融雪径流的影响

在降水、融雪、度日因子、临界气温和其他参数不变的情况下,使用数字水文模型模拟了日气温升高1℃和2℃径流过程的变化。从图4可以看出,在日气温升高1℃和2℃的情况下,融雪径流峰值和径流过程线除在6月份以前无较大变化外其余时段变化较大。可见,气温的变化导致了冰川和融雪径流分配的变化。图5在气温升高1℃和2℃条件下,模拟得到的月径流量。可以看出,在气温升高条件下,各月的径流量增加,计算得到在气温升高1℃条件下,5,6,7,8和9月份径流分别增加了10%、6.2%、12%、10.4%和15.5%;在气温升高2℃条件下5,6,7,8和9月份径流分别增加了19.8%、23.7%、27.4%、24.2%和39.7%。由此可以看出气温升高对有山区有一定的影响。5-6月份以前径流过程线无较大变化,主要是由于这一时期高程在2 000 m以下的积雪大部分消融,这一时期的气温冰川消融较少。

5.3 降水变化对融雪径流的影响

在气温、融雪、度日因子、临界气温和其他参数不变的情况下,使用数字水文模型模拟了降雨增加和减少10%时径流过程的变化。从图6可以看出,如果融雪径流的峰值是由降水引起,则当降水增加或者减少时,其峰值有较大的变化。从整个模拟的时段上看,降水增加的径流过程线和降水减少的径流过程线趋势一致。降水减少10%,则径流总量减少6.39%;当降水增加10%,而径流总量增加了3.8%。图7降雨增加和减少10%条件下,模拟得到的月径流量。可以看出,在降雨增加10%的情况下,各月的径流量增加但不是非常明显, 5、6、7、8和9月份径流分别增加了1.86%、2.87%、3.23%、6.61%和4.35%;在降雨减少10%的情况下,5、6、7、8和9月份径流分别减少了4.13%、9.23%、4.74%、7.04%和5.26%。

6 结 语

通过对研究区1957-2006年水文数据分析发现,气温具有明显势上升的趋,而降水和径流的变化具有较好的一致性采用气候情景结合水文模型的方法,进行了气候变化对山区融雪径流影响的模拟研究。模拟结果表明:在气温

升高1℃和2℃情况下,流域径流量增大,故融雪径流对气温的变化较敏感;在降水增加和减少10%的情况下,流域融雪径流量也随之不同程度的增加和减少,如果融雪径流的峰值是由降水引起,则当降水增加或者减少10%时,其峰值有较明显的变化。