基于同化数据的GRACE卫星反演中国陆地水储量变化降尺度分析

利用GRACE重力卫星反演得到陆地水储量变化受数据低空间分辨率的限制,目前仅应用于大尺度的空间范围内,为此提出一种简易的降尺度方法将GRACE陆地水储量变化精度提高了16倍。借助全球水文模型模拟的陆地水储量变化数据,在中国九大流域上进行分区对比分析,发现高分辨率数据基本保持了原始数据的时空变化趋势,同时又增加了水文模型模拟的水储量变化信息。此外,利用全国455个地下水位监测站的水位数据,验证了降尺度后的陆地水储量变化数据,可知高分辨率陆地水储量变化数据与实测地下水变化值的相关系数最高达0.847,普遍高于低分辨率GRACE陆地水储量变化值与实测地下水变化值的相关系数,证明降尺度后的数据更加准确有效。进而基于降尺度数据,利用EOF方法分析了2005年1月~2012年12月中国各地陆地水储量变化的时空变化特征,即在总体趋势上,长江流域及以南地区春夏两季的陆地水储量有明显增加,华北地区的地下水超采及南方流域的极端气候事件为影响该区域陆地水储量异常的重要因素。     

基于GRACE RL06的云贵高原水储量变化反演及分析

云贵高原河流湖泊众多、季节性水文活动剧烈,监测其水储量长期变化具有重要意义。联合利用GRACE RL06数据及GLDAS进行云贵高原陆地、地表和地下水储量变化反演,针对GRACE信号泄露、C20项误差和区域水储量加权策略进行了对比研究,并利用相关性分析、趋势分析和L-S时频分析对2003年1月至2010年12月云贵高原水储量变化时序进行了特征分析。结果表明,GRACE与GLDAS反演水储量时序之间相关系数达0.94,且两者变化趋势一致;水储量变化年周期显著,并存在0.5、2、3年周期;2003～2010年底地下水储量变化以2007年6月为节点,呈先减后增趋势,分别为-4.4、0.7mm/a,且总体呈增加趋势,为5.4mm/a,有效揭示了2003～2006年夏季干旱及2010年初严重干旱的旱情发展过程。     

基于GWR模型的海河流域地下水储量降尺度研究

利用GRACE重力卫星数据联合GLDAS数据反演可得到地下水储量变化,能够在大尺度范围监测研究区域内的地下水储量变化,但得到的数据空间分辨率仅有0.25°,在小尺度范围内难以应用。基于GRACE陆地水储量及GLDAS浅层地表水储量与降水、NDVI之间的空间关系,提出一种基于地理加权回归模型(GWR模型)的地下水储量变化的降尺度方法,将地下水储量空间分辨率降尺度到1 km。结果表明,GWR模型降尺度方法成功应用于海河流域地区,降尺度后的地下水储量数据变化与46个验证点实测地下水位数据的相关系数均大于0.6,模拟结果合理可靠。进而利用降尺度结果分析了海河流域与北京平原的地下水储量的时空变化特征,结果与现有数据高度吻合,表明基于GWR模型的降尺度方法能有效提高地下水储量变化数据的空间分辨率。     

基于GRACE重力卫星云南陆地水储量变化的降尺度分析

利用GRACE重力卫星数据反演得到陆地水储量变化,可监测大尺度区域水储量变化,但该数据空间分辨率低,在中小尺度上很难应用。基于GRACE陆地水储量变化和其他水文要素的关系,提出一种基于GRACE陆地水储量变化的统计降尺度方法,即将GRACE反演得到的空间分辨率为1°的水储量变化数据降尺度到0.25°,并运用地下水及土壤含水量的变化总量来验证降尺度之后数据的可靠性。结果表明,该统计降尺度方法成功应用于云南中部地区,降尺度后的水储量变化和实测的水储量变化的时间序列在三个验证监测点的相关系数均超过0.82,而相对误差低于5.5%,并利用降尺度的结果分析了2009年7月~2010年6月西南大干旱期间水储量及干旱的时空变化特征,发现统计降尺度方法可有效提高GRACE数据的空间分辨率,但也具有一定的不确定性。     

环境变化背景下海河流域水文特征演变规律

在气候变化和人类活动等要素的影响下,海河流域的水文特征发生了显著的变化。利用Mann-Kendall趋势检验方法诊断了1951~2010年海河流域环境变化背景下的河川径流量、入海水量、水资源总量和地表水资源量的演变规律。结果表明,1951~2010年海河流域的年平均气温呈现出显著的上升趋势,而年降水量呈现出显著的减少趋势;1980~2010年海河流域内的植被覆盖率明显提高,且从北到南增幅越来越大;流域内的地表水资源耗水量总体上呈现出先增加后稳定略减的变化特征;在环境要素变化的影响下,海河流域内的河川径流量、入海水量、水资源总量和地表水资源量都呈现出显著的减少趋势;滦河、海河北系和海河南系的入海水量、水资源总量和地表水资源量都呈现出显著的下降趋势,而徒骇马颊河的变化趋势不明显。     

基于GRACE卫星时变重力场的淮河流域地下水储量变化规律研究

鉴于淮河流域地下水储量变化规律研究对区域生态坏境和经济社会建设等具有重要意义,以淮河流域2002~2009年逐月GRACE时变重力场模型GRC_CSR_RL04数据为例,通过1 000km高斯平滑滤波反演,获得淮河流域陆地水储量的时空变化。同时采用同期GLDAS模型中土壤水和90眼地下水观测井实测地下水埋深数据推算淮河流域地下水储量的时空变化,并用另外31眼观测井数据对结果进行检验。研究反演了淮河流域2003~2009年地下水储量的变化过程,结果表明淮河流域水资源量多年平均增幅为0.13cm/a;地下水储量以约0.28cm/a趋势递增,全流域地下水年增长量约为0.756km3/a。     

GLDAS Noah模型水文产品与中国地面观测及卫星观测数据的对比

全球陆面数据同化系统(GLDAS)是全球水循环研究的重要数据源,基于重力卫星(GRACE)观测数据、中国的地面降水与径流观测数据,从模拟数据与观测数据之间的偏差、相关性及时空分布一致性角度,对GLDAS两个版本(GLDAS-1及GLDAS-2)的Noah模型模拟水文产品进行了评估。结果表明,GLDAS与GRACE TWS陆地水蓄量(TWS)变化情况在中国大部分地区一致性较差,且GLDAS-1与GLDAS-2均不能充分反映GRACE TWS数据的季节性变化规律;GLDAS-1与GLDAS-2模拟的中国外流区的径流明显低于观测径流,同时长江流域与松花江流域GLDAS-2模拟径流的精度远比GLDAS-1模拟径流的精度高;GLDAS-1与GLDAS-2在中国的外流流域的蒸散发均呈高估现象,且GLDAS-1的高估程度大于GLDAS-2。     

基于VIC模型的淮河中上游地区水量空间分布研究

研究淮河流域的水文循环过程及水量空间分布对合理开发利用水资源具有重要意义,采用VIC模型对淮河中上游地区各种水量要素(降水、蒸散发、地表径流、地下径流、植被截留水量、土壤含水率、截留水蒸发、植物散发、裸地及水面蒸发、降雪日的积雪深、积雪覆盖面积比等)的空间分布进行模拟。结果表明,模型反映的水量分布与实际的流域下垫面物理机制相符。流域的沙壤土和壤土地区的蒸散发量较大,而地表径流量较小。在有大面积水体或水库的区域,蒸散发量、植被截留水量很小,而地下径流量、深层土壤含水率较大。降雪日中流域的西北部更容易形成较大的积雪深。     

陕西泾河流域水资源评价

在实测水文资料的基础上,分析了陕西省泾河流域降水资源量、地表水资源量、地下水资源量、水资源总量、水资源可利用总量、水资源质量评价及水资源量趋势等,结果表明:陕西省泾河流域水资源总量6.32亿m3;泾河流域入境水量为14.01亿m3;陕西省泾河流域水利用总量为7.68亿m3。为陕西省泾河流域水资源管理及优化配置提供了参考。     

塔里木河流域水文循环要素变化特征分析

针对全球气候变化背景下塔里木河流域水文循环要素的剧变,分析了塔里木河流域的气温、降水、出山口径流的时空变化特征,采用Mann-Kendall检验法对流域水文气象要素的时间序列变化趋势进行显著性检验,获得了塔里木河流域水文循环要素变化基本事实及初步规律.流域出山口径流基本保持了丰枯交替的天然状况,对气候变化的响应并不明显.     

未来气候变化对赣江上游区极端径流影响预估

受气候变化影响,近年来赣江上游区洪旱灾害频发,但缺少综合评估未来气候变化情景下赣江上游区极端径流演变特性。采用IPSL-CM5A-MR气候模式模拟的RCP 2.6、RCP 4.5、RCP 8.5排放情景下的气候数据经统计降尺度,驱动栅格型新安江水文模型,预估未来气候变化情景下赣江上游区极端径流的演变趋势。结果表明,栅格型新安江水文模型能合理地模拟赣江上游峡山站的历史日流量过程和极端径流;3种排放情景下极端高流量较基准年呈显著的增大趋势,RCP 2.6情景最为明显;3种排放情景下极端低流量较基准年明显减小,RCP 4.5情景极端低流量减幅最大。结果可为适应气候变化的水资源管理提供依据。     

泾河水沙多年变化规律及驱动因素研究

为了解泾河多年水沙变化规律及其驱动力,基于泾河张家山水文站径流及泥沙数据,利用MannKendall趋势检验、Pettitt法、经验模态分解方法(EMD)等对年数据进行趋势、突变点和周期分析,并最终对水沙变化进行了归因分析。结果表明,泾河张家山水文站来水量和来沙量多年来呈减少趋势,并且在1990年代中后期发生突变;水沙变化主要拥有2年周期的波动,在发生突变后,波动幅度变的缓和,波动周期未发生变化;而水沙大幅度减少主要是由于上游流域退耕还林和人类直接取水拦沙活动所造成的。     

基于统计降尺度的黄河源区气象极值预测

针对全球气候变化对水文过程及极值事件的影响,在HadCM3的A2、B2情景下,应用统计降尺度模型(SDSM)预测了黄河源区未来气温、降雨和蒸发极值的变化趋势,并讨论了模拟效果。结果表明,模型对温度极值的捕捉效果不错,但降雨和蒸发略差,尤其是降水量、蒸发量较大的夏秋季。多数降水极值指标的变化趋势能成功模拟,而对量的捕捉能力是随指标变化的,黄河源区未来不同季节平均气温、蒸发的平均值、极值均呈增加趋势,最大持续干旱日显著减少,极端降雨强度在春秋季节大幅增加。这些变化将对高原寒区的水文及生态环境带来积极影响。     

气候变化与人类活动对滦河流域径流变化响应

针对气候变化和人类活动对流域水循环与水平衡的影响,以滦河流域为研究对象,基于SWAT模型,通过输入实测降雨、温度等气候资料及还原后的降雨资料,建立各时期气候变化及人类活动影响下的径流响应模型。结果表明,不同时期径流量呈现不同程度的减少,而引起径流减少的主要因素是人类活动的影响,气候变化的贡献率为20%~40%。     

变化环境下水文模型在洛阳河流域中的应用

为了提高通胜山丘区来水模拟精度,解决通胜地区防洪安全问题,分析了洛阳河流域下垫面土地利用类型,并基于遗传算法构建水文模型进行洪水模拟。结果表明,近20年来,在现有气候、下垫面等变化环境下,洛阳河流域下垫面不同土地类型面积变化较大,快速城镇化使得旱地明显减少,水田增加11%,水面基本保持不变,水文模型参数也在发生动态变化,新水文参数与原始水文参数相差较大,前者模拟结果在径流深、洪峰、峰现时间、确定性系数4个方面均明显优于后者,可见基于遗传算法优化的水文模型参数能较好地反映现状下垫面水文情景。     

土地利用变化对流域产水特性的影响研究

以淮河上游息县水文站以上流域为例,基于研究区域3期(20世纪80年代、90年代、2000年以后)土地利用数据及地形、气象、水文、土壤、农业管理等数据,应用SWAT模型模拟研究区域产汇流过程,分析土地利用变化对流域产水特性的影响。结果表明:在降水量、坡度和土壤质地相同的情况下,径流模数大小为旱地>水田>林地;在坡度和土壤质地相同的情况下,土地利用方式对降水量变化的产水敏感性为旱地>水田>林地(径流系数变化率),可见土地利用模式的变化可影响流域的产水特性,耕地向林地的转变将使流域产水减少。     

变化环境下北京清水河流域径流响应研究

为辨析北京市清水河流域在变化环境下径流量的变化情况,利用分布式水文模型(WEP-L)模拟流域水文过程,利用模型计算结果分析气候(气温、降水)和土地利用类型发生变化的情况下清水河流域径流响应情况。结果表明,汛期降水减少和气温升高导致年径流量显著减少;气候变化是流域径流量减少的主要原因;在气温不变的情况下,随着降水的减少,径流量减少的量逐渐变小,但减少率增大;降水不变的情况下,径流量随着气温升高先增加后减少,减少率变化不明显;降水减少是径流量减少的主因。研究成果可为水资源开发管理和土地利用的合理规划提供依据。