CMADS在霍童溪流域SWAT模型径流模拟中的应用研究

中国东南沿海山区中小流域同样存在气象数据稀缺问题,导致流域水文模型研究受限。中国大气同化驱动数据集(CMADS)是一类可获得再分析气象数据集,用于填补水文模型数据空缺,研究其在SWAT径流模拟中的适用性显得尤为重要。以福建霍童溪流域为研究区,以测站数据为参照,通过数据一致性评价、SWAT模型径流模拟的检验系数以及水文要素空间分布对CMADS进行适用性评价。研究结果表明:两类数据降水空间分布一致,温度数据相关性较高;CMADS和测站数据在月、日尺度SWAT模型径流模拟中R~2和NSE系数均达到了较好的结果;CMADS模式水文相关分量与测站模式偏差较小且空间分布一致,CMADS数据集在东南沿海代表性流域径流模拟有较好的适用性。     

黄淮海流域实际蒸散发时空演变规律分析

蒸散发是气候系统能量循环和水分循环的关键要素，探究黄淮海流域实际蒸散发的演变规律及其影响因素对深入理解该区域水循环对气候变化的响应具有重要意义。基于1980—2018年黄淮海流域的GLEAM蒸散发产品数据、气象数据和NDVI数据，采用线性回归法、Mann-Kendall检验及相关性分析等方法，分析了实际蒸散发的时空演变规律及其影响因素。结果表明:GLEAM产品的计算值在黄淮海流域的验证精度较好，流域内多年平均实际蒸散发量为474 mm，呈显著上升趋势。实际蒸散发的空间变化范围是183~708 mm，空间差异显著，呈现从东南向西北方向递减的趋势，季节的空间分布与年际分布特征基本一致。实际蒸散发与NDVI均呈显著正相关关系，与降水和气温以正相关关系为主。黄淮海流域降水变化不明显，气温显著升高，NDVI增加是流域内实际蒸散发量显著上升的主要原因。     

CMADS数据集及其在流域水文模型中的驱动作用——以黑河流域为例

大气驱动场的质量一直是影响水文模型模拟结果的重要因素之一,较差的大气驱动场数据通过误差传递,使得水文模型输出结果的不确定性增加。我国幅员辽阔且地形复杂,而气象观测站点却相对稀缺,现有观测站点已不能满足大尺度水量、能量平衡过程的模拟研究工作。引入中国陆面同化系统强迫场CLDAS,建立CMADS数据集,以祁连山黑河流域为典型研究区,利用CMADSV 1.0版本数据集驱动SWAT模型,并对CFSR及传统气象站驱动SWAT的结果进行对比分析。通过对黑河流域3个水文控制站(莺落峡,祁连山及扎马什克)径流量进行率定与验证后发现:CMADS+SWAT模式径流输出结果总体优于CFSR+SWAT模式及TWS+SWAT模式的模拟结果,利用CMADS+SWAT模式亦可很好地反映黑河流域各类地表分量(如土壤湿度、融雪等)时空分布特征,表明CMADS数据集较传统气象站驱动大中尺度水文模型拥有更明显的优势,该数据集将为我国地面气象站缺乏区及无站区(如中国西部及我国大部分高寒山区等)的大气-水文耦合研究提供重要的气象数据保障。     

金沙江流域实际蒸散发时空分布特征及其影响因子

通过GRACE重力卫星观测数据和GLDAS陆面模式同化数据重构金沙江流域实际蒸散发,采用质量守恒约束降尺度方法提升GRACE重力卫星陆地水储量观测数据的空间分辨率;基于水量平衡方法,重建了金沙江流域2002—2016年的子流域尺度逐月实际蒸散发,分析了金沙江流域实际蒸散发的时空变化特征以及影响实际蒸散发的主要驱动因子。结果表明:重建的实际蒸散发与7种蒸散发产品的可靠性均较高,其中与NOAH产品的平均差和均方根误差最小,与PLSH产品的相关系数较好,为0.82;金沙江流域多年平均实际蒸散发量为447.30mm,空间分布上自西北向东南逐渐增加。2002—2016年蒸散发呈不显著的增加趋势;各土地利用类型蒸散发中,林地蒸散发的增加速率最大,草地的增加速率最小;金沙江流域实际蒸散发主要受降水和气温影响,受风速影响次之,受归一化植被指数和相对湿度的影响较小。     

2001—2017年黄土高原实际蒸散发的时空格局

为了给全面评估黄土高原地区大规模实施退耕还林还草的生态效应提供依据,基于NASA发布的空间分辨率为500 m的MOD16A2蒸散发数据产品,分析了黄土高原以及黄河中游典型流域2001—2017年实际蒸散发量时空变化特征。结果表明:黄土高原年均实际蒸散发量从西北向东南递增,多年平均季节蒸散发量空间分布格局与年平均蒸散发量分布格局基本一致,季节蒸散发量由大到小顺序为夏季>秋季>春季>冬季;实施退耕还林还草工程以来,黄土高原年均蒸散发量以8.23 mm/a的速率显著增加,多年平均蒸散发量为278.71 mm;黄河中游各典型支流2001—2017年蒸散发量均呈现增加的趋势,延河流域增速最大(为12.96 mm/a),皇甫川流域增速最小(为4.34 mm/a);不同流域实际蒸散发量差异较大,渭河干流年均蒸散发量最大(为388.26 mm),皇甫川流域年均蒸散发量最小(为153.71 mm)。     

Uncertainty analysis of actual evapotranspiration reconstructed with GRACE gravity satellite data in the Jinsha River BasinEI北大核心CSCD

通过GLDAS数据对GRACE重力卫星水储量数据进行降尺度处理,采用水量平衡方程重构了金沙江流域2007—2016年25个子流域月实际蒸散发数据,采用拉丁超立方抽样法确定各水量平衡参数的不确定性,并对各参数和实际蒸散发进行不确定性分析。结果表明:抽样样本数为415时,抽样结果较好,各参数中降水量的不确定性变化范围最大,水储量变化次之,径流深最小;金沙江流域年均实际蒸散发不确定性变化范围为46.02~146.19 mm,空间分布总体上表现为自西向东、自北向南逐渐增大的趋势,信噪比分布与不确定性分布有一定的相似性;在年、季节尺度下,流域内不同土地利用类型的实际蒸散发不确定性由大到小排序均为林地、灌丛、农田、草地、其他占地类型;实际蒸散发不确定性在季节上呈现出差异性,夏季不确定性变化范围最大,冬季最小。     

地下水开采对海河流域水循环过程影响的模拟

利用分布式时变增益水文模型(DTVGM)的产流机制改进CLM3.5(Community Land Model version 3.5)的水文过程参数化,同时嵌入地下水开采对流域水循环影响的模块,并考虑经济社会用水,建立能够描述流域自然-人文过程的大尺度陆地水循环模型(CLM-DTVGM)。以地下水开采严重的海河流域为研究区,以中科院青藏高原研究所建立的中国区域高时空分辨率地面气象要素数据集作为大气强迫驱动,针对海河流域1980年-2010年的水循环过程进行模拟,分析地下水开采活动对流域水循环过程的影响。结果表明:地下水开采活动引起海河流域地表径流和土壤湿度整体有所减少,蒸散发则呈增加趋势,且各水循环要素空间分异较大。     

基于 Kc和 NDVI 关系的蒸散发量空间尺度提升 及时空变化

为探究流域长时序高空间分辨率蒸散发量计算对区域水资源开发利用、水利工程规划设计及农业可持续发 展的重要意义,以河北省邢台市柳林流域为研究对象,基于 Penman-Monteith 模型和蒸渗仪实测蒸散发数据计算 不同时期的流域作物系数（Kc）,并建立 Kc与归一化植被指数（normalized?difference?vegetation?index,NDVI）的关系, 利用 250?m 分辨率 NDVI 产品将蒸渗仪测算的蒸散发量升尺度到柳林流域,计算流域各网格 2000—2021 年的蒸 散发量,分析蒸散发量的时空变化规律。结果表明：柳林流域多年平均潜在蒸散发量为 1?135.6mm,呈下降趋势; 多年平均蒸散发量为 591.4mm,呈上升趋势。蒸散发量在空间上西北高东南低,四季蒸散发量空间分布特征与多 年平均蒸散发量一致,且季节上分配不均。基于 NDVI 估算的蒸散发量与水量平衡法计算的蒸散发量 2000—2020 年多年平均相对误差为 7.9%,说明利用 Kc与 NDVI 关系可以较精确地对蒸散发量进行空间尺度提升。     

基于水能分配空间坐标系的流域蒸散变异归因研究

气候和下垫面变化对流域蒸散发产生显著影响,然而,如何定量分解两者对蒸散发变异的贡献程度,一直以来是流域水文学研究的重点和难点。本研究基于水量与能量平衡基本原理,建立水量-能量分配空间坐标系统,分离并量化气候及下垫面变化对流域蒸散发的影响。基于优化的水量-能量分配框架,对全球83个典型流域的实际蒸散发变化（1900—2008年）进行归因研究,对比该方法与基于Budyko-Fu公式的分解法的计算成果,检验该框架在全球范围大尺度流域的科学性和适用性。结果发现,实际蒸散发的变化,在持水能力低的湿润流域主要受下垫面因素的驱动,而在持水能力强的湿润流域中主要受气候因素的影响;对于持水能力低的半湿润流域以及干旱与半干旱流域,其水热状态的变化轨迹主要沿干燥指数线移动,流域内实际蒸散发的变化主要受下垫面因素驱动。与已有基于Budyko-Fu公式的分解法计算结果的比较表明,本研究建立的基于水能分配框架的蒸散发归因方法具有较好的可靠度。此外,相对于传统的Budyko分解法,基于水量-能量分配法的水能空间坐标系能直观地分析气候及下垫面变化分别对流域实际蒸散发的贡献大小、方向及不同时段下流域水能状态的变化轨迹,具有较强的实用性。     

CLM5陆面模式在珠江流域蒸散发模拟的效果评价

为探究最新版本的陆面模式CLM5(Community Land Model, version 5)对地表蒸散发的模拟效果,选取珠江流域为研究区域,采用CLM5对该流域1989—2018年的地表过程进行模拟,并以基于卫星观测的GLEAM遥感蒸散发产品作为真值对模式的蒸散发模拟表现进行评价。评价从时间和空间的多个尺度展开,结果表明,时间上,CLM5对珠江流域的蒸散发模拟存在不同程度的低估,流域多年平均蒸散发的相对误差为-16.07%,这种低估主要来源于对冷季蒸散发低值的低估。相比之下,CLM5对于暖季蒸散发高值的模拟表现较好。空间上,CLM5在流域东南部、南部和西部区域的蒸散发模拟效果较好,北部地区模拟表现较差。研究可以为CLM5陆面模式中蒸散发模块的发展提供参考。     

云南高原湖泊洱海流域年降水量时空分布特征研究

为更好地保护洱海生态环境、高效利用水资源和实现湖泊资源的可持续利用提供技术支撑,采用数理统计、趋势法和小波分析等方法,对洱海流域年降水量的地区分布和时空变化,以及年内、年际、多年变化趋势和丰枯变化情况进行分析。研究结果表明:洱海流域年降水量由南向北、由西向东递减,在流域西部和北部,降水量受地形影响较为明显,随高程升高而增大,垂直变化较为显著;全年降水量主要集中在5—10月,占全年降水量的84.9%~93.2%,说明该时段降水量较大程度地决定了年降水量,每年11月至次年4月降水量仅占全年降水量的6.8%~15.1%,最大月降水量出现在7月或8月,最小月降水量出现于12月;洱海流域年降水量年际变化相对较稳定,但呈逐年减少趋势;并存在丰→枯→丰等多个循环交替。     

基于SWAT模型分析嘉陵江流域蓝、绿水资源量的时空变化特征

嘉陵江流域是成渝双城经济圈发展的重要水源区,其水资源状况的变化对实现我国新发展格局有重要影响。基于SWAT模型对嘉陵江流域水文过程进行模拟,探究了1981-2020年及典型年嘉陵江流域的蓝、绿水时空分布特征,采用Mann-Kendall(M-K)分析年际间蓝、绿水资源量的变化趋势。结果表明：流域多年平均降水量为931 mm,为蓝、绿水资源量之和,蓝水资源量多年均值为386 mm,占降水量的41.5%;绿水资源量多年均值为545 mm,占降水量的58.5%,1981-2020年流域降水量和绿水资源量总体呈增加趋势,蓝水资源量呈减少趋势。特枯水年、平水年、特丰水年的蓝水资源量分别为165.61、456.71和643.70 mm,绿水系数在典型年变化差异较大。空间上,流域内蓝水资源量、绿水资源量与降水量的分布特征相似,呈现从上游到下游先减小后增大、西少东多的空间格局。     

鄱阳湖流域1961—2010年极端降水变化分析

基于鄱阳湖流域14个国家气象站1961—2010年的日降水量数据,采用百分位法定义阈值,识别极端降水事件;采用线性回归方法进行趋势检验,进而对鄱阳湖流域1961—2010年极端降水的时空变化特征进行分析。结果表明,相比年降水,流域极端降水的变化趋势更为明显;1961—2010年鄱阳湖流域极端强降水强度呈显著增大趋势而极端强降水天数显著减小;极端降水强度增大的区域主要分布在赣江流域和抚河流域。1961—2010年鄱阳湖流域大部分站点极端降水不存在突变,降水在时间上有分布更加集中的趋势。鄱阳湖流域极端降水的上述变化,对流域水资源管理提出了更加严峻的挑战。     

基于广义互补原理的嘉陵江流域实际蒸散发时空分布特征及影响因素

为深入了解嘉陵江流域实际蒸散发特征及其变化原因,基于1956—2000年嘉陵江流域13个气象站点逐日观测资料以及流域逐年径流数据,运用广义互补相关原理模型,分析嘉陵江流域实际蒸散发量E_Ta时空分布特征,通过分析Pearson相关系数研究实际蒸散发量和气象因子的相关性,探讨其变化原因。结果表明:①广义互补相关原理理论模型适用于嘉陵江流域,且E_Ta估算精度高,平均绝对误差为6.79 mm,平均相对误差仅为1.42%;②1961—2000年嘉陵江流域实际蒸散发量时间分布上呈现缓慢降低趋势,下降速率达-5.3 mm/(10 a),空间分布表现为北高南低、东高西低,最大值649.86 mm,出现在甘肃省迭部县;最低值188.26 mm,位于四川省松潘县;③1961—2000年嘉陵江流域日照时数和日较差的下降导致辐射能量项的降低,致使实际蒸散发量减少,日最高温、日最低温、实际水汽压的增加以及2 m风速的下降造成空气动力学项的减少,缓解了实际蒸散发量的减弱。首次将广义互补相关原理理论模型运用到嘉陵江流域E_Ta的计算,取得了较好的估算精度,为嘉陵江流域的水资源评价、制定正确的水资源规划及未来实现水资源持续发展提供科学依据。     

1971-2018年汉江流域陕西段降水时空特征分析

基于1971-2018年汉江流域陕西段 27个气象站点的逐日降水数据,选择了年降水量、降水强度、最大日降水量、年降水日数、中雨日数和大雨日数6个降水指数分析其降水时空特征,分析方法包括线性估计法、小波分析法、滑动均值法、IDW 空间插值法及Mann-Kendall检验法。结果表明：在研究时段内,汉江流域陕西段降水强度有缓慢增加趋势,其余5个降水指数均呈缓慢减小趋势,且6个降水指数的变化趋势均不显著;研究区域仅年降水日数无突变点,且在1995年后呈现显著减小趋势,其余降水指数均有突变点;年降水量有7 a的副周期和27 a左右的主周期,主周期有3个循环交替,且丰、枯交替突变点在1983和2000年。汛期降水量与年降水量周期基本一致,而非汛期有4和16 a两个副周期和1个28 a的主周期;年降水量空间分布呈现由北到南逐渐增大的趋势,除了年降水日数的高值中心在宁强县外,其余5个降水指数的高值中心均在镇巴县,而低值中心除了降水强度在太白县外其余的均在商县。在研究时段内各年代际降水指数的比较中,1971-2018年的年降水量、降水强度和年降水日数均仅次于最大值,预计未来极端降水事件可能更加频繁,严重的情况下会影响水生态、水环境、水安全等的健康发展。     

长江上游气温、降水和干旱的变化趋势研究

基于长江上游1962~2012年的85个气象观测站的实测数据,统计分析了该区域气温和降水的变化趋势,并结合SPEI(standardized precipitation evapotranspiration index)指数评价分析了干旱的变化趋势。研究结果表明:长江上游年平均气温呈现上升的趋势,增温率为0.195℃/10a,秋、冬平均气温呈现明显的上升趋势;多年平均气温最高的地区集中在长江上游的南部和东部,西北部最低;多年平均年降水量变化趋势不显著,降水季节性变化差异比较大,春季和冬季的降水量呈现上升的趋势;多年平均年降水主要集中在东部地区,西北部最低。SPEI指数的分析结果显示,长江上游区域干旱状况整体呈现加剧的趋势,干旱次数和干旱程度均加剧,长江上游东部地区干旱趋势最为严重,西北部地区呈现变湿趋势。     

黄河流域近40年气候变化的时空特征

黄河流域是我国主要的气候敏感区之一,气候变化对其生态环境演变与经济社会发展有显著影响。本文利用欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料分析了黄河流域过去40年的温度、降水、水汽通量散度、蒸散和荒漠化风险等的演变特征,结果发现:1979—2019年黄河流域四季均呈现明显增温趋势,其中春季增温最为明显;季节性降水的变化差异显著,春季和夏季降水呈现下降趋势,秋季降水增加;黄河流域空中水汽以辐合为主,过去40年黄河流域上游水汽辐合年际波动最小,中游次之,下游最大;黄河流域蒸散整体呈现减少趋势,其中增加趋势集中在上游地区;黄河流域荒漠化风险整体处于中等风险以上,呈现由南向北加剧的空间分布,1982—2014年黄河流域荒漠化风险呈现下降趋势。本研究厘清了全球气候变化背景下黄河流域蒸散、水汽输送和降水等水循环过程的变化规律,能够为维护黄河流域地区生态安全、防范重大气象灾害风险提供科学依据。     

拉萨河流域水循环要素演变趋势分析

采用Mann Kendall秩次相关检验法、线性回归分析等方法对拉萨河流域水循环要素长期变化趋势进行了分析研究。结果表明,拉萨站的年平均气温总体上均呈上升趋势,每10年增加0.33℃,气温上升趋势显著;年蒸发能力总体上均呈上升趋势,但上升趋势并不显著;年降水量长期变化趋势不明显;拉萨站的年平均流量总体上呈上升趋势,但上升趋势并不显著;自2000年以来,拉萨站出现中水年的机会较少,出现丰水年的机会较多且丰枯变化剧烈;拉萨站径流年内分配不均匀系数和7—9月降水量占全年比例年际间较稳定。