基于CMIP5多模式集合和PDSI的黄河源区干旱时空特征分析

针对黄河源区干旱情势逐年加剧的问题,采用CMIP5模型两种排放情景(RCP4.5和RCP8.5)下的8个模型的统计降尺度结果,运用最优赋权的多模式集合技术进行多模式集合优化,构建两种排放情景(RCP4.5、RCP8.5)的降水和气温数据集。在此基础上,构建黄河源区的VIC模型,结合帕尔默干旱指数(PDSI),分析黄河源区干旱的时空特征与变化趋势。结果表明,该流域在基准期(1961—1990年)的PDSI变化较为平稳,表现出微弱的增加趋势,未来时期(2021—2050年)PDSI则显著增加。在1961—1990年,黄河源区大多数地区干旱发生的频次在10次左右,平均干旱历时在4～10个月,平均烈度为6～24。在未来时期两种情景下,干旱的平均历时和平均烈度相较于基准期有所减少,且RCP8.5情景下的变幅明显高于RCP4.5。     

基于GCM模型的塔里木河流域未来径流变化研究

为研究塔里木河流域未来降水、气温变化以及径流的响应,本文提出了GCM下RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5三种情景与分布式水文模型SWAT相对接的研究方案。采用气候模式输出的降水、气温等资料作为SWAT模型输入数据,分析了未来2020—2050年流域降水、气温与径流变化规律。结果表明:在RCP2.6情景下,各子流域降水大多表现为增加趋势,在RCP4.5情景下降水表现出减少趋势,在RCP8.5情景下降水趋势性不明显;在不同RCP情景下,各子流域温度均呈现明显上升趋势,且升温情况随着RCP情景对应辐射强迫的增加而增加;2020—2050年,阿克苏河与和田河年径流增加明显,且增加量从RCP2.6情景到RCP8.5情景逐渐增大,叶尔羌河年径流存在一定增加,但幅度并不显著;开都河年径流变化不大;塔里木河上游三源流径流在未来均呈现明显丰水状态;开都河径流呈现丰枯交替现象。研究结果可为流域水资源规划和管理提供重要参考。     

长江流域气象干旱演变特征及未来变化趋势预估

基于长江流域及周边范围在内的318个气象站点1956—2018年的实测资料和CMIP5全球气候模式在3种RCPs情景下的预估数据,以标准化降水蒸散发指数作为干旱等级的划分指标,对流域历史气象干旱时空演变特征进行了分析,并预估了流域未来不同排放情景下的气象干旱时空变化趋势。结果表明:①近60 a,流域干旱率年际变化较大,平均干旱率为18.21%。从年代变化来看,近20 a干旱影响范围普遍较大;干旱频发地区主要位于岷江流域,干旱次数呈从上游向下游递减的趋势;高强度的干旱多发生于金沙江中下游地区和成都平原地区,平均场次干旱强度也呈从上游向下游递减的趋势;②在RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景下,2020—2050年长江流域多年平均干旱面积分别为74.1万km²、75.7万km²和126.4万km²;流域上、中、下游干旱频次多年平均值分别为1.1~1.2次/a、1.0~1.1次/a、1.0~1.1次/a。预估时段内上、中、下游干旱频次较历史时段分别增加38.4%~50.7%,33.7%~45.3%和32.6%~49.6%;预估时段内上、中、下游干旱强度多年平均值分别为-1.68,-1.64,-1.60,与历史时段差别不大。研究结果可为相关部门制订科学合理的干旱灾害防范措施和对策提供科学依据。     

东江流域气象干旱向水文干旱传递阈值研究

对不同干旱类型之间传递阈值研究可有效分析干旱传递的发生规律和机理,特别是对气象干旱向水文干旱传递阈值的研究。以东江流域为研究对象,计算月尺度的标准化降水指数SPI和标准化径流指数SRI,并基于游程理论识别干旱事件,提取干旱事件及其特征,包括干旱历时和干旱烈度。对发生时间全部或部分重叠的气象干旱事件和水文干旱事件进行匹配。对匹配后的干旱特征属性进行边缘分布拟合,验证气象干旱和水文干旱的历时或烈度之间的相关性,基于二变量Copula函数分别建立气象干旱与水文干旱特征的联合分布模型,计算不同气象干旱条件下不同等级水文干旱(中旱、重旱、极旱)发生的条件概率,取条件概率为0.95时对应的气象干旱历时或烈度值,作为气象干旱向该等级水文干旱传递的干旱历时(烈度)阈值。结果表明:东江流域气象干旱历时和烈度的最优拟合函数均为伽玛分布,水文干旱历时的最优拟合函数为伽玛分布,水文干旱烈度的边缘分布函数为广义正态分布。Gumbel-copula函数拟合干旱历时和烈度的效果较好。东江流域中旱、重旱、极旱等级的干旱历时传递阈值分别为6.9、8.3、9.4个月;干旱烈度的传递阈值分别为4.6、5.7、6.6。干旱传递阈值可以为水文干旱的预测以及防旱减灾的决策提供参考。     

气候变化背景下流域生态需水预估−以好溪流域为例

为探究未来气候变化对流域生态需水量的影响,保障河流生态需水量,针对好溪流域进行生态需水量计算 及预测。基于好溪流域气象数据及下垫面条件建立流域生态需水模型,并根据 GF1-WFV 遥感影像数据订正后的 地表反射率和作物种植结构提升模型模拟精度。选择 CanESM2气候模式下的 RCP2.6、RCP4.5 和 RCP8.5 这 3 种 排放情景,建立气候变化背景下流域生态需水预测方法,计算现状年并预测未来年份的生态需水量及生态需水保 障程度。结果表明,基于光学遥感影像进行数据订正后,模型模拟精度有所提升,率定期的模型精度 R2从 0.80 提 升为 0.85,验证期的 R2从 0.75 提升至 0.78。应用提升精度后的模型进行生态需水预测,在 RCP2.6、RCP4.5 和 RCP8.5 情景下,2025—2100 年的年均生态需水分别增加了 0.27 亿、0.21 亿和 0.29 亿 m3,其中 RCP8.5 情景下生态 需水保障程度最高,RCP4.5 情景下生态需水保障程度最低。     

Construction of an optimized comprehensive drought index for agricultural watersheds in cold regions and its applicability analysisEI北大核心CSCD

以挠力河流域为寒区农业流域典型区,构建融合多源信息的综合干旱指数用于寒区农业流域干旱特征的评估,并分析其适用性。基于构建的SWAT模型模拟挠力河流域水文气象要素,计算单一的标准化降水蒸散发指数(SPEI)、标准化土壤湿度指数(SSI)和标准化径流指数(SRI),运用主成分分析法和熵权法分别对3种单一干旱指数赋权,通过最小偏差法计算最优组合权重,构建融合气象干旱、农业干旱和水文干旱信息的综合干旱指数(OCDI)。结果表明:OCDI的干旱事件监测结果与历史干旱事件吻合度较高,综合考虑多时间尺度下的OCDI对于挠力河流域干旱状况描述更为准确和全面;3种单一干旱指数监测的干旱程度空间分布差异明显,融合多源信息的OCDI能够从气象干旱、农业干旱和水文干旱多角度揭示挠力河流域综合干旱特征;OCDI与不同类型单一干旱指数均有较高的相关性,在挠力河流域上游对于干旱的综合表征能力更优且年尺度的OCDI综合表征能力优于季尺度和月尺度;OCDI能够较好地识别和区分该流域的综合干旱程度,随着OCDI所识别综合干旱程度的加重,流域实际受旱面积相应增大。     

基于多模式情景的长江中下游未来气象干旱时空演变特征分析

为了分析未来时期(2020—2099年)长江中下游区域气象干旱演变特征,选取跨行业影响模式比较计划(ISIMIP)的4个全球气候模式,基于不同代表性浓度路径(RCP)的排放情景(RCP-2.6、RCP-6.0和RCP-8.5),分别计算了标准化降水指数(SPI)和标准化蒸散发指数(SPEI),探讨了两种指数对研究区气象干旱的刻画能力,分析了研究区未来气象干旱变化规律。研究结果表明:未来时期SPI整体呈增加趋势,汉江流域和洞庭湖水系西北区域增加幅度较大,说明该区域干旱减缓趋势明显;SPEI呈显著减小趋势,且随着排放浓度的增加,减小幅度逐渐增加,洞庭湖水系和鄱阳湖水系东南区域减小趋势较大,说明该区域未来时期干旱增加趋势明显;不同情景下SPI减小的区域SPEI也呈减小趋势且减小幅度更大;研究区SPI与SPEI的相关性从北到南、从西到东逐渐增强;SPI与SPEI的整体相关性随着排放浓度的增加逐渐减弱。研究成果有助于预估未来长江中下游区域干旱发生演变规律。     

CMIP5多模式下中国不同流域植被动态变化预测

植被动态变化研究对于了解全球气候变化具有重要意义。利用1982～2015年中国区域的植被归一化指数NDVI、降水和潜在蒸散发数据,构建植被动态预测模型,从水分亏缺的角度,分析降水和潜在蒸散发对植被的影响,结合CMIP5模式提供的两种情景(RCP 4.5和RCP 8.5),预测未来的植被动态变化。结果表明：RCP 8.5情景下的NDVI增加程度大于RCP 4.5情景。在RCP 4.5情景下,未来春季、夏季、秋季和生长季的NDVI平均增量分别为0.02,0.09,0.11和0.07;而在RCP 8.5情景下,未来春季、夏季、秋季和生长季的NDVI平均增量分别为0.06,0.09,0.12和0.08。未来中国不同流域的植被覆盖程度均出现增长,西南诸河流域的植被覆盖程度增长显著,而未来内陆河流域的植被覆盖程度增长较小。     

黄河流域未来极端气候事件变化趋势评估

极端气候事件会对陆地生态系统服务功能以及人类社会生活造成严重影响。针对GFDL、FGOALS和CCSM4这3种CMIP5气候模式，对RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5未来情景下的黄河流域极端气候时空变化特征进行研究。结果表明：RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5情景下流域日最高气温的上升速率分别为0.052、0.170、0.470℃/10 a,日最低气温的上升速率分别为0.029、0.170、0.460℃/10 a。日最高气温和日最低气温的空间分布规律呈现出一致性，从黄河上游河源区向中下游呈上升趋势。未来情景下黄河流域整体年降水量呈弱增加趋势，到21世纪后期，高温室气体排放情景下年降水量的增幅变大。     

人类活动影响下塔里木河流域气象干旱向水文干旱传播的规律

为了解人类活动影响下塔里木河流域气象干旱向水文干旱传播的规律,基于标准化降水指数(SPI)和径流干旱指数(SDI)分析了气象、水文干旱的变化特征,探讨了人类活动对气象干旱向水文干旱传播规律的影响。研究结果表明：源流区气象、水文干旱均呈减弱趋势,干流气象干旱呈减弱趋势,水文干旱与之相反;随时间尺度增大,干旱历时延长;源流区气象、水文干旱以及干流气象干旱的发生频率受人类活动影响后(1993年后)均降低,仅干流水文干旱的发生频率升高;受人类活动影响后,源流区不同季节气象干旱向水文干旱的传播时间均变长,干流干旱传播时间除春季外均缩短;源流区干旱传播时间延长与气候变化有关,而干流干旱传播时间缩短主要是受人类活动的影响。     

西南地区气象干旱向水文干旱传播的特征

为了解西南地区气象干旱向水文干旱传播的特征,采用西南地区1968—2017年101个气象站观测资料和8个水文站月径流资料,计算了标准化降雨蒸散发指数(SPEI)和标椎化径流指数(SRI),基于皮尔逊相关系数(PCC)确定了干旱响应时间并结合游程理论识别、融合和剔除干旱事件,构建了线性干旱传播模型并确定了西南地区部分流域气象干旱向水文干旱传播的触发阈值。结果表明：西南地区干旱响应时间为2～7月;水文干旱敏感度分布与气象干旱传播率分布较为一致;干旱烈度传播阈值较小的流域,水文干旱事件历时更长。     

南水北调中线水源区和受水区干旱遭遇风险评估

基于 1961—2019 年气象观测数据和 CMIP6 模式数据,利用标准化降水蒸散指数（standardized?precipitation evapotranspiration?index,SPEI）计算南水北调中线水源区和受水区的干旱指数,并利用经验正交分析法、主成分分 析法和 Copula 函数法,对水源区与受水区的干旱演变规律进行分析,揭示干旱遭遇的联合概率分布,并对未来干 旱遭遇进行预估。研究结果表明：水源区和受水区干旱事件遭遇频繁,1965—1971 年和 1987—2005 年均出现较 为严重的干旱遭遇事件,同时在 1970 年代中后期至 1985 年前后,出现了长期明显的区域差异性;水源区和受水区 中旱和重旱的联合重现期分别约为 18 年一遇（5.51%）和 123 年一遇（0.81%）,两地同时出现极端干旱的重现期约 为 323 年一遇（0.31%）;不同气候情景下以年尺度 SPEI 指数,对南水北调中线水源区和受水区的未来干旱事件预 估表明,未来水源区和受水区在 SSP1-2.6 情景下干旱遭遇次数相对较少,而在 SSP2-4.5 情景下的 2034—2036 年、 2044—2045 年以及在 SSP5-8.5 情景下的 2032—2033 年、2068—2070 年,将有可能发生较严重的干旱遭遇事 件。     

Comparative evaluation of impacts of climate change and droughts on river flow vulnerability in Iran

Rivers in arid and semi-arid regions are threatened by droughts and climate change. This study focused on a comparative evaluation of the impacts of climate change and droughts on the vulnerability of river flows in three basins with diverse climates in Iran. The standardized precipitation-evapotranspiration index (SPEI) and precipitation effectiveness variables (PEVs) extracted from the conjunctive precipitation effectiveness index (CPEI) were used to analyze the drought severity. To investigate hydrological droughts in the basins, the normalized difference water index (NDWI) and the streamflow drought index (SDI) were calculated and compared. The effects of droughts were assessed under various representative concentration pathway (RCP) scenarios. Changes in the number of wet days and precipitation depth restricted hydrological droughts, whereas an increasing number of dry days amplified their severity. The projected increases in dry days and precipitation over short durations throughout a year under future climate scenarios would produce changes in drought and flood periods and ultimately impact the frequency and severity of hydrological droughts. Under RCP 4.5, an increase in the frequencies of moderate and severe meteorological/hydrological droughts would further affect the Central Desert Basin. Under RCPs 2.6 and 8.5, the frequencies of severe and extreme droughts would increase, but the drought area would be smaller than that under RCP 4.5, demonstrating less severe drought conditions. Due to the shallow depths of most rivers, SDI was found to be more feasible than NDWI in detecting hydrological droughts.     

Performance Indexes Analysis of the Reservoir-Hydropower Plant System Affected by Climate Change

Assessing the effects of climate change phenomenon on the natural resources, especially available water resources, considering the existing constraints and planning to reduce its adverse effects, requires continuous monitoring and quantification of the adverse effects, so that policymakers can analyze the performance of any system in different conditions clearly and explicitly. The most important objectives of the present research including: (1) calculating the sustainability index for each demand node based on the characteristics of its water supply individually and also calculating the sustainability index of the whole water supply system, (2) investigation the compatible of changes trend among various reservoir performance indexes and (3) evaluation the changes in performance reservoir indexes in the future time period compared to the baseline tie period under three Concentration Pathway (RCP) RCP2.6, RCP4.5 and RCP8.5 scenarios for all water demand nodes and the entire water supply system. To this end, first, climatic parameters data affecting on the water resources such as temperature and precipitation were gathered in the baseline period (1977–2001) and the climatic scenarios were generated for the future period (2016–2040) using the Fifth Assessment Report (AR5) of the International Panel on Climate Change (IPCC). Then, the irrigation demand changes of the agricultural products with the Cropwat model and the value of inflow to the reservoir with the Artificial Neural Network (ANN) model were calculated under the climate change effects. In the next step, the climate change effects on the water supply and demand were simulated using Water Evaluation and Planning model (WEAP), and its results were extracted so as the water management indexes. The results show that the temperature will increase in the future period under all three RCP scenarios (RCP2.6, RCP4.5 and RCP8.5) compared to the baseline period, while precipitation will decrease under the RCP2.6 scenario but will increases under RCP4.5 and RCP8.5 scenarios. Under the trend of changing in temperature and rainfall, the irrigation demand in the agricultural sector in all scenarios will increase compared to the baseline period. However, the inflow of reservoir will decrease under the RCP2.6 and RCP4.5 scenarios and will increases under RCP8.5 scenario. Evaluation of WEAP modeling results shows that the sustainability index of the entire Marun water-energy system will decrease in the future period compared to the baseline period under the RCP2.6, RCP4.5 and RCP8.5 scenarios by 13, 10 and 8%, respectively. The decrease in the system sustainability index shows that in the absence of early planning, the Marun water-energy supply system will face several challenges for meeting the increasing demand of water in different consumer sectors in the coming years.

     

西北地区农业干旱对气象干旱的时空多角度响应

采用标准化降水蒸散指数和标准化土壤水指数分别表征气象干旱和农业干旱,基于干旱事件三维识别和气象干旱与农业干旱事件对的匹配结果,利用Copula函数条件概率分布和贝叶斯网络概率模型分析了西北地区农业干旱对气象干旱的时空多角度响应关系。结果表明：基于线性、非线性关系模型及Copula函数条件概率分布确立了西北地区农业干旱对气象干旱的干旱历时、干旱烈度、干旱面积及干旱迁移距离间最优响应关系分别为二次多项式模型、基于Frank Copula函数的非线性关系模型、指数模型和线性模型;建立的气象、农业干旱变量间的响应概率特征曲线可定量预测西北地区不同程度的气象干旱发展为农业干旱的概率;已知气象干旱特征条件下,根据最优响应关系及响应概率特征曲线可对农业干旱特征及其发生概率进行可靠预测。     

基于Copula函数的新型综合干旱指数构建与应用

干旱指数是研究干旱的重要工具,构建综合干旱指数是目前干旱监测、风险评估的前沿和趋势。本文基于阿基米德Copula函数,联合降雨(气象)、径流(水文)两种要素,构建了一种能够综合表征气象干旱和水文干旱的新型综合干旱指数MSDI_p,并用其表征渭河流域的干旱演变特征,且进一步对其背后的驱动力进行了探究。结果表明:(1)MSDI_p指数既能像标准化降水指数(SPI)一样敏锐地捕捉干旱的发生,也能像标准化径流指数(SRI)一样很好地刻画干旱的持续时间和结束,同时具备气象和水文两种干旱指数表征不同类型干旱的优势,能综合表征干旱演变特征;(2)受气候变化和人类活动影响,渭河流域过去50余年综合干旱呈显著增强趋势;(3)渭河流域综合干旱指数序列存在变异点(1994年),且未来流域干旱情势有加剧趋势;(4)太阳黑子和大气环流异常因子等对渭河流域综合干旱的发生有较大影响,其中太阳黑子活动的影响最强。且除直接影响外,太阳黑子还能通过影响大气环流异常因子进而对综合干旱的发生造成间接影响。     

基于CMIP6的全球及干旱带干旱时空演变

针对全球范围内极端气候事件频繁发生的问题,采用等距离分位数方法,构建CMIP6模式高精度降水、气温数据库,耦合帕默尔干旱指数(PDSI)预估未来情景(SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0、SSP5-8.5)下全球及干旱带干旱特征时空演变趋势。结果表明：经过偏差校正的CMIP6模拟精度明显提高;基准期(1979—2014年)全球干旱频次变化较小,干旱历时较长,干旱烈度较强,干旱带的干旱烈度较弱;预测期(2025—2060年)全球干旱特征在时空分布上差异性显著,干旱频次较高,平均干旱历时增加,平均干旱烈度增强;预测期干旱带干旱频次、干旱历时和干旱烈度均呈现增加趋势,热带/亚热带干旱带和温带干旱带变旱趋势较显著。     

南水北调中线工程水源区与海河受水区干旱遭遇研究

基于Copula理论,以标准化降水蒸散指数(SPEI)为干旱指标,建立了南水北调中线工程水源区与海河受水区汛期、非汛期及全年SPEI的联合分布,并结合未来气候模式数据,研究了变化情景下南水北调中线工程水源区与海河受水区各时期干旱遭遇概率变化及其对工程运行风险的影响。研究结果表明:过去几十年,南水北调中线工程水源区与海河受水区总体呈现变旱趋势;在RCP4.5和RCP8.5两种未来气候变化情景下,水源区与海河受水区汛期、非汛期及全年同旱事件发生概率较现状有不同程度的增加,尤其汛期遭遇同旱和非汛期遭遇同重旱的概率明显增大,增加的幅度分别达到2.99%~6.1%和2.67%~3.63%。在未来变化情景下,水源区与海河受水区干旱遭遇变化可能会对工程运行带来风险,因此,有必要研究相应的适应性对策以保证工程的正常安全运行。