2011~2060年长江上游流域降水变化 预估问题的探讨

对IPCC 第四次评估报告中12个全球气候模式集合平均制作的中国地区气候变化预估数据集（Version2.0）和长江上游流域逐日的降水观测数据进行了比较验证,结果表明：全球气候模式对长江上游流域的降水的时空变化具有一定的模拟能力,可以用来对长江上游流域未来的气候变化进行预估研究。在此基础上,进一步利用国家气候中心多模式模拟结果的降水数据开展了该流域未来50年降水的时间和空间分布变化的预估研究。结果表明,就2011~2060年整体而言,长江上游流域降水呈增加趋势。     

杨楼流域降水变化特征及CMIP5气候模式评估

利用杨楼流域9个站点的逐日降水资料,分析历史时段(1981—2010年)降水时空变化特征,基于多目标函数的秩评分方法,评估全球耦合模式第五阶段(CMIP5)的23个气候模式对流域降水的模拟能力,并利用优选出的气候模式对未来降水进行预估。结果表明:杨楼流域历史时段降水整体呈微弱上升趋势,增量为39.4 mm/10a;CMIP5气候模式模拟降水量普遍偏高,模拟能力较优的模式是ACCESS1.0,Had GEM2-AO及CNRM-CM5;流域未来时段降水年际波动较平缓,年内分配更为不均,集中于汛期。     

未来50年东北地区旱涝演变规律预估

基于东北地区89个气象站点观测数据及IPCC AR4中ECHAM5/MPI-OM模式降尺度的0.5°×0.5°分辨率的月平均降水格点场资料,结合统计学相关系数以及干旱评价指数Z指数,评估了气候模式对该地区降水变化的模拟能力,并对其未来50年东北地区旱涝时空演变规律进行了预估。结果表明:(1)东北区及其各省实测年降水与模拟值时空上拟合度较差,修正后的数据模拟能力有较大提高;(2)未来50年全区及东三省降水呈上升趋势,内蒙古东部地区则呈减少趋势,且具有2015~2034年降水持续减少,2035后干湿交替发生特征;(3)未来东北地区旱涝依然呈广发、频发态势,且洪涝更为突出,旱涝多发区主要集中在三江平原、松嫩平原以及辽河平原等地。     

基于模式集成的松花江流域气候模拟预估

以松花江流域为研究对象,采用CMIP5已发布的9个气候模式,模拟1951年～2000年历史降水和气温的月数据,对比实测资料运用3项数理统计指标评估模式的模拟性能;各模式降尺度后应用到4种集成方法。模拟结果表明,Can ESM2和MPI-ESM-MR模式模拟效果较好,多元回归集成表现最佳。利用优选的2个模式方法预估流域下游佳木斯站在RCP4. 5气候情景下未来逐月的降水和气温,并以预估的降水气温为因子构建线性回归模型计算流域未来径流的月变化过程。预估径流结果可为水资源管理及洪旱防治提供数据参考。     

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。     

气候变化与海河流域地表水资源量的关系

利用近50年海河流域气候、水资源、多模式预估数据等资料,分析了海河流域气候变化特征及对地表水资源量的影响。结果表明：近50年,海河流域年降水量呈明显减少趋势,平均每10年减少21mm,年气温呈明显升高趋势,平均每10年升高0．3℃。海河流域气候暖干化趋势造成地袁水资源大量减少,平均每10年减少18％。地表水资源量变化与降水量、气温有很好的复相关关系。如果降水量保持不变,气温每升高1℃,海河流域地表水资源量将减少7％;如果气温值保持不变,降水每增多10％,地表水资源量将增加约22％。多模式预估,未来50年海河流域降水量将比1961-1990年增加3％～10％,年气温将升高0．4～2．3℃。参考多模式预估结果,在未来降水量比1961-1990年增加5％的情况下,如果气温比1960-1990年平均值升高0℃（1．0℃,2.0℃）,海河流域地表水资源量变化为＋20％（＋13％,＋6％）。未来海河流域地表水资源会随着降水量的增多而增加,随气温的升高而减少,总体结果未来地表水资源量是增加的。由于对未来降水预估结果不确定性较大,对气温预估结果可信度较高,所以未来海河流域地表水资源号增加还存在很大的不确定性．     

多模式下泾河上游流域未来降水变化预估

利用站点实测资料、GCMs 月数据对 GCMs 进行秩评分评估排序, 从 21 种 GCMs 模式优选出的 6 种 GCM模式的日数据、6 种 GCM 集成的气候模式、站点实测资料和 NCEP 再分析资料构建统计降尺度模型 SDSM, 预估泾河上游流域的未来降水变化。结果表明: 构建的降尺度模型对降水模拟较为可靠, 率定期各模式决定系数 R2 为 0.228~ 0.324, 标准误差为 0.354~ 0.450, 率定期和验证期模拟月均降水与实测值年内分布相近。在降尺度性能评价中集成模式表现最好。在 RCP 4.5 情景下, 泾河上游流域未来降水大多数模式和集成模式呈增加趋势, 到 2030 年泾河上游流域降水量将增加 4.8% , 且当地的春季雨量会增加, 夏季雨量会减少。     

统计降尺度方法对黄河上游流域气象要素模拟分析

将CMIP5模式的输出作为降尺度的输入来预估区域性气候的研究较少,本文使用CMIP5中精度较高的Can ESM2模式下的RCP4.5情景(中等温室气体排放)对黄河上游流域未来气象要素进行预估。利用黄河上游流域(上诠站以上)14个气象站点1967-2010年的逐月降水、气温和NCEP再分析资料,选取拟合度、均值相对误差、标准差相对误差作为评价指标,利用逐步回归算法筛选22个预报因子,建立了月资料序列的统计降尺度模型,并将模型应用于CMIP5中Can ESM2模式下RCP4.5情景,产生了未来气候要素的变化情景。结果表明:该模型对降水的模拟效果好于对气温的模拟。     

CMIP5模式对淮河流域气候要素的模拟评估及未来情景预估

为明确变化环境下淮河中上游流域未来气候要素的变化趋势和特征,基于地面实测降水、气温资料,检验CMIP5中6个全球气候模式对流域降水和气温的模拟能力并选择较优的3种模式用于分析未来RCP4.5和RCP8.5排放情景下流域气候要素的变化趋势。结果表明:①历史时段拟合效果相对较优的为CNRM-CM5、HadGEM2-ES和MIROC5,气温的模拟能力优于降水;②3个模式2种排放情景未来年、春、冬季降水均大于基准期,夏、秋季降水除MIROC5大于基准期,其他2个模式均小于基准期;③RCP8.5下CNRM-CM5年、春、夏、HadGEM2-ES年、春、夏、冬、MIROC5年、秋、冬季降水增加趋势显著,RCP4.5下HadGEM2-ES年、春季、MIROC5秋季降水增加趋势显著;其他不显著甚至个别出现减少趋势;④年和季节平均气温除极个别模式和排放情景略低外,其他均高于基准期;年和四季平均气温全部呈现升温趋势。研究表明,流域降水有所增加和减少,气温升温迅速,流域未来气候演变中洪旱灾害风险较大,需要加强水资源管理和洪旱灾害防御能力。     

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。     

基于CMIP5模式和SDSM的抚河流域未来气候要素模拟与预估

为了解变化环境下的流域未来气候要素变化趋势,以抚河流域为研究对象,利用该流域两个气象站的1961—2005年水文逐日气温、降水和NCEP再分析数据等资料,建立了SDSM降尺度模型,并对未来的温度与降水研究。将模型应用于CanESM2模式下3种RCP排放情景,得到了流域未来气温与降水的变化趋势。结果表明SDSM模型对温度的模拟效果好于对降水的模拟效果,3种情景下未来温度总体呈现上升趋势,最低温度上升幅度高于平均温度和最高温度上升幅度;各情景下增温幅度2080s2050s2020s,2080s平均增温3.0℃;未来降水总体表现为减少趋势,局部表现为震荡趋势,减少主要集中在夏、秋季,其中5-6月降水减少量普遍较大,在30mm以上,而冬季降水量增幅在50～90mm;总体来说,抚河流域未来气温将持续上升,降水量呈现下降趋势,干旱形势严峻。     

气候变化下黄河流域未来水资源趋势分析

开展流域水资源变化趋势研究是水资源规划和开发利用的基础工作。基于RCPs（Representative Concentration Pathways）排放情景下7个全球气候模式的气候情景资料,分析了黄河流域未来气温及降水的变化趋势;采用RCCC-WBM模型动态模拟了黄河流域未来水资源情势。结果表明:黄河流域在未来30年（2021—2050年）气温将持续显著升高（线性升率为0.24～0.35 ℃/（10 a））;与基准期（1961—1990年）相比,流域降水总体可能增多,但对降水变化预估的不确定性较大;受气候变化影响,黄河流域未来水资源量较基准期的可能会略微偏少,流域水资源供需矛盾可能进一步加剧;不确定性及其带来的评估风险是目前及未来气候变化影响及水资源评估中需要加强研究的重要内容。     

海河流域60年降水量的变化及未来情景分析

降水量是水文循环的重要因素。利用Mann-Kendall趋势检验方法,分析了1951—2010年海河流域降水量的历史演变规律;并根据大气环流数据分析了降水变化的原因;利用全球气候模式数据预测了未来降水量的可能变化情景。主要结论为:(1)1951—2010年,海河流域的年降水量呈显著减少趋势,达到了5%的显著性水平,其中夏季降水减少的幅度最大。(2)南方涛动指数(SOI)和海河流域降水具有较好的正相关,而太平洋年代波动(PDO)和太平洋年代内的波动(IPO)与海河流域降水具有较好的负相关。(3)在未来气候变化背景下,海河流域的年降水量和月降水量都将呈现出增加趋势;在A1B情景下,总体上流域东部降水量的增加幅度要大于流域西部。相关研究成果对于保障流域的水资源安全,支撑区域经济社会可持续发展,具有重要的科学价值和实际意义。     

气候变化下黄河流域未来水资源趋势分析

开展流域水资源变化趋势研究是水资源规划和开发利用的基础工作。基于RCPs(Representative Concentration Pathways)排放情景下7个全球气候模式的气候情景资料,分析了黄河流域未来气温及降水的变化趋势;采用RCCC-WBM模型动态模拟了黄河流域未来水资源情势。结果表明:黄河流域在未来30年(2021—2050年)气温将持续显著升高(线性升率为0.24～0.35℃/(10 a));与基准期(1961—1990年)相比,流域降水总体可能增多,但对降水变化预估的不确定性较大;受气候变化影响,黄河流域未来水资源量较基准期的可能会略微偏少,流域水资源供需矛盾可能进一步加剧;不确定性及其带来的评估风险是目前及未来气候变化影响及水资源评估中需要加强研究的重要内容。     

丹江口水库未来径流变化趋势预测研究

应用统计降尺度法将全球气候模式和两参数月水量平衡模型进行耦合，研究未来A2气候情景下丹江口水库径流变化趋势。首先应用统计降尺度法在CGCM2和HadCM3模式下分别预测未来汉江流域上游的月降水和气温情况，然后将它们输入两参数月水量平衡模型，模拟预测丹江口水库的月径流过程。结果表明，在CGCM2气候模式下，丹江口水库径流在2020s和2050s时段比近期减少，2080s时段比近期增加；在HadCM3气候模式下，丹江口水库径流在未来三个时段均比近期增加。     

海河流域极端降水阈值确定与风险评估

随着全球变暖,极端降水发生频率和强度不断增加,研究流域极端降水风险分布有利于防灾减灾措施科学制定。本文以海河流域为对象,基于30个气象站点1990—2019年逐日降水资料,采用去趋势波动法(DFA)、百分位法、Pearson-Ⅲ概率分布计算极端降水阈值,分区提出极端降水阈值建议并探讨其时空变化规律,进一步基于危害性和脆弱性指标分析流域极端降水风险。结果表明：海河流域极端降水阈值西北地区为45 mm,东南地区为65 mm;近30年来极端降水天数呈减少趋势,其中东南地区下降幅度更大,且极端降水发生概率存在东部沿海区和西部五台山、原平附近两个高值中心区;海河流域极端降水风险自东南部沿海向西北内陆逐渐降低,其中较高和高风险区主要位于滦河下游、北三河下游、大清河下游、子牙河和徒骇马颊河,低和较低风险地区位于北部山区。     

IPCC AR5全球气候模式对杨楼流域气温模拟精度评价及预估

气候模式是研究未来气候变化对流域水文水资源影响的重要工具。以杨楼流域为研究区,利用秩评分方法评估IPCC AR5最新发布的23个气候模式模拟流域月平均气温的能力,并利用优选出的模式对未来气温变化进行预测。结果表明:IPCC AR5的多数气候模式能较好地模拟杨楼流域历史时段月平均气温的变化规律,但模拟值普遍偏低,其中FIO-ESM、Can ESM2、BCC_CSM1. 1模式对气温模拟表现最好,秩评分分别为8. 58、8. 96和11. 5;流域未来时段平均、最高及最低气温均呈上升趋势,其中最高气温增幅最大,从年内变化来看,未来气温增加主要集中在春夏两季。     

海河流域典型旱灾水文重建与社会影响——以光绪三年大旱为例

典型干旱对区域社会经济的影响巨大,甚至会影响社会进程。利用历史水旱灾害资料,重建典型旱灾事件的水文环境和社会响应过程。表明:与常年相比海河流域在光绪持续3 a的干旱过程中,1876年降水偏少27.8%,地表天然径流偏少59.9%,严重干旱区域分布在海河流域南系;1877年降水偏少37.1%,地表天然径流偏少81.9%,流域内严重干旱范围自西向东发展;1878年降水偏少19.3%,地表天然径流偏少42.3%,干旱逐渐缓解。严重的干旱造成海河流域人口减少在2 000万以上,同时大量逃荒的饥民直接促进了东北地方的开发。探讨了极端干旱影响下海河流域地表水文变化和社会影响机制,为当前综合抗旱灾害提供了经验借鉴。     

基于Max-Stable模型的海河流域气候极值变化特征

为了解在全球变暖的背景下海河流域对气候极端事件的响应,基于海河流域1961-2016年气温与降水数据,使用RClimDex模型、MK趋势检验、Max-Stable模型对海河流域气候极值进行建模分析,研究海河流域气温极值、降水极值不同重现期的时空分布、变化特征。结果表明:海河流域温度极值TXx在空间上表现出从北向南递减趋势,值域为30～40℃,其中36～40℃占大部分地区。TXx在南方呈降低趋势,北方呈上升趋势。降水极值RX1day空间上表现出从东南向西北方向递减的趋势,值域为50～100mm,其中60～90mm占据绝大部分区域。RX1day整体呈下降趋势,其中渤海地区RX1day下降趋势最大。海河流域GEV模型拟合结果表明,海河流域气温极值主要受纬度、海拔影响,随纬度、海拔增加而降低,其变化波动为北方强于南方。降水极值RX1day受海拔和经度影响较大,主要表现为随海拔增大而下降的空间分布,其次表现为随经度变化由西向东递增的空间分布,其变化波动随海拔升高而降低。通过Q-Q百分位图、非参数极值系数θ、GEV与Max-Stable参数和重现期强度散点图判定系数R2,确定Max-Stable模型可以很好地模拟海河流域气候极值,达到GEV模型同等效果。气候极值TXx与RX1day主要受到纬度、经度和海拔的影响,但距海岸距离的加入仅可以优化TXx模型的建立。2年、10年、50年、100年一遇气温极值TXx的空间分布均表现为自东北向西南递增的分布模式,高值区均分布于西南大部一带,最高温度达40～44℃。2年、10年、50年、100年一遇降水极值TX1day的空间分布主要受纬度影响,其次受经度和海拔的影响,均表现为从西南偏中向北方递减,高值区分布在西南偏中一带,最大降水量达80～200mm。     

变化环境下不同等级干旱事件发生概率的计算方法——以无定河流域为例

本文结合考虑土地利用/覆被变化的流域水文模型(WHMLUCC)和Palmer干旱指数PDSI模拟干旱事件的发展过程,从成因途径提出基于WHMLUCC模型和Palmer干旱指数的非一致性干旱概率计算方法,并以无定河流域为例,推求不同情景变化环境下的干旱概率分布规律,进一步结合干旱等级标准计算不同等级干旱事件发生的概率,为该流域干旱预测和干旱规划提供科学依据。研究结果表明:(1)通过干旱概率计算与分析可知,气候条件对干旱影响较为突出,与此同时,在过去气候条件下土地利用面积的变化对干旱影响明显,而在现状气候条件下土地利用面积的变化对干旱的影响较弱;(2)在无定河流域的5种情景中,过去气候条件下情景2的土地利用情况有利于当地极端干旱形势的缓解,现状气候条件下各个情景的干旱形势较为一致;(3)通过成因分析,无定河流域干旱与气候变化和土地利用状况密不可分。