黄土高原地区气象干旱动态格局演变及其对植被的影响

本文以黄土高原为研究区域,通过识别气象干旱的三维连续时空体,剖析了1982—2018年夏秋季节气象干旱(SPEI)事件发生发展过程与区域植被覆盖(NDVI)之间的响应关系。结果表明:①基于空间聚类识别的黄土高原三维气象干旱事件与历史真实干旱事件的发展演变过程基本吻合;②从时间和空间维度综合来看,黄土高原气象干旱发生区域NDVI往往会比同区域非干旱时期减少,且NDVI减少程度与气象干旱强度显著相关(R2=0.4389,P<0.05);③从黄土高原不同土地利用类型(耕地、草地和林地)对干旱事件响应关系来看,草地最易受干旱胁迫且对干旱强度的变化最敏感,抗旱性最差;而耕地在干旱强度较大的干旱事件中更易受到影响。本研究对科学合理地理解区域干旱的动态格局演变及阐明其对植被生态系统的影响机制均具有重要参考意义。

基于创新趋势分析方法的黄河年季降水变化特征研究

为探究黄河流域降水变化特征,选取黄河流域92个气象站1960-2015年逐日降水资料,采用创新趋势分析方法、Mann-Kendall检验和Sen′s斜率法分析了黄河流域年季尺度降水量变化特征。结果表明:黄河流域年降水量整体呈现出东南多西北少的空间分布格局。从时间变化上看,黄河流域年降水量整体呈现下降趋势。在季节尺度上,黄河流域春、冬季降水呈增加趋势,而夏、秋季降水呈下降趋势。黄河流域春季轻度降水无显著变化趋势,黄河中游和下游夏季轻度降水呈下降趋势,黄河流域秋季轻度降水呈下降趋势,黄河流域冬季轻度降水呈上升趋势。夏季强降水在黄河上游呈10%左右的下降趋势,在黄河中游呈5%左右的上升趋势。通过探究黄河流域不同量级年季降水的变化趋势,可为黄河流域水资源管理和水旱灾害防治提供参考,进而为黄河流域高质量发展提供支撑。

济南市区四大泉群流量演变规律及影响因素

基于2010—2020年济南市区四大泉群泉水出流量、地下水位及降雨量等数据,利用Mann-Kendall检验、Pettitt检验和Pearson相关系数等方法,开展泉水流量、地下水位和降雨量的突变、整体变化趋势及两者相关性研究。结果表明:趵突泉、五龙潭和黑虎泉泉群均存在突变时间,突变时间分别为2014年8月、2017年8月和2017年3月,且突变前后及整体都呈现出显著下降趋势;珍珠泉泉群未发生突变,整体为不显著的上升趋势;四大泉群之间存在中、低程度的相关性,趵突泉泉流量与趵突泉地下水位中度相关,且趵突泉地下水位的突变时间早于趵突泉泉流量的突变时间;降雨整体呈现上升趋势,不存在突变时间;人类活动是泉水流量呈减少趋势和发生突变的主要影响因素。

黄河流域极端干旱的时空演变特征及多变量统计模型研究

干旱是黄河流域经常性发生的自然灾害之一,给该地区的社会生产、人民生活带来了巨大的影响.本文选取黄河流域61个气象站点1960—2009年的气象资料,计算每个站点月尺度和年尺度的PDSI指数,分析了该地区极端干旱和干旱的时空演变特征,并利用Copula函数,构建干旱历时和干旱强度之间的两变量统计模型,研究该地区干旱发生风险的空间分异特征.研究发现,黄河流域在过去50年有逐渐变旱的趋势,其中20世纪60年代该地区降水较为丰沛,但也有少部分年份发生了比较严重的干旱.20世纪80年代以后,黄河流域极端干旱和干旱的发生频次均有增加的趋势.黄河流域干旱发生频率大体上呈现出北高东南低的空间分布特征.通过对特定站点(陕西吴旗站)的分析,发现干旱历时和干旱强度之间具有很好的相依性,从Chi图中可以反映出上述两个变量之间具有上尾相关的特征.K-S检验的结果表明,指数分布和Gamma分布能够分别很好的拟合干旱历时和干旱强度.拟合优度检验的结果表明,在所选择的3种Copula函数中,Gumbel Copula能够较好的描述干旱历时和干旱强度之间的相关结构.重现期分析的结果表明,黄河上游和中游北部发生干旱的风险相对较高,而流域下游地区风险相对较低.

我国高校专业课程双语教学探析——以“水文学原理”为例

在我国大力推进“双一流”建设背景下,加强高等学校专业课程的双语教学是当前高校教育面临的新挑战。通过剖析双语教学的发展历程、教学形式和教学方法等,梳理了高等学校双语教学的内涵和特点等。以武汉大学“水文学原理”课程双语教学为例,归纳总结了专业课程在教学内容、教学目标、教学基础、考核方式等方面的特点,梳理了实际教学中面临的挑战和难点,从激励学生自主学习、提高对基本概念和理论的重视程度、改进部分教学方式与理念、适当调整培养方案等方面,指明了提高双语课程教学质量的改进方向。

基于栖息地突变分析的春汛期生态需水阈值模型

根据春汛期水生态系统的特点,应用河道内流量增量法,选用二维河流模型River2D,建立栖息地与流量变化的动态关系,进而应用Mann-Kendall方法,开发基于栖息地突变分析的生态需水阈值模型。以第二松花江支流辉发河五道沟断面附近河段为例,选择松花江流域分布较为广泛的鲤鱼作为对象物种,以流速和水深两个因素表征鱼类栖息地,利用1956～2000年45年的春汛期月径流资料,判定鱼类栖息地在1970年开始发生了突变。在突变前加权可用面积95%的置信区间范围为275.5～915.7m2/km,对应的流量范围为58.8～121.1m3/s,并将其作为研究区春汛期间的生态需水阈值。春汛发生在冰封期刚刚结束的时段,适宜的春汛期生态需水能够提高生态系统多样性,对于鱼类等水生生物乃至于整个生态系统都有重要的生态意义。

气候变化对防洪安全影响研究面临的机遇与挑战

全球气候变化背景下的防洪安全影响是国内外关注的热点问题。随着气候变暖、城镇化快速发展对地区强降水、洪涝等极端事件的影响,未来中国防洪安全保障将面临新的挑战。针对中国面临的严重洪涝灾害问题,阐述了从全球到中国气候变化对洪涝灾害影响的事实,综述了国内外最新的研究进展与前沿问题。最后提出了应对气候变化减少洪涝灾害的若干对策与建议:应加强气候变化对极端水文事件影响的基础研究,包括对水文非稳态(降水、洪水)序列和突变过程、非线性问题,陆地水文-区域气候耦合模式及气候变化影响下水循环要素时空变异与不确定性的研究;应加强应对气候变化防洪减灾的适应性对策研究,包括对气候变化影响的流域防洪规划适应性管理及气候影响的适应性能力和适应性方式的研究。以上对策与建议可为未来中国开展气候变化影响下的防洪安全研究提供借鉴。

2022年长江流域极端干旱事件及其影响与对策

2022年7月以来,长江流域遭遇从1961年有完整气象观测记录以来最严重的特大干旱事件,引起社会广泛关注。本文基于长系列历史资料,统计分析了长江流域历史典型干旱及其致灾情况;剖析了2022年长江干旱发生的成因及特点;提出了科学抗旱减灾和综合施策的思考。分析表明:长江流域干旱发生成因受全球气候等多因素影响,尤其大气环流异常,夏季梅雨期过短,入陆台风少,副热带高压长时间大范围控制等,导致了流域大范围降雨量和径流量显著减少;长江干旱具有周期性特点,其中严重及极端旱灾中下游发生概率高于上游;2022年干旱显著特点是极端高温地区和范围具有实测记录以来第一,夏秋连旱问题十分突出。但是由于流域抗旱能力提高显著,严重干旱至今尚未引起严重旱灾。未来抗旱减灾的重点是,科学认识干旱的自然属性和成因;在进一步完善流域和区域水网及水利工程建设基础上,着力提高抗旱能力的基础建设,要加强以减轻重大干旱风险为主要目标的预警预报和调度等非工程措施,建立流域水旱减灾风险管理体系和适应性管理系统。

长江模拟器的理论方法与实践探索

长江大保护是新时期国家重大战略之一。以水为纽带的长江经济带绿色发展面临诸多难题,如流域上、中、下游、左岸和右岸以及陆海统筹的系统治理,长江保护法实施的监管,变化环境下流域综合规划管理等。2019年提出了“长江模拟器”的构想,本文在此基础上系统总结了其概念和内涵,构建了长江模拟器的系统框架,即本质是以长江流域为对象,以流域水循环为纽带,将自然过程与人文过程相耦合而研发的流域模拟系统及科学装置。在明晰长江模拟器功能和应用、关键科学问题及学科需求等基础上,阐述了长江模拟器的理论体系,包括地球系统科学理论、经济社会科学理论、信息科学理论3大类;构架了长江模拟器的方法体系,包括5大类关键技术(智能感知技术、数据融合技术、计算支撑技术、应急处理技术和服务构建技术)、4大类主要方法(计算资源调配方法、数值模拟计算方法、人工智能模拟方法和优化决策调控方法);总结了长江模拟器面向6大方面的服务体系,即科技创新服务、综合治理服务、政府决策服务、应急管理服务、公众文化服务和数据应用服务。最后介绍了目前已开发的“长江模拟器1.0”应用实例。通过长江模拟器的建设,可为大江大河流域综合协调管理,也可为水利、环境保护、城市建设、农业、产业布局、自然灾害防御、公共事件防控等多个领域的科学管理与决策,提供重要的科学模拟与支撑工具,也为我国黄河和其它流域模拟器的研发提供借鉴与参考。

气候变化背景下水资源脆弱性研究与展望

论述了气候变化背景下水资源脆弱性概念、内涵及其与适应性管理的联系;综述了水资源脆弱性定量评估方法,包括指标权重法、函数及综合指标法等;介绍了减少水资源脆弱性的适应对策研究。分析表明,联系水资源供需矛盾的水资源脆弱性既有自然变化脆弱性的一面,又有气候变化影响导致水资源供需关系发生变化以及旱涝灾害影响加剧水资源脆弱性的问题。关键是要识别影响水资源脆弱性变化的主要调控变量,通过应对气候变化的适应性对策研究,最大限度地减少水资源脆弱性。未来气候变化背景下水资源脆弱性研究,将在进一步发展脆弱性影响与评估基础上,逐步转到适应性水资源管理与对策的研究。

鄱阳湖流域水资源生态安全状况及承载力分析

为系统评估鄱阳湖流域水资源生态安全状况,基于水资源生态足迹模型计算了流域所在地市水资源生态足迹和水生态承载力,并通过水资源生态盈余和生态赤字、万元GDP水资源生态足迹及水资源生态经济协调指数评估了水资源生态压力状况。结果表明:研究区内农业用水是产生水资源生态足迹的主要类型,宜春市是产生水资源生态足迹最多的地区;各市均处于生态盈余状态,但多数地区水生态承载力有所降低;在产生水资源生态足迹的因素中,应重点关注农业用水和水污染因素;研究区万元GDP水资源生态足迹逐年降低,萍乡市和吉安市水资源的生态经济协调性下降。各市应以绿色发展为目标,注意水资源消耗强度,通过建立健全农业水价形成机制、持续加强水环境治理等措施,保障水资源的可持续利用。

流域水系统理论及其在我国的实践

针对变化环境的水循环与水安全问题,对水系统的基本概念、理论与意义进行了介绍,指出了以多学科视角,将自然科学和社会科学相融合以研究变化环境下的水问题是当前国际地球系统水科学发展前沿。分析了水系统研究的难点与水-社会-生态关联性研究的发展趋势,强调了水系统的耦合与解耦、水系统模型的敏感性、水系统的监测等方面研究的重要性,探讨了自然系统和人类系统间的协同演变及其集合响应机制研究于构建水系统耦合模型的必要性。以淮河、鄱阳湖、汉江为例,从不同的角度论述了水系统理论在我国水问题研究中的实践与指导意义,并认为水系统理论的进一步研究应加强内在机理及概化准确性等方面的研究,构建水系统模拟平台,增强水系统模型对气候及环境变化的适应性,加强在变化环境下流域水资源可持续利用规划与决策管理中应用推广。

1961—2015年山东省降水周期变化特征

利用山东省123个气象站1961—2015年逐日实测降水资料,采用小波变换方法,分析了山东省降水全年、4—9月汛期和10月—次年3月非汛期三种时间序列的周期变化特征。结果表明:山东省降水全年时间序列存在3~4、15~16、36~37 a三个变化周期,汛期时间序列存在5~6、11~12、43~44 a三个变化周期,非汛期序列存在3~4、12~13、30~31 a三个变化周期,第一周期(小周期)在空间上呈现由东北向西南逐步增大的趋势;降水全年时间序列变化周期同时受到汛期和非汛期的影响,但汛期影响起决定作用;根据分析的周期特征预测,山东省未来15 a内将处于枯水期,水资源形势不容乐观。

气候变化影响下极端水文事件的多变量统计模型研究

以黄河流域太原气象站和淮河流域鲁台子水文站为研究对象,利用Copula函数构建气候要素(降水)同极端水文事件(干旱和洪水)之间的多元统计模型,分析不同降水条件下不同等级干旱和洪水的发生概率变化。结果表明,Gumbel Copula能够较好地描述太原站7月份的前期累加降水量和帕默尔干旱指数(PDSI)的相关结构。随着降水量的增加,极端干旱的发生概率逐渐减小,重旱、中旱和轻旱的发生概率则先增加后减小。Clayton Copula能够较好地描述鲁台子水文站前期累加降水量和洪峰流量之间的相关结构。当前期累加降水量大于等于某一定值时,随着年最大洪峰x的增大,发生洪峰≥x的极端洪水事件的概率逐渐减小。在同一个极端洪水发生概率下,前期累加降水量越大,洪峰流量出现大值的可能性越大。

时变增益模型在辽宁干旱半干旱流域的适用性研究

自然流域属于典型复杂开放的系统,水文要素的时空变化具有高度非线性的特点,干旱半干旱流域尤其显著。因此,针对干旱半干旱流域降雨径流非线性问题,运用水文非线性时变增益模型(TVGM)、GR4J模型、总径流线性响应模型及线性扰动模型对辽宁省干旱半干旱流域日径流过程进行模拟分析,从2个精度衡量指标对4个模型的应用效果进行较为深入的对比分析,探究这4个模型在干旱半干旱流域降雨径流模拟中的适用性。结果表明:在辽宁省干旱半干旱流域的水文模拟中,TVGM模型适用性最好、GR4J模型次之,两种线性模型适用性较差。TVGM模型引入时变增益因子,综合考虑了土壤湿度、降雨强度等产流的关键要素,其模拟和验证效果都比较理想,体现了该模型的特色和应用价值。

气候变化条件下山东省未来水资源情势预估

利用山东省实测降水资料、政府水资源公报数据,采用小波分析、数理统计等方法,预估了山东省未来水资源情势。结果表明:从目前到2030年左右,山东省降水将处于相对枯水期,受降水量减少和极端降水强度增大的影响,当地水资源量将减少、水资源开发利用难度将增大;黄河水和长江水等客水资源受到干流上游来水量减少、脆弱性增强、调蓄工程不完善、水价成本高等因素限制,未来情势不容乐观;目前山东省非常规水资源利用潜力较大,应在增大非常规水资源利用力度的同时,做好建设节水型社会、完善现代水网工程、提高水利工程调蓄能力等工作。

淮河流域水文非线性多水源时变增益模型研究与应用

基于传统时变增益模型(TVGM),进一步考虑地下径流退水,在传统TVGM只考虑单一地表水源的基础上,添加地下水源模块,对地表地下径流分别进行产、汇流计算,改进并提出了多水源TVGM,并将其应用于淮河流域蚌埠闸以上13个水文站控制的代表性子流域。结果表明:多水源TVGM既继承了传统TVGM以简单结构描述复杂水文非线性系统关系的优点,同时通过增加地下水源模块,大大提高了洪水预报的精度。13个子流域参数率定期和模型验证期中,传统TVGM分别有9个和7个子流域达到乙级洪水预报标准,而多水源TVGM分别提高到12个和8个,其中以大型流域和大水年改进效果尤佳。传统TVGM水量平衡系数为0.88,多水源TVGM提高到0.95,平均提高了7%。洪峰模拟相对误差也由传统TVGM的50%达标率提高到多水源TVGM的92.3%,整体提高了42.3%。因此,多水源TVGM能更好的应用于淮河流域洪水预报工作。

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。

不同潜在蒸散发估算方法在汉江流域中上游地区的适用性研究

蒸散发是流域能量循环和水文循环的重要变量,准确估算蒸散发具有重要的现实意义。FAO56PenmanMonteith方法计算潜在蒸散发量时气象资料往往不易满足,同时,在提出形式简单且满足精度要求的其它估算方法时,缺乏足够全面的适用性分析。针对上述问题,基于汉江流域中上游地区12个气象站点1961-2013年的逐日气象资料,以FAO56Penman-Monteith方法估算的潜在蒸散发量作为参考标准,分别从不同的时间尺度和空间尺度对比分析了1种综合类方法、2种辐射类方法和3种温度类方法在汉江流域的适用性。结果表明,辐射类方法适用性最好,综合类方法次之,温度类方法适用性较差。其中Makkink方法和Priestley-Taylor方法在研究区的适用性最好,计算精度高,McCloud方法在研究区的适用性最差,误差较大。

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。