基于SPI-RRV指数中国气象干旱及其风险时空演变特征研究

为全面揭示变化环境下我国多维气象干旱特征,耦合气象干旱指数(SPI)和可靠性-回弹性-脆弱性(RRV)指数,提出了一种基于SPI-RRV指数的干旱风险评价方法,定量评价了中国气象干旱及其风险的时空演变特征。结果表明:SPI-RRV指数具有特征稳定和时空可比性强的特点,能够较为准确地评估气象干旱风险时空演变特征;南方平均干旱栅格比、干旱月占比和频次大于北方,湿润区和半湿润区干旱历时短、烈度大,半干旱区和干旱区干旱历时长、烈度相对较小;干旱高风险区转移具有显著年代际变化规律,空间上从西北向西南地区转移。

1980—2020年全球重大洪灾时空特征探析

为充分理解全球洪涝灾害的时空演变规律,基于长时间序列全球历史洪灾数据,运用数理统计和GIS空间分析方法,在不同空间尺度和年代际、年际的时间尺度上,全面分析了1980—2020年重大洪涝灾害的时空特征。结果表明:①全球洪灾次数在21世纪前10 a达到峰值,死亡和影响人口在1990s达到峰值,累计经济损失在2010s达到峰值,次均经济损失在1990s和2010s最高;②洪灾发生次数及造成的经济损失在1980—2020年期间呈显著上升趋势,每次洪灾造成的人口损失呈现下降趋势;③亚洲洪涝灾害严重,洪灾的发生次数、死亡人数、影响人口及经济损失的累计值分别占全球总数的41%、68%、95%和63%,然而包括中国在内的亚洲诸多国家的洪灾人口损失呈下降趋势;④全球重大洪灾呈东西向分布,灾害重心有南移趋势,洪灾由集中趋于分散,影响区域逐渐变广。

气候变化背景下赣江流域复合高温干旱事件时空演变特征

【目的】在气候变化背景下,全球多区域复合高温干旱事件频率与强度呈现增加趋势。系统揭示赣江流域复合高温干旱事件的时空演变特征,为灾害风险防范提供参考。【方法】采用1961—2021年的日最高温度和表层土壤含水量数据,评估赣江流域热浪、农业干旱和复合高温干旱事件的时空变化趋势,对比分析复合高温干旱事件与单独极端事件的特征差异。【结果】结果表明:赣江流域农业干旱事件频次呈下降趋势(-0.027场/10 a),热浪事件及复合高温干旱事件的频次呈上升趋势(0.084场/10 a、0.013场/10 a)。与1961—2000年相比,2001—2021年赣江流域农业干旱的发生频率在北部大部分区域有所下降,南部地区大部分区域有所增加;热浪事件的发生频率在全流域均呈增加趋势;复合高温干旱的发生频率在东北部有所下降,南部显著上升。与单独热浪事件和单独农业干旱事件相比,复合高温干旱下的热浪事件历时和烈度分别增加16.87%和26.25%,农业干旱事件历时和烈度分别增加10.65%和26.86%。【结论】赣江流域南部地区复合高温干旱事件发生频率显著增加;相比于单独的极端事件,复合高温干旱事件的危险性有所增强,未来应加强该区域的复合高温干旱风险防范能力。

基于四元驱动的非平稳水文干旱评估方法

为了科学评估自然-社会系统影响下非平稳水文干旱,考虑气候变化(降水、气温)和人类活动(取用水、水库)四元要素的影响,通过基于四元驱动的GAMLSS模型构建非平稳标准化径流指数(NSRI),提出了基于四元驱动的非平稳水文干旱评估方法。黄河流域非平稳水文干旱实例评估结果表明:黄河流域花园口站径流序列呈现出明显的非平稳特征,径流量1961—2020年发生显著下降,并在1990年发生突变;基于四元驱动的非平稳水文干旱评估方法能够更好地对径流数据进行非平稳概率分布拟合;对于历史干旱事件的识别,NSRI识别的干旱过程与实际更加接近,NSRI比标准化径流指数(SRI)识别效果更好,可以更好地反映变化环境下的水文干旱演变趋势。

基于降雨时空变化的山洪预警临界雨量

为提高山洪灾害预警精度,以彭坊小流域为例,基于概率分布等控制条件生成随机雨型,探究不同前期影响雨量下随机雨型对山洪预警临界雨量的影响,进一步分析降雨空间分布对山洪预警临界雨量的影响。结果表明:在雨峰位置偏后、雨峰峰值较大的雨型集下,临界雨量波动较大,有较高的不确定性;雨型对临界雨量的影响小于前期影响雨量对临界雨量的影响,在前期土壤较干燥时,雨峰位置系数较小,临界雨量值相对较大,雨型峰值倍比较大时,临界雨量值相对较小,更容易致灾;在降雨空间分布上,当降雨集中在下游时,临界雨量值最小,越容易达到警戒流量,但降雨空间分布对临界雨量的影响小于前期影响雨量的影响,且这种影响会随前期影响雨量的增加而不断减小。

黄河兰州以上区域草地覆盖变化对水源涵养的定量影响分析

为厘清黄河兰州以上区域草地变化对水源涵养的影响,利用动态全球植被模型,结合逐年土地利用变化数据,通过不同的情景模拟,定量分析了1980—2020年黄河兰州以上区域水源涵养量的变化趋势和响应特征。结果表明:该区域年均水源涵养总量约242.1亿m^(3),其中草地生态系统的贡献量约为202.8亿m^(3),占比83.8%,并且在2002年前、后分别呈下降(-5.1亿m^(3)/a)和上升(3.5亿m^(3)/a)趋势;黄河兰州以上区域1980—2020年草地变化对该区域水源涵养具有不显著的负向效应,2015—2020年间年均减少了6.7亿m^(3),整体上并未显示出明显的区域差异;不同草地退化程度情景下的模拟表明,虽然轻度退化带来的草地蒸散发分量变化使得区域水源涵养量略有提升,但随着退化程度的加剧区域水源涵养量显著减少。

TRMM卫星降水数据在洣水流域径流模拟中的应用

采用地面雨量站点观测降水作为基准数据,评估热带降雨观测计划(TRMM)最新一代卫星降水产品3B42V7的精度;利用站点和卫星两种降水数据驱动栅格新安江模型,采用SCEM-UA算法考虑模型参数不确定性,进行流量过程模拟,评估TRMM 3B42V7在流域水文模拟和预报中的应用能力。数据精度评估显示:在平均意义上,TRMM 3B42V7日降水精度较高,较站点观测低估了6.68%;但在绝对值意义上,TRMM 3B42V7日降水精度较低,绝对偏差达到57.76%;TRMM 3B42V7经过了地面月降水量偏差校准,其精度在月尺度上有较大提高。径流模拟结果表明:TRMM 3B42V7模拟的日径流过程精度较低,有部分洪峰没有捕捉到,但仍能表征径流的日变化特征;月尺度上模拟径流与实测径流吻合较好,能表征径流的季节性和年内变化特征;计算的日尺度和月尺度95%置信区间包含大部分实测流量过程。

气候变化和人类活动对老哈河流域径流的影响

通过趋势及突变检验将径流序列划分为"天然基准期"和"人类活动影响期",依据径流对降水及潜在蒸发的敏感性,定量分析了我国北方老哈河流域气候变化和人类活动对径流的影响。结果表明:1964年以来,老哈河流域径流呈显著减少趋势,其变化倾向率为-0.47 mm/a;流域径流受气候变化和人类活动双重影响,其中人类活动对径流起减少作用,在20世纪八九十年代及2000—2008年人类活动对径流深的减少量分别为10.9 mm、6.3 mm及17.9 mm;气候变化对径流在80年代和2000—2008年起减少作用,减少量分别为10.0mm和8.5 mm,而90年代气候变化对径流起增加作用,增加量为12.4 mm。

老哈河流域降水变化特征分析

在降水变化趋势分析基础上,结合模比离差系数累积曲线及统计学方法分析了流域降水的时空变化特征。结果表明,老哈河流域降水存在较大的时空变异性,流域降水量有逐年增加趋势,雨日有逐年减少趋势,降水量和雨日呈正相关性;流域降水量由西南往东北明显递减,雨日分布为上下游偏大、中游偏少;流域降水量随地面高程的增加而显著增加,高程每增加1 km降水量平均增加116 mm。

基于模糊物元模型的干旱等级评价

在建立干旱综合评价指标体系的基础上利用模糊物元和欧氏贴近度理论,构建了基于欧式贴近度的干旱等级评价模糊物元模型并应用于济南市干旱评价研究。结果表明,运用模糊物元模型评价区域干旱状况方法可行、可靠,为评价干旱等级提供了一种考虑多因素的综合方法,具有应用价值和现实意义,可供借鉴。

基于贝叶斯模型平均的水文模型不确定性及集合模拟

单一模型在水文过程模拟和预报中存在诸多不确定性,集合模拟是减少不确定性影响的有效方法。在水文模型参数估计的两类方法基础上(分别选用SCE-UA算法和SCEM-UA算法为代表),选用3个基于子流域的半分布式水文模型(新安江模型、混合产流模型和HYMOD模型),综合考虑模型参数和模型输入的不确定性,并采用贝叶斯模型平均(BMA)将3个模型的模拟结果集合进行概率预报。结果表明:SCE-UA算法和SCEM-UA算法优化的参数都能使模型取得较好的模拟效果,但SCEM-UA算法能得到模型参数的后验概率分布,并获取模型的概率预报区间,具有更大的优势;考虑模型输入不确定性,模拟径流的精度没有较大提高,但概率预报区间精度有一定的改善;采用BMA方法集合多模型模拟结果,综合考虑模型参数、模型输入和模型结构的不确定性,其模拟结果要优于单一模型,说明水文集合模拟的优越性;BMA集合后,SCEM-UA算法的模拟结果较SCE-UA算法的模拟结果具有更准确的概率预报区间。

利用树木年轮重建马鞍山地区7～9月降水量序列

利用采自马鞍山地区兴安落叶松（Dahurian Larch）树轮样芯，建立了树轮标准化年表．根据建立的年表，对马鞍山地区树木生长与月降水量进行了响应分析，重建了该地区1942年以来7～9月降水量序列．检验表明，重建方程稳定，重建序列可信．重建结果显示：马鞍山地区7～9月降水量有较小的逐年减小趋势；1942～1957年马鞍山地区降水量处在枯水期；1957～1989年马鞍山地区降水量处在丰水期；1989年往后马鞍山地区降水量又出现一个枯水期的变化过程．

基于生态流量阈值的河流水文健康演变定量归因

环境变化改变了河流水文情势,影响了河流的生态系统健康,亟需开展变化环境下河流水文健康演变定量归因方法研究。选取北方半干旱地区老哈河流域为研究区,依据流域内3个水文站、17个雨量站和6个气象站1964—2016年数据,基于可变下渗容量模型还原河流的天然流量序列;采用概率密度法计算河流生态流量,基于生态流量阈值推求河流水文健康等级;基于“观测-模拟”对比分析法,定量分离气候变化和人类活动对河流水文健康情势的影响。结果表明:人类活动是甸子和太平庄子流域自1980年以来河流水文健康情势退化的主要原因,其贡献率分别为86.9%和87.9%;大面积农业灌溉用水引起地表径流下降以及水利工程改变天然水文情势,影响了河流水文健康情势;90年代降水量较为充沛,研究流域受人类活动影响程度较小,河流水文健康等级维持在较高的水平。综合生态流量阈值和“观测-模拟”对比分析方法可定量识别河流水文健康情势演变原因,为适应环境变化的河流健康管理提供科学依据。

基于非平稳GEV模型的黄河源区枯季径流演变特征分析

为剖析气候变化对水文极值非平稳性的影响,采用5 a滑动平均和Mann-Kendall突变检验法对黄河唐乃亥水文站1957—2018年最枯多日平均流量进行非平稳检验;根据Kendall等级相关分析法优选气候指数,以时间和气候指数为协变量构建非平稳广义极值分布(generalized extreme value,GEV)模型,并进行参数估计与模型优选,对比平稳与非平稳GEV模型在枯季径流模拟中的应用效果。研究结果表明:黄河源区枯季径流呈现明显的非平稳特征;平稳GEV模型的模拟值偏高,以西太平洋指数为协变量的非平稳GEV模型对极值的拟合效果较好,且能较好地解释极端枯水事件的波动性。

变化环境下渭河流域生态水文情势演变归因研究

采用生态最相关水文指标(ERHIs)评估渭河流域生态水文情势改变程度,通过主成分分析法筛选出7个指标作为渭河流域的ERHIs,并基于可变下渗容量模型的“观测模拟”对比分析法对渭河流域生态水文情势演变进行定量归因。结果表明:咸阳水文站和华县水文站径流序列呈显著下降趋势,1990年是径流序列的突变点;咸阳站和华县站实测ERHIs综合改变度为41%和34%,模型模拟的两站ERHIs综合改变度均为18%;气候变化和人类活动导致渭河流域水文情势发生改变,两者对咸阳站ERHIs综合改变度的贡献率分别为44%和56%,对华县站的贡献率分别为53%和47%。

西辽河源头流域径流变化趋势及影响因素分析

利用1977—2008年老哈河流域与沙拉沐沦河流域水文数据,采用Mann-Kendall检验法、有序聚类分析和线性回归方法分析其降水量、径流量近32 a的年内和年际变化规律及其影响因素.结果表明:1977—2008年2个流域年降水量和径流量均呈现下降的趋势,径流量下降幅度明显高于降水量;沙拉沐沦河流域降水量下降趋势不明显,稳定的泉水补给使得径流量受降水量减少和土地利用/覆被变化影响较小;老哈河流域径流量减少幅度远远高于降水量,在雨季下游有断流现象,该流域1977—1998年降水量是径流量变化的主要影响因素,1999—2008年流域内土地利用/覆被变化和水库水坝修建、河道外取水等人类活动共同作用使得该流域径流量减少了70.3%.

TRMM多卫星测雨数据在赣江上游径流模拟中的应用

选取赣江上游峡山站以上集水区域为研究区域,以雨量站观测数据为基准数据,评估热带降雨观测计划TRMM-3B42V6降水数据的精度,并采用上述2种降水数据驱动栅格型新安江模型,模拟赣江峡山站日流量和月流量过程.结果表明,尽管TRMM日降水数据较雨量站数据存在较大偏差,但采用TRMM降水数据模拟的日流量能基本再现峡山站的日流量过程;TRMM月降水数据精度较高,能够较为精确地模拟峡山站的月流量过程.因此TRMM月降水数据可应用于赣江流域的降雨-径流过程模拟,在无资料地区的水文预报、水资源估算、水资源评价与规划等相关研究领域具有广阔的应用前景.

基于模糊物元模型的城市活力评价

将熵值理论与模糊物元理论相结合,建立了基于熵权的城市活力评价模糊物元模型,并将该模型应用于江苏省沿江15个县级城市的活力评价研究。结果表明,处于苏南地区且靠近上海都市圈的4个县级市的城市活力水平相对领先于其他县级市。究其原因,涉及区位条件、政治经济、历史文化等影响因素,进而提出经济、制度与空间3方面的沿江城市发展对策,以实现区域协调发展。模糊物元城市活力评价模型的建立为城市活力评价提供了一种考虑多因素的综合方法。

水文学方法的演进与诠释

基于水文学的定义和内涵,应用描述性-解释性-人本性的思想方法,从问题、学科、方法3个维度入手,总结出水文科学发展演进的3条主线,剖析了各条主线不同阶段之间的辨证关系,并认为:体现上述3个维度的3条主线相互交叉,在研究对象、科学认知、方法手段和技术平台层面会形成水文学科新的生长点。针对地球水圈系统复杂多变的态势,加之水文学理论的发展曾受到方法的分割和不同方法之间互不交流的妨碍,诠释了水文学中的经验性方法与理论性公式之间的关系,并着重解读了确定性方法与随机性途径之间对立统一的相容性,最后阐述了背景环境变化和不确定性干扰情形下采取各种不同思维方式的"组合"来研究水文循环路径/过程"组合"的重要性。

基于分布式水文模型的山洪预警临界雨量计算

以抚河流域3个山丘小流域为例,采用分布式新安江模型对小流域暴雨洪水进行精细化模拟,利用率定后的分布式新安江模型进行临界雨量试算,得出各流域不同初始土壤含水量、不同预警时段组合条件下临界雨量。将计算所得临界雨量与实测暴雨洪水过程和设计暴雨进行比较验证,结果表明临界雨量计算结果较为合理,说明分布式新安江模型可应用于抚河流域山洪预警临界雨量确定,并为抚河流域山洪预警工作的开展提供参考方法。