基于TFPW-MK法的闽江流域径流趋势研究

为了寻找适合闽江流域径流趋势的分析方法,并在此基础上探究其径流特征,基于闽江流域4个控制水文站近61 a(1950—2010年)的月径流资料,采用TFPW-MK法分析不同时间尺度下径流演变趋势,并与MK、PW-MK结果进行比较分析。结果表明:1)由于序列普遍存在自相关,TFPW-MK法比较适合闽江流域径流趋势检测,且序列自相关系数是影响检测结果的关键因素。2)闽江流域近61 a径流演变主要趋势为年径流呈不显著下降趋势,汛期和春季径流以下降趋势为主,非汛期、夏秋冬季径流均呈上升趋势,其中冬季趋势显著,月最大和月最小径流分别呈下降和上升趋势,且多数站点趋势显著,同时序列长度对趋势分析结果有重要影响。

基于TFPW-MK-Pettitt和EEMD的非一致性水文频率计算方法

近年来,受气候变化及人类活动的影响,使水文情势发生变化,导致频率计算中水文资料不再满足一致性的前提假设。为进行非一致性条件下的水文频率计算,提出基于TFPW-MK-Pettitt和EEMD的非一致性水文频率计算方法,首先应用去趋势预置白Mann-Kendall-Pettitt方法对水文序列进行一致性检验;其次应用EEMD方法对非一致水文序列进行修正;最后对修正的序列进行水文频率计算。统计试验和实例证明,TFPW-MK-Pettitt方法适用于我国水文序列的一致性检验;该方法运用于1956～2012年宜昌站径流序列,检验出有下降趋势;运用EEMD方法对该序列进行修正后,频率计算得出各设计值较未修正的设计值小10%左右。

基于TFPW-MK法的太湖流域湖西区降水时空变化分析

基于太湖流域湖西区13个雨量站近50年(1964~2013年)逐日降水量资料,采用TFPW-MK法分析该地区降水时空变化规律。结果表明,湖西山丘区年平均降水量为1 469mm,平原区为1 397mm;湖西山丘区汛期(5~9月)平均降水量高于平原区,分别为975、732mm;湖西区近50年各序列存在不同程度的自相关性,降水呈显著上升趋势(Z=1.36),其中湖西平原区降水呈极显著上升趋势(Z=1.66);湖西区汛期平均降水量占全年平均降水量的66%,汛期降水空间分布与全年降水空间分布基本吻合,均呈自西南向东北递减趋势;但湖西区近50年来全年与汛期平均降水量变化趋势并不完全一致,如东部小河新闸、宜兴、大浦口全年降水趋势为不显著减少,汛期降水趋势则为不显著增加;西南部茅东闸、平桥全年降水趋势为不显著增加,汛期降水趋势则为不显著减少。

1960—2020年新疆主要作物需水量时空特征分析

作物需水量和作物灌溉需水量的时空分析对水资源优化配置和灌溉制度制定至关重要。为了解新疆主要作物棉花、春小麦、冬小麦和玉米生育期需水量和灌溉需水量的时空特征及影响因素,本文基于1960—2020年逐日气象观测数据,采用Penman-Monteith公式和单作物系数法,利用去趋势预置白(TFPW)的Mann-Kendall(TFPW-MK)研究4种作物需水量变化特征,并通过重标极差(R/S)分析法预测未来作物需水量和灌溉需水量的时空演变趋势;运用随机森林模型的重要协变量特征识别原理,分析气象因素与作物需水量的重要性排名,探究了作物需水量的变化成因。结果表明:1)61年来,新疆主要作物需水量总体呈现“先增后减又增”的变化趋势;作物需水量和灌溉需水量从大到小均依次为:棉花>玉米>冬小麦>春小麦;空间上呈现“南疆>北疆、东南>西北、东部>西部”的格局;主要作物需水量变化范围为:棉花为381.20~991.20 mm(均值为654.94 mm),玉米为350.26~924.48 mm(均值为607.98 mm),春小麦为361.96~709.69 mm(均值为464.89 mm),冬小麦为266.47~753.62 mm(均值为495.70 mm);灌溉需水量变化范围为:棉花为49.49~975.88 mm(均值为563.19 mm),玉米为52.47~910.85 mm(均值为530.18 mm),春小麦为42.58~701.29mm(均值为409.28 mm),冬小麦为21.94~741.77 mm(均值为418.26 mm),自80年代中后期开始,灌溉需水量下降幅度大于需水量。2)TFPW-MK分析中,近61年来,分布在塔里木盆地北部边缘的沙雅和阿克苏、东疆的巴里坤等12个站点需水量呈上升趋势;分布在塔里木盆地中部的塔中、北疆的克拉玛依和南疆的阿图什等区域的27个站点需水量逐步降低;其余站点呈上下波动。3)使用R/S方法对未来需水量的预测中,北疆的塔城、托里、富蕴和乌鲁木齐站,东疆的巴里坤,南疆的沙雅、乌恰、塔中、且末和柯坪等站点4种作物需水量和灌溉需水量在未来会减少,而东疆的红柳河、巴里坤与巴音布鲁克的春、冬小麦需水量在未来呈现上升趋势。4)在作物全育期中,风速和气温是新疆主要作物需水量的最重要影响因素,而降水对新疆主要作物需水量的重要性最小。该研究较为全面的为新疆农业高效用水和灌溉措施的制定提供决策和依据。

气候变化与人类活动对闽江流域径流变化的影响

定量分析气候变化和人类活动对径流的影响是探究径流演变机制及水土流失防控的关键之一。采用Trend free prewhitening MK检验法分析闽江干流及3大子流域1960—2010年径流和气象要素的变化特征,并将经验判别法和气候弹性系数法相结合,分析气候变化和人类活动对闽江流域径流变化的影响。结果表明:闽江流域的年径流、降雨量总体呈上升趋势,潜在蒸发量则为下降趋势,且在20世纪70年代初发生突变;闽江干流和3大子流域的气候变化导致径流增加,其中降雨量的增加和潜在蒸发量的减少是主要原因,而人类活动主要起减流的作用;干流和3大子流域气候变化对径流变化的贡献率高于人类活动,仅21世纪初建溪流域和沙溪流域除外。可见,气候变化是闽江流域径流增加的主要原因,但人类活动的影响不容忽视。

1958-2014年赣江流域降雨侵蚀力时空变化特征

降雨侵蚀力可用于表征降雨对土壤侵蚀的潜在能力,研究其时空变化特征对流域土壤侵蚀风险评估、水土流失防控等工作具有重要意义。利用赣江流域12个气象站1958—2014年逐日降雨资料计算降雨侵蚀力,采用TFPW-MK法、小波分析和Kriging插值等方法分析了流域降雨侵蚀力时空变化规律。结果表明:赣江流域多年平均降雨侵蚀力值空间分布范围为6059.9~8724.7(MJ·mm)/(hm^2·h),空间上自西南向东北呈现递增趋势;大部分站年降雨侵蚀力以上升为主,1958—2014年流域年降雨侵蚀力上升了588.639(MJ·mm)/(hm^2·h),上游区变化较小,中下游上升趋势较明显,其中7—9月变化显著。此外,流域年降雨侵蚀力的变化主周期为4.1 a,且存在2.0~5.2 a的振荡周期。研究表明赣江流域因降雨侵蚀力增加而引发水土流失的风险在加剧,对于下游地区表现尤为突出,结论可为赣江流域水土保持、农业开发等提供决策依据。

三义寨灌区主要作物需水量变化趋势分析

探究作物需水量及其变化趋势,为制定灌区灌溉制度、区域水资源规划和管理提供依据。基于三义寨灌区2000―2014年逐日气象数据,根据FAO推荐的Penman-Monteith公式计算小麦、玉米和棉花的需水量(ETc),采用TFPW-MK法研究3种作物ETc变化特征,借助通径分析法探讨作物ETc变化成因,并利用R/S方法预测作物未来ETc变化趋势。结果表明:小麦、玉米和棉花全生育期ETc存在显著性差异,分别为358.47、246.18和438.97mm,小麦抽穗期、玉米灌浆成熟期、棉花花铃期ETc显著增加,分别占各自全生育期的31.24%、37.06%和51.18%;小麦全生育期ETc以2.86mm/a显著降低,玉米和棉花全生育期以ETc2.39mm/a和4.33 mm/a降低,小麦成熟期、玉米拔节期和棉花现蕾期以0.14 mm/a、0.38 mm/a和0.19mm/a增加,3种作物的ETc在其他生育期均降低;小麦、玉米和棉花ETc最主要影响因子为风速、日照时数和风速;在未来一段时间,小麦全生育期ETc为增加趋势,玉米和棉花全生育期ETc为降低趋势,小麦分蘖和拔节期、玉米抽雄期及棉花播种、现蕾和吐絮期ETc变化趋势与过去相反,三者其他生育期ETc与过去变化趋势保持一致。

黄河干、支流径流量与输沙量年际变化特征

收集黄河流域干、支流21个主要水文控制站1950-2007年间年径流量与年输沙量时序数据,采用TFPW(Trend-free pre-whitening)-MK法检验年径流与年输沙长期变化趋势,并利用贝叶斯变点分析方法诊断时序数据突变点。结果表明,黄河干(除唐乃亥外)、支(除氵状头站年径流外)流年径流量与年输沙量均呈现显著下降;干、支流年径流与年输沙序列下降变化中均存在显著突变点,除干流年径流序列在1968年前后和1985年前后有共同突变点外,其它序列突变点出现时间极少一致;干、支流年径流量与年输沙量的突变式下降是对流域降水变化与人为干扰复合响应的结果。

我国人均粮食占有量时空变化特征及驱动力研究

粮食安全问题一直被我国各界所关注,人均粮食占有量是粮食安全度的重要体现。为了明确我国粮食安全状况,根据1997—2010年我国人均粮食占有量及引起其变化的各类驱动力数据,利用TFPW-MK趋势检验法和基于PLS的STIRPAT模型,定量研究了近14年人均粮食占有量的时空变化特征以及各驱动力的影响。结果表明:从时间尺度看,1997—2003年人均粮食占有量波动减少,2003—2010年人均粮食占有量逐年增长,整体呈增加趋势;从空间尺度看,61%的地区近14年人均粮食占有量呈上升趋势,其中内蒙古趋势斜率最大,河北趋势斜率最小。39%的地区近14年人均粮食占有量呈下降趋势,其中上海趋势斜率绝对值最大,四川趋势斜率绝对值最小;人均粮食占有量变化的负驱动力中一产就业人员影响最大,正驱动力中粮食作物播种面积影响最大。我国粮食安全整体呈良性发展态势。

长江源区气温降水变化趋势及其对区域干旱的影响

长江源区是受全球气候变化影响的敏感地区。为研究气候变化对其区域干旱的影响,采用了TFPW-MK趋势检验法,对20世纪50年代以来长江源区气象站降水量、气温的变化趋势进行了显著性检验,识别了各季节和月份的变化特点,采用了标准化降水蒸散发指数(SPEI)作为反映区域干旱的指标,对年尺度、月尺度长序列变化趋势进行了分析,通过气温-潜在蒸发相关性分析,研究了降水、气温变化对区域干旱的影响。结果表明:①长江源区年降水量增加趋势显著,各站点年降水增加幅度平均为0.31%/a,增加的月份主要集中在4月和5月;②各站点年平均气温、最高气温和最低气温变化均存在显著增加趋势,平均每年增加1.55%、0.49%和0.59%;③月尺度气温与潜在蒸发序列间相关性较高(0.8以上),表明气温是SPEI干旱指标演变的重要驱动因素,长江源区上游(五道梁、沱沱河站)干旱呈现加剧趋势,而下游(曲麻莱站)干旱呈现减轻趋势。

关河水库流域水文序列突变诊断与非一致性研究

在气候变化和人类活动影响下,近年来很多流域的水文序列发生了突变,呈现出了时间序列上的非一致性。同时,水文序列的自相关性影响其突变点的准确识别。为研究关河流域降雨以及径流序列的变化规律,根据流域内5个雨量站以及2个实测径流站点近50年的实测资料,利用Mann-Kendall秩次检验其趋势性,同时利用3种突变检验方法分别在无、有去趋势预置白(trend free pre-white,TFPW)前处理的条件下对序列突变点进行识别,并使用Morlet小波对序列进行周期性分析,从突变点诊断、周期性分析和驱动机制3方面剖析关河水库流域水文序列非一致性变化特点。研究结果表明:对系列的自相关性去除以后,TFPW对水文系列中初步识别出来的多个伪突变点有校正作用,有助于识别出真正的突变点,这一结论在随后的周期性分析Morlet小波方法中得到了验证。研究区降雨在1978年发生突变,径流在1979年发生突变,降水是引起两站径流产生突变的原因,且突变点前后径流序列的状态发生了根本性变化;相较于受单一气候影响的石栈道站,受气候因素以及人类活动双因素影响下的关河站其径流总量下降更为明显,径流变化周期不稳定且峰值有所减小。

环太湖各水资源分区入出湖水量及贡献分析

基于1986—2018年环太湖入出湖水量、降水量、引排水量资料,采用TFPW-MK趋势检验法分析了环太湖各水资源分区年入出湖水量及太湖换水周期的变化特征,并讨论了湖西区年入湖水量以及望虞河和太浦河年出湖水量显著变化的影响因素。结果表明:环太湖年入出湖水量、净入湖水量与各水资源分区年入出湖水量及占比呈现不同的变化趋势;望虞河年入湖水量、出湖水量、入湖水量占比及湖西区出湖水量占比的年际变化最显著;不同年代湖西区年入湖水量及占比均值为各分区最大,太浦河在20世纪80年代后年出湖水量及占比均值为各分区最大;湖西区入湖水量增长贡献率最大,浙西区出湖水量增长贡献率最大;降雨对湖西区年入湖水量及望虞河、太浦河年出湖水量的年际波动影响均较大;太湖换水周期呈递减趋势,从20世纪80年代平均200 d减小为21世纪10年代的154 d。

基于突变检验的黄河上游生态水文变异分析

黄河上游梯级水库在发挥防洪减灾、发电、灌溉等作用的同时,使黄河上游河段生态水文特征发生了较大变化,给黄河生态环境健康带来了一定的负面影响。以黄河上游代表站点兰州站为例,使用TFPW-MK突变检验法和秩和检验法分析其水文序列的变异点位置,采用水文指标改变法(IHA)分析变异前后水文生态指标的变异范围。结果表明:兰州站水文序列在1985年发生了变异,且水文变异程度较高,各项生态指标不同程度发生了改变,造成了水文生态条件的恶化。其主要原因是人类活动的影响。

东江流域降水时空变化及其与ENSO事件的响应关系

为了解东江流域降水的时空变化特征,揭示气候变化对流域降水变化的驱动关系,采用去趋势预置白Mann-Kendall检验、直线回归滑动平均、交叉小波等方法分析了东江流域1959~2018年降水时空特征,并揭示其与ENSO事件的响应关系。结果表明,东江流域近60年来降水以-4.29mm/10a的幅度缓慢减少,年内分布不均,属夏季降水最多,占年降水总量44%;各季节降水变化不一,春、秋两季在缓慢减少,夏、冬两季则在缓慢增加。汛期降水占年总量79%,以-10.6mm/10a的幅度减少;非汛期降水以6.1mm/10a幅度增加。空间上降水地域差异性明显,汛期降水与年际降水呈现由中游向上游、下游逐渐递减的分布;非汛期降水则呈现由上游向下游递减的带状分布;降水与ENSO事件响应关系显著,主要表现在1970年代2~4年周期与1990年代后期3~6年周期尺度上,表明气候变化是目前降水变化的主要驱动因子。

开都河源区径流变化的气候响应

气候变化下的山区径流时空变异特征是干旱区水文水资源研究的热点之一。本研究选择天山南坡开都河流域源区为典型研究区,基于1958-2017年大山口水文站和巴音布鲁克水文站径流数据,及巴音布鲁克气象观测数据,采用TFPW-MK趋势检验、小波分析与小波相干等方法分析径流序列的趋势、突变和周期特征及其对气候变化的响应。结果表明:近60 a来,开都河源区径流、降水、气温呈显著增加趋势,并且径流量、降水量与最高气温的增率在加快,而平均气温与最低气温的增率减缓;径流量、降水与平均气温的突变年份集中在20世纪90年代,并且均存在28 a的周期;夏季径流量增加主要受夏季升温的影响,而早春径流量增加主要与冬季降水增加、早春升温有关;在年尺度上,降水是影响开都河径流变化的主要因素,气温主要以积温形式影响着径流的变化;在月尺度上,积温与降水均与径流呈显著正相关关系,且源区上游径流较下游径流对气温变化更为敏感。