Hydrological Processes in the Huaihe River Basin, China： Seasonal Variations, Causes and Implications

Understanding streamflow changes in terms of trends and periodicities and relevant causes is the first step into scientific management of water resources in a changing environment. In this study, monthly streamflow variations were analyzed using Modified Mann-Kendall(MM-K) trend test and Continuous Wavelet Transform(CWT) methods at 9 hydrological stations in the Huaihe River Basin. It was found that: 1) streamflow mainly occurs during May to September, accounting for 70.4% of the annual total streamflowamount with Cv values between 0.16–0.85 and extremum ratio values between 1.70–23.90; 2) decreased streamflow can be observed in the Huaihe River Basin and significant decreased streamflow can be detected during April and May, which should be the results of precipitation change and increased irrigation demand; 3) significant periods of 2–4 yr were detected during the 1960 s, the 1980 s and the 2000 s. Different periods were found at stations concentrated within certain regions implying periods of streamflow were caused by different influencing factors for specific regions; 4) Pacific Decadal Oscillation(PDO) has the most significant impacts on monthly streamflow mainly during June. Besides, Southern Oscillation Index(SOI), North Atlantic Oscillation(NAO) and the Ni?o3.4 Sea Surface Temperature(Ni?o3.4) have impacts on monthly streamflow with three months lags, and was less significant in time lag of six months. Identification of critical climatic factors having impacts on streamflow changes can help to predict monthly streamflow changes using climatic factors as explanatory variables. These findings were well corroborated by results concerning impacts of El Nino-Southern Oscillation(ENSO) regimes on precipitation events across the Huaihe River Basin. The results of this study can provide theoretical background for basin-scale management of water resources and agricultural irrigation.

The influence of climate change and human activities on runoff in the middle reaches of the Huaihe River Basin, China

This study presents a soil and water integrated model(SWIM) and associated statistical analyses for the Huaihe River Basin(HRB) based on daily meteorological, river runoff, and water resource data encompassing the period between 1959 and 2015. The aim of this research is to quantitatively analyze the rate of contribution of upstream runoff to that of the midstream as well as the influence of climate change and human activities in this section of the river. Our goal is to explain why extreme precipitation is concentrated in the upper reaches of the HRB while floods tend to occur frequently in the middle reaches of this river basin. Results show that the rate of contribution of precipitation to runoff in the upper reaches of the HRB is significantly higher than temperature. Data show that the maximum contribution rate of upstream runoff to that of the midstream can be as high as 2.23%, while the contribution of temperature is just 0.38%. In contrast, the rate of contribution of human activities to runoff is 87.20% in the middle reaches of the HRB, while that due to climate change is 12.80%. Frequent flood disasters therefore occur in the middle reaches of the HRB because of the combined effects of extreme precipitation in the upper reaches and human activities in the middle sections.

Temporal and Spatial Characteristics of Climate Changes in the Urumqi River Basin of Tianshan Mountain over 50 years

Based on the meteorological data during 1959-2008 from five representative weather stations in the Urumqi River Basin and surrounding areas,the regional characteristics of temperature and precipitation in the basin featuring multi-climatic zones were studied by means of some methods including wavelet analysis.As was shown in the results,the temperature in the whole Urumqi River Basin demonstrated a significant upward trend.The temperature increase particularly in autumn and winter made the greatest contribution to the marked ascent.The interdecadal temperature in the basin showed a tendency to decline before the period during 1970s-1980s while it was on the rise after 1990s on the whole.The most concentrated period of temperature mutations was in the late 1990s.At the same time,the precipitation also showed an escalating trend,which experienced a stage of unanimous upward trend after 1990s.The most concentrated period of precipitation mutations was in the early 1990s.

Variation characteristics of evaporation in the Gulang River Basin during 1959−2013

Based on monthly evaporation of two meteorological stations in the Gulang River Basin of China,the inter-annual variation of evaporation during 1959−2013 were analyzed using Mann-Kendall and wavelet analysis.The results demonstrated that the annual evaporation show a fluctuating increase over the past 50 years approximately,with an average increase rate of 4.26 mm per decade.The overall trend was decrease−increase−decrease.According to the cumulative anomaly curve,the turning point of the annual evaporation occurred in 1979,in which the evaporation increased in the early stage and decreased in the later stage.Meanwhile,the seasonal variation of the evaporation shows that it decreased in Spring and Autumn,and increased in Summer and Winter,especially obvious for the later.The evaporation abruptly changed in Spring and Summer in 2008 and in Winter in 1994.In addition,all evaporation increased after the changes.However,the evaporation in Autumn abruptly changed in 1986 and 1999,which show a trend of increase-decrease-increase.Wavelet analysis shows that evaporation in Summer and wet season would decrease in the next few years,and in the other seasons would increase.Based on the aforementioned analysis,it can be concluded that increased evaporation is mainly induced by increase of evaporation in dry season,especially in Winter,and this trend to be continued in the future for the Gulang River Basin.

Variation and abrupt change of climate in Ili River Basin, Xinjiang

In this paper, the monthly precipitation and temperature data collected at 7 stations in the Ili River Basin from 1961 to 2007 were analyzed by means of simple regression analysis, running mean, db6 wavelet function and Mann-Kendall test. This study revealed the characteristics of climate change and abrupt change points of precipitation and temperature during different time scales in the Ili River Basin within the past 50 years, The results showed that the precipitation increased from the mid-1980s until 2000 and has continued to increase at a smaller magnitude since 2000. Over the studied period, the precipitation increased significantly during the summer and winter months. The temperature increased greatly in the late 1980s, and has continued to show an increasing trend from the year 2000 to present, The temperature increases were most significant during the summer, autumn and winter months. In terms of different geographies, the temperature increase was significant during the winter in the plains and hilly regions; the increase was also significant during autumn in the inter- montane basins. The climate change trends in the Ili River Basin were consistent with the changing trends of the North Atlantic Oscillation and the plateau monsoon.

气候变暖背景下汉江流域降水和气温时空变化特征

为探究气候变暖背景下汉江流域降水和气温的时空发展规律,基于汉江流域及其周边地区29个气象站点逐日降水(P_(re))、最高气温(T_(max))、最低气温(T_(min))和平均气温(T_(ave))的观测资料,利用线性拟合、Mann-Kendall突变检验和空间插值等方法,分析1960~2019年汉江流域降水和气温的时空变化特征,以及对变暖停滞现象(Hiatus)的响应。结果表明:①在全球变暖背景下,汉江流域气候表现出降水不显著减少(p>0.05)、气温显著上升(p<0.05)的暖干化趋势。1960~2019年汉江流域P_(re)变化幅度夏季(0.582 mm/a)>秋季(-0.477 mm/a)>春季(-0.403 mm/a)>全年(-0.184 mm/a)>冬季(0.125 mm/a);全年升温幅度呈T_(min)(0.028℃/a)>T_(max)(0.025℃/a)>T_(ave)(0.022℃/a),四季T_(max)、T_(min)和T_(ave)一致呈上升趋势,多数升温趋势通过了显著性检验(p<0.05),但升温幅度存在明显差异。②汉江流域全年和夏季P_(re)均未发生突变,春、秋季P_(re)在1970年代中后期发生突变下降,冬季P_(re)在1984年突变增加;除夏季T_(max)和T_(ave)外,其余时序气温集中在1990年代中后期至2000年代前期发生了突变上升。③汉江流域全年P_(re)自东南向北递减,四季P_(re)空间分布规律各异,全年和四季T_(max)、T_(min)和T_(ave)皆自南向北递减;全年及四季P_(re)、T_(max)、T_(min)和T_(ave)变化趋势具有较强的空间异质性。④1998~2012年汉江流域出现Hiatus现象,尤其以冬季最为明显;停滞后春夏季快速增温,秋冬季依旧呈降温趋势。研究成果对于制定汉江流域防灾减灾、供水保障应对策略具有重要的科学意义。

淮河流域暖季极端高温干旱复合事件的演变特征及其与气候和植被的关系

使用淮河流域1981年至2020年的149个气象站点的气温和相对湿度数据,分析了流域暖季极端高温干旱复合事件(Compound Drought and Heat Events,CDHEs)的时空演变特征,并通过趋势分析和相关分析法探讨了CDHEs与气候和植被的关系。结果表明:(1)CDHEs的发生日数在年代际尺度上呈现明显的增加趋势,并且范围扩大,频发区逐渐向淮河流域中西部移动;(2)在年际尺度上,CDHEs随时间序列呈显著的波动上升趋势,空间分布上以西北部为中心向四周递减。连续CDHEs事件呈年际变化,最大2至4天的连续事件存在波动,2019年达到高峰,并且在流域内零散或成片出现;(3)在月际尺度上,CDHEs的发生日数在6月最多,其次是5月、7月、9月和8月。淮河流域入汛前的旱情和入汛后的旱涝急转都容易导致CDHEs发生,而且随着月际变化向南移动;(4)CDHEs对水热条件和大气环流具有特别的敏感性。在850hPa反气旋和500hPa显著高压异常的控制下,高温、低湿、高蒸发和降水少的气候背景有利于淮河地区CDHEs的形成,尤其是在淮河中西部地区。因此,CDHEs的发生与气候变化密切相关;(5)CDHEs与植被生长也存在显著关系。CDHEs与GPP呈显著的负相关,而与NDVI呈显著的正相关,显著地区的土地类型以耕地和城乡、工矿、居民用地为主。GPP和NDVI的不同步可能是因为多种因素的非线性相互作用,而不仅仅是单一因素的影响。此外,对于GPP和NDVI来说,土壤含水量至关重要。总之,本文对淮河流域CDHEs的时空分布特征进行了深入研究,并探讨了其与气候和植被的关系。研究结果可以为该地区的气象灾害防御和生态环境保护提供科学依据和参考。

中国旱涝急转事件时空变化特征

【目的】旱涝急转事件造成的社会经济和生态环境影响严重,是我国发生频繁且广泛的一种复合型事件。明确我国旱涝急转事件发生的时空变化特征,可为地区制定防灾减灾措施提供科学依据。【方法】基于1961—2021年气象观测数据,使用Penman-Monteith模型计算潜在蒸散发,然后计算逐日的标准化降水蒸散指数(daily-SPEI),分流域对中国旱涝急转事件的频次、影响范围和趋势的变化特征进行分析。【结果】结果显示:(1)时间趋势上,1961—2021年中国受旱涝急转事件影响的范围以0.6%/10a的趋势增加,且平均每年有19.8%的范围发生旱涝急转事件。(2)空间分布上,旱涝急转事件主要分布在淮河流域、黄河流域、长江流域和松花江流域,事件发生频次在30次以上地区分别占流域总面积的63.1%、20.7%、15.0%、14.6%,事件频次最高达到53次。(3)中国旱涝急转事件存在明显的季节差异,主要发生在夏季事件发生频次在5次以上的空间范围占中国总面积的一半以上;其次是春季和秋季,事件发生频次在5次以上的空间范围占比均不足15%;冬季发生最少,事件发生频次在5次以下。【结论】结果表明:中国旱涝急转事件的影响范围整体呈增加趋势,中国中东部和东北部是旱涝急转事件发生频繁地区。研究结果可为旱涝急转事件的监测与应对提供科学基础。

嘉陵江流域旱涝急转演变规律及其对径流影响研究

针对气象旱涝转换对流域径流影响的问题,基于嘉陵江流域逐日降水量和流量数据,采用长、短周期旱涝急转指数方法,揭示了旱涝急转时空分布特征与演变规律,定量评估了径流变化对不同旱涝急转类型的响应程度。结果表明:1977~2022年,嘉陵江流域共发生了8次汛期旱涝急转事件,其中6次发生在2004年及之后;空间上,南部、中部以及西北部地区发生旱涝急转的频率较大,在17%以上;在月尺度上,6~7月发生旱涝急转的频率最大,超过了20%。当汛期发生涝转旱时,北碚、罗渡溪、武胜以及小河坝等站的前半汛期流量相比常年平均增长了57.52%,38.74%,85.50%和99.73%,后半汛期流量相对常年平均偏低了20.82%,49.83%,22.64%和14.53%;而在旱转涝影响下,上述站点前半汛期流量较常年平均减少了31.17%,45.77%,28.83%和26.16%,后半汛期流量较常年分别增长了31.45%,47.17%,24.31%和3.27%;月尺度上也表现出相似规律,表明旱涝急转对嘉陵江径流有着显著影响。研究成果可为梯级水库科学调度、流域水安全保障提供参考。

基于极点对称模态分解的石羊河流域出山径流特征分析

随着全球气候变化加剧,石羊河流域水资源紧缺日益严重,利用合理方法研究径流的变化规律对水资源规划管理尤为重要。基于石羊河流域1956—2018年出山径流量时间序列,利用极点对称模态分解(ESMD)方法,分析石羊河出山径流序列的周期变化、突变特征和变化趋势,并利用Morlet小波分析、Mann-Kendall检验法及R/S分析法进行对比验证分析。结果表明:ESMD方法能够高效地分析处理径流数据;石羊河出山径流序列存在3.0、7.3、12.6 a的周期变化,不同时间尺度发生突变的时间不同;预测短期内石羊河出山径流量仍将持续增加,但是长期必然呈现减少趋势。

东江流域面雨量的气候变化特征

基于东江流域12个国家气象站1967-2021年逐日降水量资料,采用泰森多边形、线性趋势、突变检验、周期分析等方法分析流域面雨量的气候变化特征。结果表明:东江流域年面雨量呈不显著的减少趋势,其旱年和涝年分别集中在多个年代际的初期和中期;丰、枯水期存在2~5和5~7年显著周期振荡。前汛期年平均面雨量较后汛期偏多,雨日较后汛期偏少。5-6、10-11月面雨量变化趋势差异大,出现旱涝急转的可能性较大。流域面雨量于1991年开始突变为阶段性不显著增加或减少的交替变化趋势,中雨、大雨量级面雨量分别在2002、1983年发生显著突变,暴雨量级面雨量无显著突变特征,但21世纪以来年暴雨面雨量异常偏多或偏少年份剧增,极端性特征突显。

基于径流分析的淮河流域汛期旱涝急转研究

本文基于淮河流域吴家渡水文监测站1950-2007年月径流量资料,通过定义长、短周期径流旱涝急转指数,分析了淮河流域汛期径流旱涝急转现象(分旱转涝和涝转旱两种类型),研究结果表明:1)长周期径流旱涝急转在1986年以前发生次数较多,而1986年以后发生次数相对较少;2)各相邻月间的短周期旱涝急转的年际振荡以6-7月最多,且其长期变化规律与长周期旱涝急转年际振荡变化相似;3)长、短周期旱涝急转频次呈现不断减少的趋势,但全旱和全涝频次则有增加的趋势;4)2000s汛期长周期旱转涝、短周期6-7月旱转涝有逐渐增加的趋势,分析认为这种旱涝急转变化是导致淮河流域汛期径流量增加的主要原因之一.

淮河流域主汛期降水气候特征及“旱涝急转”现象

淮河流域地处南北气候的过渡地带,主汛期降水变率大,旱涝灾害频繁。利用淮河流域126个地面气象站降水资料,采用EOF分解、线性变化趋势、Mann-Kendall突变检验等方法,对主汛期降水的时空分布特征、典型旱涝年降水特征以及"旱涝急转"气候特征进行了分析。结果表明:淮河流域主汛期的降水量空间分布呈现南部多于北部、山区多于平原、近海多于内陆的特征,并且旱、涝均主要是以南部为主发生;降水量有明显的年际变化特点,尤其是最近10a的年际变率在增大,集中强降水主要出现在7月上旬;淮河流域"旱涝急转"现象频繁发生,尤其是2000年以来频次显著增多,对农业生产造成严重不利影响。

淮河流域旱涝灾害致灾气候阈值

采用淮河流域内1959—2008年110个气象站的逐日降水资料,结合流域1978—2008年农作物旱涝灾害受灾面积数据,基于降水致灾因子与农作物承灾体受损程度等研究,提出旱、涝致灾气候阈值概念,在此基础上分析旱涝灾害发生的时空特征,确定淮河流域合理的旱涝致灾气候阈值区间并建立致灾气候阈值与农作物受灾面积之间的定量关系。结果表明:①致灾气候阈值可通过计算发生旱涝事件时间段累积降水量除以1959—2008年相应时段累积降水量的平均值来定义,得到的旱、涝致灾气候阈值在不同尺度下对旱、涝灾害事件均有较好地稳定反映,可满足研究区旱、涝事件分析需求;②洪涝致灾气候阈值与农作物受灾面积存在一致的变化趋势,而干旱致灾气候阈值与农作物受灾面积相关系数高达0.96,构建了基于干旱致灾气候阈值的农作物受灾面积预测模型。

淮河流域旱涝急转气候特征研究

利用标准化旱涝指数和灾情资料挑选出了1960～2009年淮河流域各水资源二级分区的旱涝急转事件,在此基础上分析了旱涝急转事件的时空分布、水位特征和大气环流特征,结果表明,淮河流域在这50年中共有13年出现了旱涝急转,约4年一遇,其频次和降水强度的大值区都位于流域上游和南部;与长江中下游地区相比,淮河流域的旱涝急转事件更频繁、平均强度更大。旱涝急转具有先减少后增加的年代际演变特征,就年内分布来看,主要集中在6月下旬～7月上旬;干流各水文控制站的水位对旱涝急转的响应具有一定差异,其中王家坝站水位涨幅最大,对强降水的响应时间最短。从环流成因来看,三种典型的大气环流形势可以引发旱涝急转。

安徽淮河流域全新世环境演变对新石器遗址分布的影响

安徽淮河流域是我国自然条件多重过渡地带和古代文化交汇地区,新石器时代演绎了多期古文化,石山子文化时期以渔猎为主,大汶口文化时期渔猎与农耕并重,而龙山文化时期以农耕为主,渔猎为辅。利用野外考古资料和已有考古研究成果,系统地梳理本区新石器文化发展进程,利用钻孔孢粉、年代数据等恢复本区全新世自然环境演变过程,并将考古资料和环境演变研究有机地结合起来,探讨该地区全新世环境演变和古文化发展的关系。研究表明,随着全新世大暖期的开始,新石器早期出现石山子文化,地方特征明显。6.5kaBP￣5.5kaBP气候暖湿,受高海面和洪涝灾害等的影响,地表环境恶劣,导致文化发展中断、考古遗址缺失,5.5kaBP￣4.0kaBP气候趋干,自然条件有利于人类生存,大汶口、龙山文化逐渐繁荣。与中原、山东地区相比,本区在新石器文化发展阶段、遗址数量和分布变化等方面存在较明显差异。

气候变化对淮河流域水资源及极端洪水事件的影响

利用法国国家气象研究中心气候模型(Centre National de Recherches Météorologiques Climate Model,CNRM)典型代表性浓度路径(Representative Concentration Pathway,RCP)情景资料和可变下渗容量模型(Variable Infiltration Capacity Model,VIC),分析了淮河流域未来气温、降水、水资源及可能洪水的变化趋势。结果表明,淮河流域未来气温将持续升高,RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景下未来2021~2050年较基准期(1961~1990年)升幅分别约为1.13℃、1.10℃和1.35℃;流域降水可能呈现略微增加趋势,3种排放情景下2021~2050年降水较基准期将分别增加5.81%、8.26%和6.94%;VIC模型在淮河流域具有较好的适用性,能较好地模拟淮河流域的水文过程,在率定期和检验期,模型对王家坝站和蚌埠站模拟的水量相对误差都在5%以内,日径流过程的Nash-Sutcliffe模型效率系数(NSE)在0.70以上,月径流过程的NSE达到0.85以上。气候变化将导致淮河流域水文循环强度增加,流域水资源总体将可能呈增加趋势,王家坝站和蚌埠站断面洪水事件的发生可能性将增大。

乌鲁木齐河流域气候变化的区域差异特征及突变分析

利用乌鲁木齐河流域气象站的气温和降水资料,运用一元回归分析法和5年趋势滑动,进行了气候变化的趋势分析。结果表明:乌鲁木齐河流域的年平均气温在20世纪60-80年代偏低,90年代以后偏高,即80年代前呈下降趋势,90年代后呈上升趋势,并且秋、冬季升温幅度较大;60年代降水量最少,之后逐渐增多,2000年以来迅速增多;气温变化在空间上表现出上游气温低于下游,秋、冬季气候变暖明显早于春、夏季;降水变化的空间差异也明显。在此基础上,利用滑动T检验法、YAMAMOTO检验信噪比(SNR)、Mann-Kendall法、Cramer法和Pettitt法进行气候突变分析。结果表明:乌鲁木齐河流域气温降水突变不明显,不同方法检验的结果不太一致;春、夏季气温可能在1997年发生突变,而秋、冬季在80年代末90年代初发生突变。

淮河流域夏季旱涝急转的低频环流成因

利用1960 2007年4—8月逐日降水资料挑选了淮河流域各分区旱涝急转事件,分析了旱涝急转夏季,逐日降水的低频振荡特征。结果表明,旱涝急转夏季逐日降水30 60 d周期振荡明显加强,流域大部分地区30—60 d低频振荡的方差贡献与夏季降水量呈正相关,低频方差贡献大(小)对应夏季降水量多(少),并且,相关显著区域位于流域南部。欧亚中高纬度高度场、经向风场的低频位相在少雨、多雨期呈相反纬向分布是造成旱涝急转的环流成因。通过对典型年份分析,给出了低频分布型的形成过程。在少雨期,北半球中高纬度扰动场为4—5波列,从东北大西洋经欧洲和贝加尔湖至东亚太平洋沿岸为"+、-、+、-",与低频位相分布一致。在多雨期,副极地波导从欧洲北部沿急流流向亚洲高纬度地区,并在鄂霍次克海形成强盛的正扰动中心,有利于鄂霍次克海阻塞形势的形成与维持。当中纬度中亚为负扰动中心,印度季风偏弱时,由于下游效应在日本海形成负扰动,导致副热带高压位置偏南。在低纬度孟加拉湾到中国南海对流层高层为负扰动时,中国南海对流活动偏弱。少雨、多雨期的欧亚中高纬度纬向低频环流型实际上反映了副极地、副热带急流罗斯贝波导结构及其传播的异常。

气候变化下淮河流域极端洪水情景预估

利用IPCC第4次评估公开发布的22个全球气候模式在A1B、A2和B1三种典型排放情景下的未来气温和降水预测结果,结合新安江月分布式水文模型,在对模型验证效果良好的基础上,参照集合预报方法,对未来90年(2010～2099年)气候变化下淮河流域的极端洪水进行预估。研究结果表明,从出现概率来看,淮河流域未来可能发生极端洪水年份的密集程度从大到小依次为A2情景、A1B情景、B1情景。A1B情景下,21世纪下半叶出现极端洪水的可能性增大,A2情景在2035～2065年以及2085年以后是极端洪水发生较为集中的时期。B1情景在21世纪70年代左右发生极端洪水的可能性较大。综合各种极端事件的定义方法,将极端洪水划定3个洪水量级。A2情景预估极端洪水的平均洪量在3种情景中最大,B1情景最小。3种情景未来一级极端洪水发生比例都比历史上偏大,A2情景下增加最多。二级极端洪水都较历史略有减少,三级极端洪水减少最显著。3种情景下各个量级极端洪水所占比例各不相同,A1B和A2情景二级以上极端洪水出现比例较大,B1情景下极端洪水量级多为三级,超1954年的一级极端洪水所占比例较小。