近20年黄河源区陆地水储量增加及其可能原因分析

黄河源区陆地水储量对黄河流域生态保护与高质量发展国家重大战略的实施起到至关重要作用。利用长短期记忆（LSTM）网络模型,基于GRACE和GRACE-FO重力卫星产品与GLDAS产品分析了黄河源区2002年4月至2020年3月的陆地水储量变化特征,并探讨了降水和蒸散发对陆地水储量变化的影响。结果表明：LSTM模型可用于重建GRACE与GRACE-FO产品之间的数据缺失,其在验证期的皮尔逊相关系数为0.923、纳什效率系数为0.816。此外,GRACE产品具有好的准确性,与GLDAS数据的皮尔逊相关系数为0.737。黄河源区陆地水储量呈现先增加后降低再增加的变化趋势,整体上有着明显的增加趋势。相对地下水和雪水当量,土壤水的增加是陆地水储量增加的主要贡献成分。降水量增加是黄河源区陆地水储量增加的重要原因,而蒸散发量下降是源区陆地水储量上升的可能原因。     

GRACE卫星数据在国内陆地水储量反演中的应用综述

GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)重力测量卫星自2002年3月发射以来,已经提供了地球重力场十多年的观测资料,该卫星通过测量全球不同地区因质量异常所引起的重力起伏来获取陆地水储量变化的总体分布信息,为监测表层或深层水储量变化提供了新方法。系统综述了利用GRACE卫星重力数据进行水储量变化研究的国内进展,重点介绍了GRACE重力卫星及其在国内湖泊流域、河流流域和高原冰川等区域水储量变化反演的研究,并从气候因子和人口社会经济因子分析了我国水储量变化的特点,同时还探讨了GRACE在研究我国水资源储量中的技术瓶颈、可能的解决方案和未来展望。     

气候变化对青藏高原陆地水储量的影响

陆地水储量是降水、蒸散发、径流及下渗等水文过程的综合反映，控制不同尺度的水文循环过程。分析青藏高原陆地水储量在长时间尺度上的变化情况，明晰气候变化产生的影响，可为认识青藏高原的水安全风险并制定相应的水资源管理措施提供科学参考。研究综合使用GRACE数据与ISI-MIP2b多模型数据，利用多模型权重法、Mann-Kendall趋势分析等方法分析了青藏高原1861-2005年与2006-2099年陆地水储量的时空变化情况，通过试验情景设计探究了气候变化对陆地水储量及地下水储量的影响。结果表明：(1)GRACE数据显示青藏高原陆地水储量在2002-2017年间呈减少趋势，水储量变化空间异质性强，高原南部呈减少趋势，北部呈增加趋势。(2)ISI-MIP2b模拟结果显示1861-2005年间青藏高原陆地水储量在工业革命前情景（PIC）与历史情景（HIST）下呈增加趋势，气候变化降低了陆地水储量的增加速率（0.50 km3/a），同时使高原东部及中部大部分地区的陆地水储量由PIC情景下的增加趋势变为减少趋势。(3)2006-2099年间，PIC情景下青藏高原陆地水储量呈增加趋势，RCP2.6、RC...     

归一化植被指数对陆地水储量和降水变化的响应研究——以塔里木河流域为例

利用美国国家航空航天局(NASA)提供的MODIS归一化植被指数(NDVI)数据,探讨了2003-2013年10 a间塔里木河流域NDVI的时空动态分布情况,辅以根据GRACE重力场恢复与气候实验重力卫星和TRMM热带降雨测量使命卫星数据所反演的陆地水储量和降水量数据,研究了10 a间塔里木河流域植被覆盖变化对陆地水储量变化的响应。结果表明:(1)春季NDVI最大值为0.033 67,最小值为-0.010 13,夏季NDVI值最大值为0.617 39,最小值为-0.111 72,秋季NDVI最大值为0.563 38,最小值为-0.047 11,冬季NDVI最大值为0.281 61,最小值为-0.078 64;植被NDVI呈现出夏季秋季冬季春季的规律,离河道越近,植被覆盖度也就越高,同时,植被覆盖度指数会随着越靠近沙漠、戈壁而逐步降低。(2)10 a间NDVI呈现大范围的降低趋势,只有少许范围内具有显著的增加趋势;陆地水储量和降水量的变化趋势,从西北向东南方向呈现出由急剧降低逐步递增为急剧增加。(3)区域A、B、C、D 10 a间NDVI的变化趋势分别是较为复杂、微弱降低、微弱增加和非常显著的增加。(4)降水量与NDVI之间呈现正相关关系,但影像有明显的时滞性,降水量与NDVI之间呈现负相关,植被NDVI与陆地水储量呈负相关,但是对NDVI的影响明显比陆地水储量对NDVI的影响更为显著。     

黄河流域中游地下水干旱演变规律及其对植被变化的响应

【目的】明确黄河流域中游地下水干旱时空演变规律。【方法】基于GRACE/GRACE-FO卫星数据和GLDAS数据计算标准化地下水干旱指数SGDI,利用改进的Mann-Kendall趋势检验研究和识别黄河流域中游的地下水干旱时空演变规律,利用Spearman相关分析研究地下水干旱对植被变化的响应。【结果】(1)黄河流域中游地下水储量异常以-0.027mm/d的速率变化,时空分布极不均匀。(2)地下水干旱时间上分布不均匀,在2018年之后发生中度甚至重度的地下水干旱,且SGDI的Theil-Sen变化率为-4.10×10-4/d,未来地下水干旱有显著的增加趋势。(3)地下水干旱空间上分布不均匀,干旱增加趋势面积占比为63.02%,未来干旱恶化趋势增加,出现自西南向东北加剧现象。(4)植被变化对地下水干旱的驱动作用不显著。【结论】黄河流域中游地下水干旱较严重,地下水干旱对植被变化存在不显著的响应。     

基于遥感土壤湿度反演中尺度流域水储量季节性变化

基于GRACE卫星数据反演陆地水储量变化的能力在众多大尺度流域(15 000 km~2)中得到验证,但该数据空间分辨率较低,难以应用于中尺度流域。本研究基于分辨率更高的遥感土壤湿度,通过引入转换系数K_(pm),对2010年到2015年汛期、非汛期前后的中尺度流域水储量变化(dS_m/dt)进行估算,并通过水量平衡方程对该方法进行验证分析。结果表明基于土壤湿度得到的dS_m/dt与P-Q-E在各个中尺度流域上的相关系数均大于0.7,呈显著相关,土壤湿度能捕捉流域季节性水储量变化;相关系数和均方根偏差在南部区域偏大,说明该方法虽然在湿润区捕捉变化的能力更强,但对量级的把握能力较弱,在北部偏干区域则表现呈相反趋势。该方法为陆地水储量计算提供新途径,计算结果可为区域水资源调度管理起指导作用。     

基于MOD16产品的塔里木河流域蒸散量时空分布特征

蒸散量的时空格局分析不仅对理解气候变化对区域水资源和能量平衡的影响具有重要的意义,且为探讨旱涝灾害成因以及区域生态需水量研究提供一定的理论依据。以塔里木河流域为研究区域,利用MODIS全球蒸散产品MOD16数据,通过趋势分析法和相对变化率,统计分析了2000-2014年塔里木河流域地表实际蒸散(AET)与潜在蒸散(PET)的年际和年内时空变化特征与趋势。结果表明:MOD16-PET产品在塔里木河流域的验证精度达到极显著相关(R~2=0.81),能够满足蒸散量时空变化分析的要求;在年尺度上,塔里木河流域AET与PET的年际变化波动不大,AET为306.54~383.77 mm、PET为1 551.97~1 744.85 mm,多年平均AET与PET值分别为345.04 mm和1 641.52 mm,月尺度上,AET与PET呈先增大后减少的变化特征,夏季AET与PET之差最大,导致流域处于极端干旱、缺水状态;多年平均AET与PET的空间分布格局体现出从盆地中心往外环状分布的特征,且AET与PET值的增减趋势正好相反,流域外围天山、阿尔金山、昆仑山、帕米尔高原等边疆山区AET较高,PET较低。环塔里木盆地的山脚绿洲平原区AET较低,PET较高;2000-2014年,塔里木河流域AET总体上处于减少趋势,PET处于增加趋势,说明该地区近15 a内干旱加重。     

利用GRACE重力卫星观测研究近7年云南省水储量变化

基于高斯平滑法对2002年8月-2010年6月共计95个月的GRACE RL04数据反演得到云南省水储量数据,结合云南省122个气象台站的月降水、月气温资料,利用趋势分析方法研究了云南省近7年来的水储量时空变化特征。结果表明,水储量的月变幅变化过程与降水的月变化过程具有一致性,从水储量变幅可以反映出云南省2010年特大干旱事件和2005年比较严重的初夏干旱事件。云南省西北部近7年来降水减少,气温升高使得蒸散发量增加,导致该区域的水储量呈减少趋势,但是东南部受降水增加以及人类蓄水等工程的影响,水储量呈增加趋势。同一区域水储量的年内变化趋势在不同季节有所差异,除夏季有效降水量变化趋势与水储量变化趋势不一致之外,其他季节的水储量与有效降水变化趋势一致。     

基于标准化降水指数的汉江流域干旱时空分布特征

随着流域内经济社会快速发展以及南水北调中线一期工程调水,汉江流域水资源需求日益加大,流域管理面临较大挑战。从干旱角度分析汉江流域缺水状况,根据汉江流域13个国家基本气象站44a收集得到的月降水量资料,用标准化降水指数(SPI)作为干旱指标,从干旱频率、干旱站次比、干旱强度以及气象变化趋势率4个方面对汉江流域的干旱时空分布特征和演变规律进行分析。结果表明:年度、春季和秋季干旱站次比呈轻微增加趋势,夏季和冬季干旱站次比呈轻微减小趋势;春季、秋季和冬季干旱强度呈轻微增加趋势,年尺度和夏季干旱强度呈轻微减小趋势;区域内主要发生的是全域性和局域性干旱,干旱强度以轻度干旱和中度干旱为主;春季干旱频率较高的地区主要在流域西部的汉中等地和南部的房县、老河口、天门等地,夏季干旱频率较高的地区主要集中在流域北部的佛坪、尚州、西峡等地,秋季干旱频率较高的地区主要集中在流域南的老河口、枣阳、钟祥等地,冬季干旱频率较高的地区主要集中在流域南部的房县、老河口、枣阳、安康等地。     

塔里木河流域积雪时空变化及融雪径流模拟

基于MODIS积雪产品分析了塔里木河流域2001-2013年间积雪覆盖(SCA)的时空变化,建立了其子流域叶尔羌河与玉龙喀什河的SRM融雪径流模型,并估算了融雪径流对总径流的贡献率(Q_s)。结果表明:4-10月为塔里木河流域的融雪期,SCA在七八月达最低值;多年平均SCA为21.7%,源流区SCA高于45%;研究时段内的年均SCA呈统计不显著的波动下降趋势,年递减率为210 km~2。SRM模型能较好地模拟子流域的径流,率定期与验证期的纳什效率系数均在0.7以上,体积差的绝对值在15%以内;叶尔羌河、玉龙喀什河Q_s年际变化呈现波动状态,分别以0.3%、1.0%每年的速度缓慢上升,多年平均Q_s分别为68.6%、70.2%,表明塔里木河是典型的以融雪径流为主的河流。以上研究结果对于塔河流域水资源管理具有一定的指导意义。     

基于GRACE重力卫星与SPEI的云南干旱监测

针对云南省干旱多发、旱灾严重的特点,选取1981年1月-2020年6月长时间序列的历史时期典型水文干旱年及干旱事件,探索GRACE卫星反演数据在监测云南地区干旱方面的适用性,旨在提出解决无资料或少资料地区干旱监测困难的新方法。研究基于GRACE重力卫星数据反演得到云南省滇中、滇东北、滇东南、滇西南、滇西北5个分区月均储水量变化量,计算各分区的旱涝指标-相对储水量指数,利用相对储水量指数对云南省各分区干旱情况进行分析,并从月时间尺度上对比了相对储水量指数和标准降水蒸散指数SPEI3的干旱分析结论。研究结果表明：基于GRACE重力卫星数据反演构建的相对储水量指数在典型水文干旱年内的监测结果与实际干旱情况基本一致,其在滇中地区的适用性最佳,对于春季干旱的监测精度优于其他季节,反演数据能够一定程度上反映云南省不同地区、不同季节干旱程度;利用SPEI3对云南全省以及不同分区的旱情进行监测,结果与统计年鉴记载干旱事件较为吻合,其在滇东南地区的监测精度优于其他分区,在夏、冬两季精度优于春季;GRACE和SPEI3都较好地捕捉到了历史时期的典型干旱年及干旱事件,在选取的24场典型干旱事件中各分区的最高...     

艾比湖流域潜在蒸散量时空变化特征

潜在蒸散发是衡量气候变化下区域水热资源演变的重要参数。利用艾比湖流域10个气象站1961-2012年逐日气温、降水、日照时数、风速、相对湿度等资料,计算了该流域近52 a潜在蒸散量(ET_0),并分析了其时空变化特征。结果表明:(1)艾比湖流域年、春季、夏季和秋季的ET_0都呈增加趋势,冬季ET_0呈减少趋势。年ET_0增势为0.93 mm/a,在1987年发生增加突变并存在15 a左右的变化周期。(2)艾比湖流域春季、夏季、秋季和年ET_0空间分布总体都表现为北部大于南部,而冬季ET_0在空间上自西向东逐渐减少。变化趋势上,艾比湖流域年、春季、夏季和秋季的ET_0表现为中部增势强于南部和北部;冬季中部减势强于流域南部和北部。(3)年代变化上,20世纪60-80年代ET_0空间上都呈减少趋势,20世纪80年代-21世纪初呈增加趋势。其中80年代ET_0最小,2001-2012年ET_0最大。(4)气候因子与ET_0的变化密切相关,但在突变前后存在差异;其中气温对ET_0的影响最大。该研究可为气候变化下干旱半干旱区水热演变的研究以及流域尺度的生态环境保护和管理提供借鉴。     

基于SPI的云南省多尺度干旱时空演变特征识别

【目的】识别云南省多尺度干旱的时空演变特征。【方法】基于云南省36个气象站31 a的气象数据,基于标准化降水指数（SPI）,结合GIS空间分析、非参数Mann-kendall趋势检验,识别云南省多尺度气象干旱时空分布及演变特征。【结果】(1)SPI在年尺度、季节尺度均呈波动变化趋势,除春季SPI略有增长外,夏季、秋季、冬季和年尺度的SPI均表现为减小趋势,秋季SPI变幅最大,冬季变幅最小。(2)年尺度干旱频率分布在32.26%～50.00%之间,主导的干旱等级为轻微干旱和极端干旱,干旱频率高值区主要分布在文山、红河、昆明、楚雄、德宏。(3)春、夏、秋、冬4个季节的干旱频率分别为39.86%、39.83%、38.43%、41.33%,尽管季节间干旱频率差异较小,但不同季节主导性干旱等级差异较大。除春季外,各季节的主导性干旱等级均包含极端干旱。(4)年尺度上,除5个站点干旱呈增强趋势外,其余站点均无显著变化趋势;春季大部分站点干旱演变呈减小趋势,而夏季、秋季、冬季则分别有11、6、2个站点呈显著增强趋势。【结论】云南省年尺度和季节尺度干旱频率分布及演变趋势呈明显的时空分异特征,区域干旱以季...     

鄱阳湖流域未来降水和气温变化模拟预测——基于SDSM统计降尺度方法

研究鄱阳湖流域的降水和气温变化为指导湖区防洪抗旱、保护生态、开发利用水资源和保证流域社会经济协调发展等具有重要作用。利用SDSM统计降尺度方法以及NCEP大尺度再分析数据对鄱阳湖流域降水和气温进行降尺度模拟,效果较好。利用全球气候模式HadCM3的输出,预测鄱阳湖流域在A2和B2情景下未来降水和气温变化。通过分析发现,未来降水相比基准年长期呈现整体减少趋势,而未来气温相比基准年长期呈现整体增加趋势,根据研究结果推论未来鄱阳湖径流可能会呈减少变化。     

基于统计降尺度的长春市未来气候变化趋势分析

应用统计降尺度模型SDSM（Statistical Downscaling Model）,对GCM输出序列进行降尺度处理,生成长春市未来气候变化情景,并利用线性趋势、滑动平均、Mann-Kendall趋势分析等方法分析对2020s（2010-2039年）、2050s（2040-2069年）和2080s（2070-2099年）3个时期的气温和降水的变化特征进行了分析。模拟结果表明,验证期（1976-1990年）内,长春市月平均日最高气温的实测值和模拟值拟合的很好,SDSM模型能够较好的模拟生成长春市未来气候变化情景。与基准期相比,2020s,2050s和2080s最高气温平均分别上升1.67℃、3.44℃、5.65℃,最低气温平均分别上升1.07℃、2.68℃、4.69℃,平均日气温倾向率变化为0.63℃/10年;年降雨量也呈增加趋势,倾向率变化为11mm/10年;研究区未来气温和降雨量年内变化情况呈现不均匀性,春季降水量呈下降趋势,夏季降雨量呈现显著增加趋势,倾向率变化为12.7mm/10年,且相对于其他季节,夏季对全年降雨量的增加贡献最大,秋季降雨变化不显著,冬季增加趋势较平稳;与其他各季相比,气温在夏季的增幅最显著。分析成果为进一步研究未来气候变化情境下长春市水资源状况提供理论基础。     

2001-2017年天山中段积雪时空变异研究

【目的】为干旱区提供冰雪资源的合理利用及灾害防治的科学理论不服务信息。【斱法】采取趋势分析法、相关性分析法,开展了2001-2017年积雪年内年际变化特征以及分布变化原因斱面的研究。【结果】①天山中段SCP(积雪覆盖率)年际变化呈"单峰"型曲线,6月到最小值,12月到次年1月达到最大值,从2月开始逐渐下降到最小值;从7月初开始SCP开始逐渐上升到最大值。②天山中段年际SCP呈减少趋势、春季的SCP变化呈略微减少趋势、夏季不秋季SCP变化均呈增加趋势、冬季SCP变化趋势跟全年年际SCP变化趋势基本相似,且均呈减少趋势,最高值为98.6%,最小值出现在2009年为83.2%。③天山中段54.08%区域的SCD(积雪日数)呈减少趋势,其中4.36%区域呈显著减少趋势;45.92%区域的SCD呈增加趋势,其中3.03%区域呈显著增加趋势。④天山中段积雪不LST(地表温度)年际相关性呈负相关性比较明显,负相关占总面积的55.89%,主要分布在高海拔的天山山脉,博格达尔;34.98%区域呈极显著负相关,主要分布在伊犁河谷、天山南北坡地区不阿克苏、库尔勒、博斯腾湖流域周边。【结论】天山中段积雪时空变化丌仅是LST变化的影响,还受人类活劢和海拔高度差异等因素的共同作用。     

气候变化下雅砻江流域降水时空变化特征研究

雅砻江流域是我国重要的水电能源基地,在全球气候变化背景下,研究雅砻江流域内降水变化规律及未来的降水变化趋势具有重要意义.利用SDSM统计降尺度模型对GCM全球气候模式数据进行降尺度,模拟雅砻江流域未来的降水变化情况.通过趋势分析、M-K趋势检验及突变检验、Morlet小波分析等方法分析了雅砻江流域历史期及未来3种浓度路...     

有无遮蔽条件下季节性积雪分层物理特性对比分析

【目的】融雪径流是干旱内陆河流重要的补给组成。季节性积雪对环境变化极为敏感,研究影响季节性积雪积累与融雪过程的关键因素并进行调控,对变化环境下流域安全与水资源可持续利用具有重要意义。【方法】通过对新疆天山北坡乌鲁木齐河流域试验区2017年11月—2018年2月有无遮蔽条件下(林冠下、开阔地)季节性积雪层分层物理特性进行观测,分析季节性积雪层分层物理特性差异特征。【结果】①观测期开阔地气温略高于林冠下气温,而林冠下相对湿度高于开阔地;②林冠下积雪平均深度小于开阔地,分层积雪中深霜层与粗粒雪层深度比例较大;③林冠下与开阔地分层积雪密度垂直廓线变化特征基本一致,雪层密度从新雪层向下逐渐增大,至粗雪层(开阔地)与中粒雪层(林冠下)达峰值;④林冠下与开阔地分层雪温和分层液态含水率均自新雪层至深霜层呈上升趋势;⑤林冠下与开阔地雪水当量变化趋势基本一致,且开阔地雪水当量值明显大于林冠下。【结论】雪表温度是显著影响林冠下及开阔地积雪液态含水率的因素。     

近50a来黄河流域温度和降水基本特征和变化趋势分析

利用黄河流域87个代表气象站1961－2010年的逐日温度和降水观测资料,采用算术平均、线性倾向估计、滑动平均方法对流域年、季和年代际温度和降水特点和变化趋势进行分析。结果表明：流域多年平均温度为6.96℃,总体呈东高西低、南高北低的空间分布特征。年平均温度呈明显上升趋势,线性倾向率为0.03℃/a;流域季节温度均呈明显增加趋势,冬季温度增加较为明显,夏季温度增加相对较低。流域多年平均降水为448mm,降水空间分布由东南向西北呈带状递减趋势。流域年平均降水呈不显著的增加趋势,线性倾向率为-0.97mm/a,流域季节降水增减变化趋势不明显,变化较为复杂。     

1961—2020年东北三省干旱时空分布特征

【目的】分析1961—2020年东北三省干旱时空分布格局。【方法】基于1961—2020年东北三省的86个气象站实测数据,计算1961—2020年不同时间尺度的标准化降水蒸散指数（SPEI）,并结合游程理论、Mann-Kendall检验、经验正交函数（EOF）分解等方法对东北三省的干旱时空变化特征进行分析。【结果】年尺度上,SPEI均呈缓慢减小趋势,但整体上高于-2.0,无显著突变点,干旱发生频率为25.5%～37.6%,中旱、重旱、特旱发生的频率自西向东呈“高-低-高”、“中间高两边低”、“逐渐降低”的分布规律;季尺度上,春夏秋季呈下降趋势,冬季呈现上升趋势,这表明冬季东北三省干旱有所减轻,而春夏秋三季的干旱有所加重,干旱在空间上发生的频次为春季>冬季>夏季>秋季;干旱历时越长其干旱烈度越小,代表站点越干旱;年际尺度上EOF分解得到的前4个特征向量和四季尺度分解得到的第一个特征向量的主要空间模态表现为全区一致、南北反向分布特征。【结论】东北三省除春季和冬季外,年和其余两季SPEI都呈现出下降趋势,其中南部干旱有加重趋势,北部呈现湿润趋势。