自然和人为双重驱动下流域径流变化归因分析及不确定性量化方法研究

Runoff processing was impacted by climate change and human activity. As one of the research hotspots and difficulties in hydrology under changing environment, it is very essential to identify the natural and anthropogenic factors in the runoff variation to increase understanding on global change, and to efficiently adapt environmental change. Aiming at the problem of insufficient understanding on natural factors and uncertainty, this study would address hydrology, meteorology, geography, statistics and systems science in an integrated manner to explore the environmental elements from natural and anthropogenic perspectives. The new method framework based on uncertainty analysis for runoff variation attribution is presented. Its main subjects are as follows: (1)analysis on characteristics of runoff variation and diagnosis on abrupt change points, involving multi-abrupt change; (2)uncertainty analysis and estimation on runoff variation, addressing natural climate variability, human-induced climate change and human activity for underlying surface and water resources situation; (3)a new method of uncertainty framework for runoff variation attribution. The expected achievements could highlight the progress of hydrological modeling and forecasting under changing environment, and clarify the dominated element impacting runoff variation. It is very valuable to predict the future runoff trend more reliably, to support the efficient strategy and action to adapt global change more robustly.

流域径流过程受气候变化与人类活动的共同作用，甄别其中的自然和人为因素对于增加全球变化的理解、有效应对环境变化非常重要，也是当前变化环境下水文科学的热点和难点之一。本项目针对径流变化归因分析中对自然因素和不确定性认识不足的问题，综合应用水文学、气象学、地理学、统计学、系统科学等理论，从自然和人为双重角度剖析变化环境因素，提出基于不确定性分析的流域径流变化归因识别方法。主要内容：（1）流域径流变化特征分析及突变点诊断，分析存在多个径流突变点的不确定性问题；（2）影响流域径流变化的不确定性因素分析，考虑气候自然变异、人为气候变化和人类活动对流域下垫面及水资源状况的影响三个来源；（3）考虑不确定性的径流变化归因分析方法的构建及应用。研究成果将促进变化环境下水文模拟及预报基础研究的发展，对于认清流域径流变化的主导因素、更为可靠地预测未来变化环境下径流变化趋势、以及更为有效地适应全球变化具有重要意义。

流域径流过程受气候变化与人类活动的共同作用，甄别其中的自然和人为因素对于增加全 球变化的理解、有效应对环境变化非常重要，也是当前变化环境下水文科学的热点和难点之一 。本项目针对径流变化归因分析中对自然因素和不确定性认识不足的问题，综合应用水文学、 气象学、地理学、统计学、系统科学等理论，选取海河典型流域开展了以下研究：通过对五百年洪涝干旱灾害记录（1470年以来）重建了近550年降水资料，同时在验证了东英吉利大学提出的CRU（1901-2017年）降水资料的适用性并应用于研究区域降水分析，对研究流域降水资料进行了超长系列的补充，为分析气候自然变异和人为气候变化奠定了超长系列资料基础；依托滁州水文实验基地，分析了不同降雨强度下裸土和草地的径流效应；分别诊断了受人类活动影响较为显著的漳河上游和受人类活动影响相对较少的滦河上游的径流突变点，发现漳河上游的径流突变点在1973年，而滦河为1962年，继而分析了漳河上游径流变化中气候因素呈现正相关，径流的减少主要是受到流域内大量引水的影响；提出了引起径流变化的气候自然变异、人为气候变化和人类活动对流域下垫面及水资源状况的影响三个来源，基于拉丁超立方体抽样技术构建了气候自然变异模拟方法，并通过前述的超长降水资料模拟了气候自然变异过程；分别提出了基于水文模型的径流变化归因不确定性识别方法和基于Budyko假设的径流变化归因不确定性识别方法，在漳河观台以上的研究表明，气候变化和下垫面变化对径流变化的贡献率分别为-9.2%和109.2%，而气候自然变异的90%置信度的影响范围为-35%到16%，因而可认为是气候变异影响而非人为气候变化；未来气候变化下2021~2050年漳河流域的径流变化范围为-2.96%~18.6%，以增加为主； 2061~2090年为-9.37%~19.73%，以减少为主。研究成果将促进变化环境下水文模拟及预报基础研究的发展，对于认清流域径流变化的主导因素、更为可靠地预测未 来变化环境下径流变化趋势、以及更为有效地适应全球变化具有重要意义。项目已发表论文24篇，其中SCI源刊论文4 篇，中文核心期刊论文20篇，软件著作权3项，专著《径流变化归因不确定性识别》正在出版中，受邀做国际学术大会主旨报告4次，参加国内和国际会议12人次，培养硕、博士研究生4名。