气候变化背景下黄土高原降雨侵蚀力估算

The Loess Plateau is the most serious soil erosion areas in China, as well as the sensitive area of climate change and ecological environment fragile zone. Scientifically computing the rainfall erosivity and reasonably projecting its future scenarios, are the key to control soil erosion on the Loess Plateau. This study will construct a model for calculating rainfall erosivity, through combining the detailed data of rainfall process (record at one-minute resolution) and the soil erosion observed from the runoff plot. And then this study will involve the traditional rainfall datasets (recorded at hourly, daily, monthly and yearly scale) and high resolution satellite-based precipitation products, employ the data-merge method, to build the simple model for estimating rainfall erosivity. On this basis, this study will analyze systematically the feasibility of satellite-based precipitation products under different type of rainfall on the Loess Plateau, explore the spatio-temporal distribution of rainfall erosivity during the past 30 years on the Loess Plateau, and discuss the influences of rainfall erosivity changes on the processes of water discharge and sediment load. In addition, this study will analyze the potential future change of rainfall erosivity in the coming 30 years based on the global climate model projection. Some methods such as, non-stationary bias-correction, multi-model ensemble averaging, spa-temporal downscaling processes will be adopted. We will detect the uncertainty of future rainfall erosivity on the Loess Plateau and identify the "most sensitive area". Through this study, it will be clear to understand how the rainfall erosivity has changed in the past and how it may change in the future. The results will have positive effects for the management and control of soil erosion on the Loess Plateau in the future, and still have great significance to "keep the healthy life of the Yellow River".

黄土高原是我国水土流失最严重的地区，同时也是气候变化的敏感区和生态环境的脆弱区，科学地计算降雨侵蚀力及其合理地未来情景预估是该区域防治水土流失的关键。本研究基于降雨过程资料（分钟尺度），结合径流小区侵蚀观测，构建黄土高原降雨侵蚀力计算模型。在此基础上，结合常规降雨观测（小时、日、月、年尺度）和卫星遥感反演降水等多源数据，采用数据融合技术，构建降雨侵蚀力简易估算模型；明确黄土高原过去30年降雨侵蚀力的分布规律，讨论降雨侵蚀力变化对径流-泥沙过程的影响。此外，基于全球气候模式对未来降雨的预估结果，系统分析不同情景下黄土高原未来30年降雨侵蚀力时空演变特征，科学认识未来情景预估的不确定性，明确黄土高原降雨侵蚀力变化的"敏感区"。本研究旨在回答黄土高原降雨侵蚀力“过去怎么变”，“未来可能怎么变”的问题。研究结果对黄土高原未来的水土流失防治与调控具有积极的作用，对“维持健康黄河”意义重大。

黄土高原是我国水土流失最严重的地区，同时也是气候变化的敏感区和生态环境的脆弱区，科学地计算降雨侵蚀力及其合理地未来情景预估是该区域防治水土流失的关键。本研究核心内容包括：（1）基于黄土高原分钟及日值尺度降雨资料构建了黄土高原降雨侵蚀力计算模型，讨论研究区过去50多年降雨及降雨蚀力的时空变化特征；（2）讨论变化环境下黄土高原降雨及降雨侵蚀力与径流、侵蚀输沙之间的关系；（3）基于全球气候模式对于未来黄土高原降雨预估结果，进行未来降雨侵蚀力估算。主要研究结果包括：（1）黄土高原过去50年降雨特征分析：过去五十年（1965-2014）黄土高原降雨量并没表现出明显的变化趋势，而是处于大幅波动状态，夏季的降雨主要集中在黄土高原东南部和地区，其他季节降雨在南部的部分地区偏多。侵蚀性降雨与年降雨量具有显著的幂函数关系，黄土高原侵蚀性降雨对全年降雨量的贡献率在80%以上。（2）黄土高原降雨侵蚀力估算：年平均降雨量和年平均降雨侵蚀力之间呈现幂函数的关系，在此基础上构建了黄土高原年值降雨侵蚀力估算模型，计算发现1957-2015年黄土高原年平均降雨侵蚀力为1774 MJ mm ha-1 h-1 year-1。从空间上看，黄土高原的降雨侵蚀力由西北向东南逐渐增大。黄土高原西北区域雨季的降雨侵蚀力约占年平均降雨侵蚀力的80%-90%，而东南区域雨季降雨侵蚀力约占60%-70%。近60年来，由于降雨频率和降雨强度的变化，黄土高原年平均降雨侵蚀力呈轻微下降趋势。（3）全球气候模式CMIP6对于黄土高原历史阶段（1961-2015）的降雨量模拟整体出现低估，通过偏差校正，黄土高原未来降雨量在不同排情景下下将分别增加1.06%（SSP126），2.07%（SSP245），5.01%（SSP370）和6.41%（SSP585）。通过构建的黄土高原降雨侵蚀力估算模型，计算发现相比于过去30年（1986-2015），黄土高原区域平均降雨侵蚀力将在2070-2099年分别增加18%（SSP585）和4%（SSP126），且增值区域主要集中在黄土高原东部地区。研究结果对黄土高原未来的水土流失防治与调控具有积极的作用，对“维持健康黄河”意义重大。依托本项目共发表SCI论文23篇，培养硕士和博士研究生各2名，围绕黄土高原生产了一批有重要价值的水文气象数据。