近2百年来渭河流域气候变化水文效应特征与机制研究

In this study, the historical records, paleoenvironment information and observation and reanalysis data are combined to reconstruct the climate and hydrological elements in the Weihe River Basin for nearly two hundred years. Using statistical analysis, climate diagnosis, model simulation and test methods, the temporal and spatial evolution of climate change and hydrological elements, and the change of hydrological effect of climate change are analyzed，and the long-term relationship model of climate factors and hydrological elements is established. Through the simulation diagnosis of the long-term climate change driven runoff and hydrological events, the sensitivity and regional differences in different periods of runoff and hydrological events on the climate are identified to reveal the important role of climate change on hydrological effects over the past two hundred years and the impact mechanism of climate change on hydrological cycles and predicting the trend of hydrological effects in the coming decades to centuries. These studies provide a scientific basis for understanding interactions between climate change and the hydrological cycle in the past, present and future, and human adaptation to climate change in the future, and having important scientific significance to regional water resources planning and management.

渭河流域是全球气候变化响应敏感的区域。本研究采用历史文献记载、古环境信息与观测资料及再分析资料结合，重建渭河流域近2百年来气候与水文要素序列。采用统计分析、气候诊断、模型模拟以及试验方法，分析气候变化与水文要素时空演化规律，以及气候变化的水文效应变化模态；建立气候要素和水文要素的长期变化关系模型；通过长期气候变化驱动径流与水文事件的模拟诊断，辨识不同时期径流变率及水文事件对气候异常的敏感性及区域差异，揭示近2百年来气候变化对水文循环的重要作用及其影响机制，预测未来几十年至百年气候水文效应趋势，为认识过去、现在与将来区域气候变化的水文效应，以及未来人类适应气候变化提供科学依据，对区域水资源规划管理具有十分重要的现实意义。

渭河流域是气候敏感区，气候变化对水文循环及区域社会经济发展有巨大影响。本研究采用历史文献记载、观测资料、FNL再分析资料与CMIP5、CMORPH输出产品结合，重建了渭河流域近2百年来气候与水文要素序列，采用统计分析、气候诊断、区域SWAT和WRF模型模拟试验，系统研究了多气候水文要素时空演化规律及其水资源脆弱性与社会经济发展之间的关系，依据水热耦合平衡原理建立了气候、水文、人类活动的弹性和贡献模型，辨识了不同时期径流变率及水文事件对气候异常的敏感性及区域差异，揭示了气候变化对水文循环的重要作用及其影响机制，进行了未来气候水文效应趋势预测。结果表明：近2百年来渭河流域降水、日照、风速、湿度、径流、蒸发为减少趋势，气温为增加趋势，旱涝灾害发生率为55.5%，水灾和旱灾发生率为27.5%和18%，旱涝发生强度及频率增加，中下游旱涝发生频率和强度较大，旱涝的2-10a，80a和110a周期与厄尔尼诺、太阳活动及太平洋年代际振荡的共振周期对应。由径流与气候要素之间的函数关系估算出，降水增加1mm，径流将增加0.61×108m3，温度升高0.1℃，径流将减少1.09×108m3，蒸发和日照每减少1mm和1h，径流分别增加0.53×108m3和0.03×108m3。基于动力降尺度WRF模型，采用Grell-3和K-F两种积云对流参数化方案，在2km分辨率下夏季降水和气温模拟表明，渭河流域以大尺度降水和对流性降水偏多，降水对垂直速度很敏感。基于SWAT水文模型的径流模拟表明，影响流域径流最敏感性参数依次为径流曲线系数、基流系数、土壤可利用水、饱和导水率、土壤蒸发补偿系数、曼宁坡面流系数、植被蒸腾补偿系数、河岸调蓄量的基流系数、浅层地下水径流系数，汛期径流低估，低值时期径流高估。径流对降水、蒸发和土地利用/土地覆盖变化（LUCC）的响应最为敏感。气候变化和人类活动对径流影响的贡献率分别为22.3%和77.6%。降水和相对湿度对径流具有正驱动作用，温度、蒸发量、日照时数、风速和LUCC对水文循环具有非线性负驱动作用。气候要素通过正负反馈及其与人类活动耦合作用影响水文循环。预测表明未来渭河流域降水和径流为显著减少趋势，气候变化会进一步加剧水资源系统的脆弱性。这些研究为应对区域气候变化和水资源评估提供了科学依据，对区域水资源利用以及生态环境管理有重要意义。