变化环境下干旱非一致性机理与评估方法研究

The problem of drought inconsistency arisen from environmental changes is a new issue in the research of water sciences, which imposes great challenge on the study approaches for consistent hydrological time series. This study attempts to address the obstacle of inconsistency for drought assessment under changing environment in typical regions of the Yellow River basin. Specifically, mathematical description of inconsistency based on physical factors and statistical models based on physical mechanism of hydrological processes are adopted to explore formation mechanism of the inconsistency in drought series from the study domain. Then, drought indices for different environmental circumstances and periods based on climatic and hydrological simulations are used to investigate the mechanism of drought responses to climate change and earth surface alterations caused by human activities. On the above basis, physically-based frequency computation and analysis with inconsistent drought series are conducted and multi-scale variation and coupled characteristics of regional drought are analyzed from different spatial and temporal scales, so as to develop assessment methodology and technique for inconsistent drought series resulting from environmental changes. The above study expects to deepen scientific understanding of drought evolution regime and its causes in a changing environment, which has important theoretical value and significance. Also, the expected results can meet special demand of drought assessment against environmental changes and provide technical method and scientific basis for drought planning and management in river basins with widespread practical value.

变化环境引起的非一致性干旱问题是水科学研究面临的新课题，现有针对一致性水文序列的研究方法受到极大挑战。本项目从变化环境下干旱评估面临的非一致性问题出发，选取黄河流域典型区域作为研究对象，采用基于物理因子的非一致性数学描述和基于水文物理机制的统计模型方法，揭示研究区干旱序列非一致性的成因机理；采用基于气候模式和水文模型的分情景或阶段干旱指数方法，分析气候变化和人类活动所引起下垫面变化的干旱响应机制。在此基础上，开展基于成因途径的非一致性干旱频率计算与分析，从不同空间层次和时间尺度探索区域干旱的时空变化与耦合特征，建立能够考虑环境变化的非一致性干旱评估方法与技术。本项目研究预期深化变化环境下干旱演变规律及其成因等方面的科学认识，具有重要的理论价值与意义。预期成果能适应变化环境下干旱定量评估的特殊要求，并为流域干旱规划与管理提供技术方法和科学依据，具有广泛的应用价值。

环境变化引起的非一致性问题是当前水科学研究的热点和难点，传统水文序列分析方法的一致性假设越来越难以为继。本项目围绕变化环境下干旱评估面临的非一致性问题，选取黄河流域典型区域作为研究对象，探究干旱序列非一致性的产生机理，气候和下垫面变化的干旱响应机制，以及基于成因途径的非一致性干旱评估方法。首先，分析了黄河源区（源头流域）径流干旱的多变量联合概率特性；其次，探讨了泾-渭河流域非一致性水文干旱的不确定性问题；然后，验证了基于多源卫星遥感数据的黄河流域历史干旱格局及干旱时空特征；最后，应用气候模式-水文模型-干旱指数多模型平台模拟重建了黄河流域历史干旱场景并对其未来干旱情景进行了预估。主要研究发现与结论包括：运用Bootstrap方法对原始水文序列进行重采样，可有效消除对样本均值和方差估计值的影响，使概率分布线型更好地拟合水文序列，其中百分位数Bootstrap方法估计参数值的精度最高，能显著降低水文干旱评估的不确定性；基于变异性成分合成的重构流量序列能较好地反映天然流量的变化趋势，根据还现流量计算的干旱指标较还原流量偏小，对干旱事件识别灵敏度更高，能够更准确地评估非一致性水文干旱；黄河流域未来气候情景发生极端干旱的风险较历史基准期会有所增加，极端历时和烈度的干旱事件发生概率将会上升，同时干旱历时、烈度、及其两变量联合/同现重现期的变率和空间差异性也会增大，最终导致极端干旱随时间和空间发生的随机性增强；低温升情景下（RCP2.6），黄河流域未来将经历同历史基准期基本相当的气候水文和干湿状况，而中和高温升情景下（RCP4.5和RCP8.5），黄河流域未来将可能出现明显的干旱化趋势，且气候水文条件和干旱特性将呈现出更大的不确定性。项目研究成果有利于深化变化环境下干旱演变规律及其成因等方面的科学认识，可为黄河流域旱情监测评估和水资源调度管理实践提供理论依据和数据支撑。