三江源区下垫面变化的气候效应及其对极端径流的影响

Three-River Headwaters region, located in the Qinghai-Tibet Plateau, is an important ecological and hydrological conservation region which is sensitive to global change. Due to the global warming and human-induced land cover change during the second half of last century, streamflow over headwaters of Changjiang and Huanghe decreased by 15% and 17% respectively. Since the implementation of the “Graze for Grass Project” and “Three-River Headwaters Region Reserve Project”, the coverages for grassland and lake have increased, so does the streamflow. Currently, there are limited studies on quantifying the effect of land cover change on regional climate, and the changes in extreme low and high flows. In this proposal, multi-scale characteristics of extreme streamflow and their associated climate and land cover conditions before and after ecological reserve project will be investigated based on ground and satellite observations. Hyper-resolution, long-term offline simulations will be carried out by using a land surface hydrologic model with fully coupled two-dimensional surface water, quasi-three-dimensional soil water and groundwater models, and a lake model with water and energy exchange processes. The simulations with actual land cover changes will be used to investigate the effect of land cover change on terrestrial water cycle and extreme streamflow. Moreover, land-atmosphere coupled simulations will be used to separate the effect of land cover change from climate change. This research is targeted at quantitatively attributing the changes in extreme streamflow to climate and land cover changes, investigating the characteristics and mechanisms for the changes in extreme streamflow over Three-River Headwaters region in a warming climate, and providing science support for water security.

地处青藏高原腹地的三江源区是我国重要的生态屏障和水源涵养区，也是全球变化的敏感地区。上世纪末由于全球变暖和人类活动引起的下垫面变化，导致江河源区径流分别减少15%和17%。自国家启动退牧还草等生态治理工程以来，源区草地和湖泊面积扩大、径流量开始增加。目前，当地下垫面变化的气候效应尚缺乏定量研究，且对丰、枯等极端径流关注不够。本项目拟基于地面和卫星观测资料研究生态治理工程前后极端径流的多尺度演变特征及气候和下垫面背景；利用二维地表水、拟三维土壤水和地下水模型完全耦合，包含湖泊能量水分描述的陆面水文模型，针对草地、湖泊等下垫面的真实变化开展高分辨率、长时段数值模拟，研究下垫面变化对陆地水循环过程和极端径流的影响；通过陆气耦合模拟分离出下垫面变化的气候效应，定量评估气候和下垫面变化对极端径流变化的贡献，揭示全球变暖背景下三江源区极端径流的变化特征和驱动机制，为我国水安全提供基础理论和科学支撑。

地处青藏高原腹地的三江源区是我国重要的生态屏障和水源涵养区，也是全球变化的敏感地区。上世纪末全球变暖和人类活动引起了下垫面变化，三江源区径流显著减少。自国家启动退牧还草等生态治理工程以来，源区草地和湖泊面积扩大、径流量有所增加。在气候变化和人类活动共同作用下，三江源区径流的多尺度演变特征如何？如何量化下垫面变化对陆地水循环过程和径流的影响？气候和下垫面变化如何协同影响径流变化？这些都是亟待解决的科学问题。通过3年研究，本项目取得如下主要成果：1）发现近30年三江源区总体呈现暖湿化气候特征；长江黄河源区径流有下降趋势但不显著，而在本世纪初略有上升；旱、涝等极端径流无明显长期变化趋势，但有年代际变化特征。2）通过显式求解地表水水平流动方程与准三维土壤水传输方程，加入可变入渗容量产流方案，考虑土壤有机质对水力性质的影响，引入适用于高原区域的土壤热力参数化方案，并考虑地表水、土壤水和地下水的相互作用，发展了适用于高原地区下垫面变化径流效应研究的高分辨率陆面水文模型CSSPv2，相比于其他模型显著改进了三江源区陆地水循环要素的模拟；揭示了地表地下水平流动对超高分辨率陆面模拟的影响，并通过陆面-大气双向耦合模拟发现植被变化减缓了三江源的变湿趋势。3）发展了考虑自然、人为气候变化与植被变化等多因子影响的气候-水文综合归因方法，并利用CMIP5不同气候强迫生成的气象数据驱动陆面模型CSSPv2开展数值试验，发现气候变化主导了三江源区各水文要素的变化，贡献达89%-99%。植被变化贡献相对较小，总体低于11%。火山爆发、太阳常数变化等引起的自然气候变化主导了雨季降水变化，是黄河源区径流、丰水径流以及整个三江源区平均陆地水储量变化的主导因子，贡献达57-97%。温室气体和气溶胶排放等引起的人为气候变化显著增加旱季降水量，同时导致温度升高、季节性冻土与积雪提前消融，从而造成旱季枯水期流量增加，贡献在88-98%之间。因此，气候变化主导了三江源区径流的变化趋势，下垫面变化的作用较小但减缓了源区变湿的速率；自然和人为气候变化分别对丰水径流和枯水径流的变化起主导作用，故在应对源区径流变化时要细化人为气候变化和自然气候变化的影响，制定不同的适应政策。项目发表第一/第二标注SCI论文18篇（其中1区12篇），平均影响因子4.6。研究工作被Natureasia列为研究亮点，被JGR-A选为杂志封面。