基于区域气候模拟的西北内陆河地区多时间尺度干旱评价及预测

The inland river region of Northwest China, which is one of the most water-stressed regions in the world, suffers from frequent and severe drought hazard. To identify the spatiotemporal variation of drought at different time scales and the control factors is significant to the agricultural production, the ecological restoration，and the sustainable development for this region. Given the drawbacks of current drought indices that lack of physical mechanism of hydrological processes and multiscalar character, this project aims to establish a new physically based multiscalar drought index which combines the strengths of the Palmer Drought Severity Index (PDSI) and the Standardized Precipitation Evapotranspiration Index (SPEI). The water budget calculation in the new multiscalar drought index is based on the hydrological simulations produced with a regional land-atmosphere coupled model. Based on the new multiscalar drought index, the spatiotemporal variation of drought will be evaluated and characterized over the entire inland river region of Northwest China. The future variations of drought will be predicted and analyzed using global climate model dynamically downscaled with regional climate model. The implementation of this project will provide improved information for drought monitoring and identification at varied temporal scales, which is crucial for the water resources management and the drought mitigation in the inland river region of Northwest China.

西北内陆河地区降水稀少，水资源匮乏，是干旱灾害最易发的区域之一。研究该区不同时间尺度干旱发生发展过程，分析和预测不同干旱影响因子的时空变化趋势，是保障该区农业生产，生态恢复，以及社会经济可持续发展的重要课题。本项目立足于西北内陆河地区干旱模拟和预测的应用实际，针对现有干旱评价方法在物理机制和多时间尺度分析方面存在的不足，利用陆气双向耦合模式，模拟西北内陆河地区的区域气候与地表水热过程，构建基于陆气双向耦合模式的多时间尺度干旱指数，使其同时具备帕默尔干旱指数和标准化降水蒸散指数的优点。进而利用该指数综合分析西北内陆河地区干旱时空变化过程，并将全球气候模式与区域气候模式相结合，通过动力学降尺度，模拟和预测研究区未来不同时间尺度干旱发生发展趋势，以期为区域水资源管理和御旱减灾防治规划的编制提供理论依据。

西北内陆河地区因降水稀少、水资源匮乏而导致干旱灾害频发，因此探究该区域的干湿变化规律，还原并预测干旱发生发展过程，对保障区域生态和社会经济的可持续发展具有重要意义。本研究首先对GLDAS2.0/NOAH数据集的准确性进行验证，确认该数据集可以有效反映西北内陆河地区气候与地表水热变化，在此基础上分析1948-2010年影响地表干湿状态的水文、气象因子变化趋势，结果表明在该时段西北内陆河地区经历了实质性的气候变暖(区域平均气温(T)由5.0°C增加到6.6°C)，而包括降水(P)、气候适宜降水量(P ̂)、蒸散发(ET)和潜在蒸散发(PET)在内的可以用于表示水分供需平衡和能量-水分交换情况的要素在1970年左右均存在一个转折年，在转折年后四种要素均呈现显著的增加趋势。为进一步明确地表干湿变化趋势，本研究基于通过检验的GLDAS2.0/NOAH数据构建了标准化降水指数(SPI)、标准化降水蒸散指数(SPEI)，以及融合水文物理机制和多时间尺度分析功能的标准化水分距平指数(SZI)，并根据旱灾记录、标准化湿度指数(SWI)和标准化蒸散缺失指数(SEDI)对三种干旱指数在多时间尺度上的干旱识别能力进行比较，结果表明SZI在西北内陆河地区适用性最好。因此本研究以SZI模拟结果为标准，量化分析了西北内陆河地区干湿状态时空变化，分析结果表明，尽管在转折年后T、P、P ̂、ET和PET均呈上升趋势，但水分供需基本平衡，区域气候从暖干到暖湿的变化不明显，地表干湿状况相对稳定。在干旱预测方面，本研究基于CMIP5全球气候模式耦合结果，构建了2006-2030和2070-2100年两时段在RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5三种情景下的SZI，SZI预测结果显示2006-2030年干旱发生频率在RCP2.6情景下为26％-34％，RCP4.5情景下为29％-37％，RCP8.5情景下为21％-39％；2070-2100年干旱发生频率在RCP2.6情景下为29％-34％，RCP4.5情景下为24％-35％，RCP8.5情景下为30％-35％。综上所述，本研究探究了西北内陆河地区的干湿变化规律，还原并预测了干旱发生发展过程，可以为区域水资源管理和御旱减灾防治规划的编制提供有效的理论依据。