黄河中游多沙区气候变化、人类活动与水文过程多尺度耦合模拟

Climate change and hydrological processes are two different kinds of physical processes with different spatiotemporal scales, and human activity has deep effects on these natural processes. How to accurately quantify the influence of human activity on the climate-hydrology coupling system is a challenging research topic. Thus, this proposal is intended to build a coupled "climate change - human activity - hydrological processes" modeling system, quantify the feedbacks among the three component in the system , and investigate the coupling processes among climate change, human activity, and hydrological processes over the desert middle reach region of the Yellow River. At the same time, a database including geographic parameters and their influencing factors will be established in order to provide input data to the coupled model. Through the dynamic analysis and prediction of land use and land cover change (LULCC) and climate for the middle reach region of the Yellow River, the coupling processes among climate change, human activity (focuses on human-related LULCC), and hydrological processes will be quantified at multiple spatial scales such as grid, landscape, subwatershed, and watershed scales to reveal the coupling mechanisms among these three systems.

气候变化和水文过程是两种不同性质和不同时空尺度的物理过程，人类活动对这两种自然过程都会产生深刻的影响 。如何准确量化人类活动对气候水文自然体系的影响，是一个具有挑战性的研究课题。 本项目提出构建一个“气候变化-人类活动-水文过程”模型体系，准确量化体系中各分量之间的反馈，探讨黄河中游多沙区气候变化、人类活动与水文过程的耦合关系，并建立一个涵盖众多地理要素和影响因子的数据库，为这种耦合模型研究提供基础数据支持。将通过黄河中游下垫面土地利用动态分析预测和气候变化模拟与预测，逐步分析栅格、景观、小流域、流域等多尺度上的气候变化、人类活动（以土地利用变化为主）与水文过程的耦合关系，揭示气候变化、人类活动与水文过程多尺度（栅格、景观、小流域、流域）耦合机制。

全球气候变暖背景下黄土高原气候变化显著，同时该区生态环境建设极大改变了下垫面条件，气候和下垫面变化深刻影响着该区水文过程。针对目前黄土高原气候和下垫面变化对水文过程影响及预测研究存在的不足，本项目以Budyko水热耦合模型为理论基础和工具，分析流域植被覆盖时空变化及其驱动力、气候变化和水文过程变化特征，评估气候和植被变化对流域径流和蒸散发的影响。对陆面过程模型Community Land Model（CLM）在黄土高原深厚土层及复杂地形区的适用性展开综合评价，并进行相应改进。采用区域气候模型Weather Research and Forecasting Model（WRF）在黄土高原深厚土层及复杂地形区的适用性展开综合评价，并进行相应改进。采用区域气候模型Weather Research and Forecasting Model (WRF) 对该区历史气候进行对该区历史气候进行数值模拟，利用降尺度模型对黄土高原未来主要水文气候要素变化进行了预测。研究得出的主要结论有：气候变化对植被的影响在不断减弱，人类活动对植被的影响在逐渐增强，政策驱动下的植被建设工程在短时间尺度上成为无定河流域植被覆盖变化的主导驱动力；气候变化是导致无定河流域径流减少的主导因素，贡献多年平均值约为76%；植被覆盖变化作用不可忽视，贡献量多年平均值约为24%。大规模植被建设使得流域蒸散发在2000年后显著增加，同时导致流域水储量不断减少。CLM模型默认的土壤分层为20层，不适用于黄土高原的深厚土壤层区域，无定河流域径流模拟的最优土壤分层为150层，CLM的土壤蒸发参数化方案中土壤干层临界值不能真实反映无定河流域的真实状况，田间持水量能更好代表此临界值。黄土高原区域降水模拟对积云对流参数化方案最敏感，其次为大气边界层参数化方案，最后为云微物理参数化方案；未来2071-2100年黄土高原大部分地区降水均呈现增加趋势，降水年际变动剧烈，极端降水事件频率增加，降水增加量呈现北部多南部少的空间格局，大部分地区降水增量都在50 mm左右；未来黄土高原大部分地区气温都呈显著增加的趋势，区域平均气温增加速率为0.32 ℃/decade。气温增量呈现南北部多、中部少的空间分布格局，大部分地区气温增量都在2 ℃左右。本项目研究结果可为生态建设和水资源规划及开发利用提供理论支撑。