【摘要】：全球氣候變暖背景下黃土高原氣候變化顯著,同時(shí)該區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)極大改變了下墊面條件,氣候和下墊面變化深刻影響著該區(qū)水文過(guò)程�？茖W(xué)評(píng)估黃土高原氣候和下墊面變化對(duì)水文過(guò)程的影響,合理模擬預(yù)測(cè)黃土高原歷史未來(lái)氣候及徑流變化,可為生態(tài)建設(shè)和水資源規(guī)劃及開(kāi)發(fā)利用提供理論支撐。針對(duì)目前黃土高原氣候和下墊面變化對(duì)水文過(guò)程影響及預(yù)測(cè)研究存在的不足,本文選擇黃土高原無(wú)定河流域?yàn)檠芯繉?duì)象,以Budyko水熱耦合模型為理論基礎(chǔ)和工具,基于長(zhǎng)時(shí)間序列氣象水文及遙感數(shù)據(jù),分析流域植被覆蓋時(shí)空變化及其驅(qū)動(dòng)力、氣候變化和水文過(guò)程變化特征,評(píng)估氣候和植被變化對(duì)流域徑流和蒸散發(fā)的影響,探究流域氣候、植被、徑流和蒸散發(fā)之間的相互作用關(guān)系,采用區(qū)域氣候模型Weather Research and Forecasting Model(WRF)對(duì)該區(qū)歷史氣候進(jìn)行數(shù)值模擬,利用降尺度模型對(duì)全球氣候模型輸出進(jìn)行降尺度,在此基礎(chǔ)上,對(duì)黃土高原未來(lái)主要水文氣候要素變化進(jìn)行了預(yù)測(cè)。得出以下主要研究結(jié)論:(1)明晰了變化環(huán)境下黃土高原無(wú)定河流域植被覆蓋時(shí)空變化特征及其驅(qū)動(dòng)力。無(wú)定河流域植被覆蓋在1982-2011年間表現(xiàn)為顯著上升趨勢(shì)。在2000年前后存在“突變”現(xiàn)象。突變前流域植被覆蓋上升緩慢,年際波動(dòng)明顯,突變后流域植被覆蓋急劇上升,且流域植被覆蓋變化與植被建設(shè)歷程較為一致。流域植被覆蓋顯著變化區(qū)域包含了河源區(qū)和黃土區(qū)的大部分地區(qū),顯著增加面積占流域總面積的83%。未來(lái)流域56%面積的植被將保持穩(wěn)定以及持續(xù)增加的態(tài)勢(shì),44%面積的植被未來(lái)變化趨勢(shì)不明確。氣候變化對(duì)植被的影響在不斷減弱,人類活動(dòng)對(duì)植被的影響在逐漸增強(qiáng),人類活動(dòng)使得植被與氣候間關(guān)系變得更加復(fù)雜,政策驅(qū)動(dòng)下的植被建設(shè)工程在短時(shí)間尺度上成為流域植被覆蓋變化的主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)力。(2)提出基于Budyko理論判定流域達(dá)到水量平衡狀態(tài)時(shí)間的敏感性方法。構(gòu)建了考慮植被覆蓋和氣候因子的Budyko水熱耦合控制參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式,基于該公式評(píng)估了氣候和植被覆蓋變化對(duì)無(wú)定河流域徑流減少的貢獻(xiàn)。無(wú)定河干流及各支流1960-2011年間徑流量均顯著下降,變化過(guò)程存在兩個(gè)突變點(diǎn)且分別在1970年和1999年左右。流域降水-徑流關(guān)系不斷變化,降水對(duì)徑流的主導(dǎo)作用逐漸變?nèi)酢４?2年間流域在經(jīng)歷愈加頻繁和嚴(yán)重的干旱,徑流變化與干旱緊密聯(lián)系�；贐udyko模型的敏感性分析法可有效反映該流域多年水量平衡狀態(tài),較合理判斷流域達(dá)到水量平衡狀態(tài)的時(shí)間�？紤]植被覆蓋度和相對(duì)入滲能力因素的經(jīng)驗(yàn)公式可較合理對(duì)Budyko參數(shù)做出解釋,二者可較好反映多年平均尺度Budyko參數(shù)的主要影響因素。氣候變化是導(dǎo)致流域徑流減少的主導(dǎo)因素,貢獻(xiàn)多年平均值約為76%;植被覆蓋變化作用不可忽視,貢獻(xiàn)量多年平均值約為24%,且其影響在不斷增強(qiáng)。(3)闡明了氣候和植被覆蓋變化對(duì)流域水熱耦合關(guān)系的影響。推導(dǎo)出用于定量分析流域蒸散發(fā)變化的彈性系數(shù)法,模擬結(jié)果表明,無(wú)定河流域1960-2011年間風(fēng)速、相對(duì)濕度和凈輻射均顯著減少,凈輻射減少是潛在蒸散發(fā)減少的主要原因。流域蒸散發(fā)在1960-2011年間顯著下降,蒸散發(fā)系數(shù)持續(xù)升高,實(shí)際蒸散發(fā)占降水比重不斷加大,導(dǎo)致流域徑流量減少�；贐udyko模型的彈性系數(shù)法能較準(zhǔn)確對(duì)蒸散發(fā)變化原因做出預(yù)估,蒸散發(fā)對(duì)各氣候因子的彈性系數(shù)分別為:0.79(降水)、0.13(凈輻射)、0.06(氣溫)、0.05(風(fēng)速)、-0.10(相對(duì)濕度)。降水減少是蒸散發(fā)減少的首要原因,貢獻(xiàn)量為66%,其它因子合占34%。大規(guī)模植被建設(shè)使得流域蒸散發(fā)在2000年后顯著增加,同時(shí)導(dǎo)致流域水儲(chǔ)量不斷減少。植被建設(shè)和氣候變化對(duì)流域反照率影響較大,植被增加導(dǎo)致流域反照率降低,積雪覆蓋變化導(dǎo)致冬季反照率劇烈波動(dòng),流域反照率變化導(dǎo)致凈輻射變化從而影響流域能量收支。(4)揭示了分辨率和物理參數(shù)化方案對(duì)黃土高原氣候模擬的影響。提出能較準(zhǔn)確模擬黃土高原歷史氣候的WRF優(yōu)化物理參數(shù)化方案組合。結(jié)果表明,模型分辨率對(duì)黃土高原降水模擬影響較大,低分辨率模擬不能準(zhǔn)確表達(dá)復(fù)雜下墊面地形,導(dǎo)致降水被嚴(yán)重高估。5 km和10km分辨率結(jié)果相近,都能較準(zhǔn)確合理再現(xiàn)降水。降水模擬對(duì)積云對(duì)流參數(shù)化方案最敏感,其次為大氣邊界層參數(shù)化方案,最后為云微物理參數(shù)化方案。得出的優(yōu)化物理參數(shù)化方案組合為:Dudhia短波輻射方案,RRTM長(zhǎng)波輻射方案,Revised MM5 Monin-Obukhov地表參數(shù)化方案,CLM陸面過(guò)程方案,CAM5.1云微物理方案,MYNN2.5大氣邊界層方案和Kain-Fritsch積云對(duì)流方案。基于該優(yōu)化組合的WRF可較準(zhǔn)確再現(xiàn)氣溫和降水時(shí)空變化特征,復(fù)雜地形對(duì)降水模擬結(jié)果影響較大。基于該組合的WRF還可較合理再現(xiàn)氣候極端事件,能抓住侵蝕性降水的量級(jí)、波動(dòng)和變化趨勢(shì)。降水模擬誤差主要來(lái)自特大強(qiáng)度降水模擬。WRF能合理描述該區(qū)平均和極端事件情況下的水汽輸送是其良好表現(xiàn)的主要原因。(5)探究了黃土高原未來(lái)主要水文氣候要素變化趨勢(shì)�；贐udyko理論的徑流彈性系數(shù)法對(duì)黃土高原無(wú)定河流域未來(lái)徑流進(jìn)行了預(yù)測(cè),采用的降尺度模型能較好再現(xiàn)黃土高原氣候時(shí)空分布。未來(lái)該區(qū)大部分地區(qū)降水呈增加趨勢(shì),增加速率為6.6mm/decade,降水年際變動(dòng)劇烈。增幅呈現(xiàn)北部多南部少的空間格局,大部分地區(qū)降水增加量都在50 mm左右,太行山以西大部分地區(qū)、關(guān)中平原、陜北及河套地區(qū)增加量約為150 mm。未來(lái)該區(qū)氣溫呈顯著增加趨勢(shì),加速率為0.32℃/decade,增幅呈現(xiàn)南北部多,中部少的空間分布格局,大部分地區(qū)氣溫在本世紀(jì)末增加量都在2℃左右。在上述工作基礎(chǔ)上,重點(diǎn)對(duì)無(wú)定河流域降水氣溫及徑流進(jìn)行了分析,流域未來(lái)降水和氣溫均呈現(xiàn)顯著增加趨勢(shì),相對(duì)于基準(zhǔn)期1979-2005年,流域降水在2011-2040年將減少10 mm,在2041-2070和2071-2100年分別增加29 mm和67 mm。流域徑流在2011-2040年間將減少16%,在2041-2070和2071-2100年間持續(xù)增加,增幅分別為7%和30%。本文基于Budyko理論,分析和探討了氣候和植被覆蓋變化對(duì)黃土高原無(wú)定河流域徑流和蒸散發(fā)的影響,提出了判斷流域達(dá)到水量平衡年限的新方法,擴(kuò)展了多年平均尺度上Budyko水熱耦合控制參數(shù)的影響因子,推導(dǎo)了蒸散發(fā)變化定量歸因彈性系數(shù)法,提出了能合理準(zhǔn)確再現(xiàn)黃土高原歷史氣候的WRF模型優(yōu)化物理參數(shù)化方案組合,結(jié)合降尺度模型和Budyko理論對(duì)未來(lái)黃土高原未來(lái)主要水文氣候要素變化趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。研究結(jié)果能為黃土高原可持續(xù)生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)依據(jù),為區(qū)域水資源合理規(guī)劃提供理論支撐。
【圖文】：

圖 2-1 黃土高原地形水系圖Figure 2-1 The topography map and rivers in the Loess Plateau2.1.2 無(wú)定河流域概況本文選取黃土高原無(wú)定河流域?yàn)閷?duì)象進(jìn)行氣候-植被-徑流-蒸散發(fā)相互關(guān)系研究。無(wú)定河是黃河河口鎮(zhèn)-龍門區(qū)間最大的多沙支流，其發(fā)源于陜西省北部的白于山，由西向東流經(jīng)內(nèi)蒙古自治區(qū)和陜西省，在清澗縣河口村匯入黃河，干流全長(zhǎng) 491.2 km，全河比降為 1.97%，主要支流有納林河、蘆河、榆溪河和大理河等（陳丹等 2006；莫興國(guó)等 2004）。無(wú)定河流域總面積約 30260km2，高程 572-1730m，其多年平均降雨量為409 mm，主要集中在 6-9 月份，占全年降水量 75%以上。流域地帶性植被為干草原和森林草原，植被覆蓋率較低，水土流失面積為 23137km2，占流域面積的 76.5%，年侵蝕模數(shù)為 8000t/km2（李麗娟等 2005；許炯心 2004）。按地形地貌和水土流失特點(diǎn)，無(wú)定河流域可分為風(fēng)沙區(qū)、河源梁澗區(qū)及黃土丘陵溝壑區(qū)，各分區(qū)自然、社會(huì)及經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)各不相同，且流域內(nèi)的水土流失治理一直是針對(duì)這 3 個(gè)水土流失類型區(qū)開(kāi)展。風(fēng)沙區(qū)位于流域西北部，占流域面積的 54.3%，地勢(shì)（主要地貌為沙丘）起伏平緩，

第二章 研究?jī)?nèi)容和方法蝕、溝蝕及重力侵蝕為主，年輸沙量 0.45 億 t，占流域的 21.4%，年侵蝕模數(shù)為 15634t/km2。黃土丘陵溝壑區(qū)（以下簡(jiǎn)稱黃土區(qū)）位于流域東南部，占流域面積的 34.3%，地表為更新世黃土層覆蓋，，土層厚 50-100 m，其地形呈梁峁起伏，溝壑縱橫的特征，溝壑密度為 4-8 km/km2，相對(duì)切割深 50-250 m，區(qū)內(nèi)土壤侵蝕劇烈，面蝕溝蝕嚴(yán)重，年輸沙量 1.83 億 t，占流域的 72.7%，年侵蝕模數(shù)為 17700t/km2，是流域泥沙的主要來(lái)源區(qū)（許炯心和孫季 2006；汪崗和范昭 2002）。
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：P339;P463

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4 龔s

本文編號(hào)：2699409