本文關(guān)鍵詞：基于GIS與RIEMS的黑河流域陸—氣系統(tǒng)水文循環(huán)特征研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：陸-氣系統(tǒng)水文循環(huán)密切聯(lián)系大氣水、地表水與生態(tài)水,其變化深刻影響到全球水資源系統(tǒng)與生態(tài)演變,開展變化環(huán)境下流域尺度陸-氣系統(tǒng)水文循環(huán)研究成為當前發(fā)展趨勢。水資源先天性短缺的干旱半干旱區(qū),經(jīng)濟與生態(tài)可持續(xù)發(fā)展對水資源雙重依賴。黑河流域具備內(nèi)陸河流域獨特的區(qū)域水文功能差異與典型的地表水文循環(huán)過程,區(qū)域人類活動歷史悠久,伴隨社會經(jīng)濟的飛躍發(fā)展,區(qū)域經(jīng)濟活動用水與生態(tài)環(huán)境用水矛盾突出。全面認識黑河流域的水汽分布、水汽輸送、水汽收支與降水量時空分布特征,深刻理解黑河流域文循環(huán)過程及特征,對實現(xiàn)內(nèi)陸河流域的區(qū)域水資源開發(fā)利用和合理配置,以及干旱區(qū)水文-生態(tài)-經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展均具有十分重要的意義。論文以黑河流域高分辨率區(qū)域氣候模式輸出的1980-2010年期間11個標準等壓面3km×3km分辨率的6小時大氣溫度、比濕、經(jīng)向風和緯向風數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù),基于環(huán)流背景場理論與地形抬升降水效應理論構(gòu)建基于物理機制的分布式降水模型,詳細分析了陸-氣系統(tǒng)水文循環(huán)中包括區(qū)域上空水汽含量、水汽輸送、和水汽收支等大氣水文過程與降水的時空分布特征,結(jié)合區(qū)域的實際蒸散發(fā)量與徑流量等,探討了黑河流域上中下游及全流域陸-氣系統(tǒng)水文循環(huán)的基本特征,主要研究結(jié)論如下：(1)流域上空整層水汽含量低值區(qū)位于上游,高值區(qū)位于下游,盡管季節(jié)性差異明顯,但其基本分布格局基本不變。全流域多年年均水汽含量介于31.73～125.62mm之間,平均為101.08mm,上中下游年均水汽含量分別為59.24mm、107.05mm和112mm。冬季1月全流域水汽含量最小,介于0.88-4.00mm之間,平均為3.21mm,上中下游的水汽含量分別為1.62mm、3.34mm和3.67mm；夏季7月水汽含量達到最大,全流域水汽含量介于6.26～23.00mm之間,平均為18.70mm,上中下游的平均水汽含量分別為11.37mm、19.50mm和20.74mm。秋季10月月均水汽含量高于4月份的月均水汽含量。(2)流域上空緯向西風輸送和經(jīng)向北風輸送為主,在1、4、7和10月的季節(jié)代表月份中,上游與下游僅7月水汽收支為正；而中游的水汽收支均為正值。流域上空多年年均水汽輸送通量為3039.97～7392.36g/(cm·s),冬季1月月均水汽輸送通量最小,約為420.95～133.08g/(cm·s);夏季7月水汽輸送量最大,其值為928.44～395.92g/(cm·s);秋季的水汽輸送量大于春季。流域各區(qū)全年、冬季1月、春季4月和秋季10月的緯向水汽輸出量大于緯向水汽輸入量,水汽凈收支為負,緯向水汽輸送不僅作為“過境水”方式越過區(qū)域上空,同時帶走了大量區(qū)域蒸發(fā)水汽,造成水汽虧損；夏季7月,緯向輸送為中下游帶來了大量水汽,凈水汽收支為正。經(jīng)向水汽輸入與水汽輸出所占比例較小,但成為區(qū)域水汽盈余的主要來源；夏季上游山區(qū)中東部地區(qū)及流域東部邊緣出現(xiàn)南風水汽輸送。全流域全年凈水汽收支為255.32億m3,在4個季節(jié)代表性月份中,僅夏季7月的水汽凈收支為正,達到125.14億m3,其他季節(jié)代表性月份水汽凈收支為負。與全流域一樣,上游和下游在季節(jié)性代表月份中僅夏季水汽收支為正,其他水汽凈收支均為負值。上游全年水汽收支量為23.73億m3,其中夏季7月的水汽凈收支達21.58億m3；下游全年水汽收支量為11.54億m3,夏季7月的水汽凈收支達43.32億m3。中游在四季代表性月份的水汽凈收支都為正,夏季7月的水汽凈收支最大,達61.94億m3,全年凈水汽收支量達225.73億m3。(3)因地形抬升降水效應引發(fā)的流域降水空間分布特征呈現(xiàn)與其上空水汽含量、水汽通量分布相反的格局,上游為降水量高值區(qū)、下游為降水量低值區(qū),境外輸入水汽與區(qū)域本地蒸發(fā)對降水的貢獻因季節(jié)而異。1月境外輸入水汽對各區(qū)降水的貢獻最高,7月份最低；區(qū)域本地蒸發(fā)對降水的貢獻則相反。環(huán)流背景場年均理論降水介于0.07384-98.79mm之間,降水高值區(qū)以張掖、臨澤及金塔為中心分布在中游,上游與下游的理論降水較少,降水低值區(qū)在下游連片分布。地形抬升降水效應主要發(fā)生在上游山區(qū),其區(qū)域地形降水效應介于-19.41～20.92mm之間。冬季1月最小,夏季7月最大。受來自各季節(jié)不同方向大氣環(huán)流的影響,地形抬升理論降水的空間分布不同,冬季1月、春季4月與秋季10月上游山區(qū)地形降水效應的低值區(qū)與高值區(qū)成對出現(xiàn),呈現(xiàn)犬牙交錯分布；而夏季7月上游成為降水高值區(qū)。全流域年均降水量為139mm,其中90%的降水量來源于境外輸入水汽,10%來源于區(qū)域蒸發(fā)水汽；上游年均降水量為425mm,其中90%的降水量來源于境外輸入水汽,10%來源于區(qū)域蒸發(fā)水汽；中游年均降水量為147mm,其中93%的降水量來源于境外輸入水汽,7%來源于區(qū)域蒸發(fā)水汽；下游年均降水量為46mm,95%的降水量來源于境外輸入水汽,5%來源于區(qū)域蒸發(fā)水汽。上中下游及全流域冬季1月境外輸入水汽的貢獻分別達到97%、99%、99%和98%,區(qū)域蒸發(fā)水汽對降水的貢獻分別達到3%、1%、1%和2%；而夏季7月區(qū)域蒸發(fā)量對降水的貢獻增多,上中下游及全流域降水分別為14%、11%、9%和15%。(4)上游的水文外循環(huán)和水文循環(huán)較弱,但水文內(nèi)循環(huán)較強,水汽交換頻繁,水汽滯留時間最短,轉(zhuǎn)化效率最高,與上游降水量最多的事實一致。中游的水文外循環(huán)最高,但水文循環(huán)不高,水汽的滯留較長,轉(zhuǎn)化效率低。而下游的水文循環(huán)最高,水文內(nèi)循環(huán)最低,水文外循環(huán)較低,水汽很難形成降水,水汽不活躍,轉(zhuǎn)化效率最低,與區(qū)域干旱少雨現(xiàn)象一致。水文循環(huán)特征在各區(qū)高溫高濕的夏季7月份表現(xiàn)最為活躍,而在干冷的冬季1月表現(xiàn)較弱。水文外循環(huán)系數(shù)運用區(qū)域上空水汽凈收入量轉(zhuǎn)化為降水的次數(shù),衡量境外水汽參與降水的活躍程度,全流域的水文外循環(huán)系數(shù)為1.52,上中下游的水文外循環(huán)系數(shù)分別為0.24、6.27和0.34。水文內(nèi)循環(huán)系數(shù)表示區(qū)域蒸發(fā)量對區(qū)域降水的貢獻,反映區(qū)域內(nèi)部水循環(huán)的活躍程度,全流域的水文內(nèi)循環(huán)系數(shù)為10%,上中下游的水文內(nèi)循環(huán)系數(shù)分別為18%、5%和3%。水文循環(huán)系數(shù)表示境外水對區(qū)域降水的貢獻,上中下游及全流域的水文循環(huán)系數(shù)分別是90%、93%、99%和90%。水汽滯留時間表示區(qū)域上空水汽含量完全轉(zhuǎn)化為降水所需天數(shù),水汽滯留時間越短,水汽轉(zhuǎn)化為降水的效率越高。上中下游及全流域的水汽滯留時間分別是4.24、22.15、74.20和22.12,水汽轉(zhuǎn)化效率則與水汽滯留時間相反。流域各區(qū)夏季7月的水文循環(huán)系數(shù)和水文內(nèi)循環(huán)系數(shù)均達到最大值。上中下游及全流域夏季7月的水文循環(huán)系數(shù)分別為1.14、7.9、4.39和3.41次,水文內(nèi)循環(huán)系數(shù)分別為25%、10%、9%和18%；冬季1月,除中游水文循環(huán)系數(shù)升高至9.37外,其他均達到最低值；上游、下游和全流域冬季1月的水文循環(huán)系數(shù)均接近0,水文內(nèi)循環(huán)系數(shù)分別為2%、2%、1%和2%。在各區(qū)的水汽滯留時間中,僅上游在春季4月,夏季7月,秋季10月和年均水汽滯留時間少于10天,分別為6.85、4.23、6.81和4.24天,以夏季7月的滯留時間最短,水汽轉(zhuǎn)化效率最高。中游在各季節(jié)代表性月份的水汽滯留時間均小于下游。
【關(guān)鍵詞】：黑河流域 高分辨率區(qū)域氣候模式 RIEMS 水汽收支 物理機制分布式降水模型 陸-氣水文循環(huán)特征
【學位授予單位】：蘭州大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：P339
【目錄】：

• 中文摘要4-7
• ABSTRACT7-18
• 第一章 緒論18-34
• 1.1 陸-氣系統(tǒng)水文循環(huán)18-19
• 1.2 選題背景19-20
• 1.3 研究意義20-21
• 1.4 國內(nèi)外研究進展21-30
• 1.4.1 水汽含量與水汽輸送21-22
• 1.4.2 大氣水文循環(huán)22-25
• 1.4.3 陸-氣系統(tǒng)水文循環(huán)25-26
• 1.4.4 大氣降水26-30
• 1.5 存在問題與發(fā)展趨勢30-31
• 1.6 研究目標和研究內(nèi)容31
• 1.6.1 研究目標31
• 1.6.2 研究內(nèi)容31
• 1.7 技術(shù)路線與論文框架31-34
• 1.7.1 技術(shù)路線31-32
• 1.7.2 論文組織32-34
• 第二章 研究區(qū)概況34-40
• 2.1 地質(zhì)地貌35-36
• 2.2 氣象氣候36-37
• 2.3 水文水資源37-38
• 2.4 植被土壤38
• 2.5 人類活動38-40
• 第三章 研究數(shù)據(jù)與研究方法40-68
• 3.1 數(shù)據(jù)源40-43
• 3.1.1 地形數(shù)據(jù)40
• 3.1.2 氣象氣候數(shù)據(jù)40-43
• 3.1.3 水文觀測臺站的水量數(shù)據(jù)43
• 3.2 數(shù)據(jù)預處理43-47
• 3.2.1 空間數(shù)據(jù)管理43-44
• 3.2.2 流域邊界概化44-45
• 3.2.3 流域地形特征處理及地形因子提取45-46
• 3.2.4 降水臺站數(shù)據(jù)的校核與整理46-47
• 3.3 降水臺站地形代表性分析47-52
• 3.3.1 降水臺站的空間分布48-49
• 3.3.2 降水臺站對泰森多邊形區(qū)地形代表性的空間分布49-50
• 3.3.3 降水臺站對高程帶地形代表性的空間分布50-51
• 3.3.4 降水臺站地形代表性的綜合分析51-52
• 3.4 黑河流域高分辨率區(qū)域氣候模式數(shù)據(jù)的驗證52-61
• 3.4.1 多年各月大氣溫度、比濕和風速的對比53-55
• 3.4.2 不同等壓面的大氣溫度、比濕與風速的月變化差異分析55-61
• 3.5 大氣水文循環(huán)參數(shù)的計算61-65
• 3.6 研究方法65-68
• 3.6.1 誤差統(tǒng)計參數(shù)65-66
• 3.6.2 Kriging66-68
• 第四章 近30年來黑河流域上空水汽含量與水汽輸送特征68-83
• 4.1 整層大氣水汽含量的空間分布68-71
• 4.1.1 多年年均水汽含量的空間分布68-69
• 4.1.2 各季代表性月份平均大氣水汽含量的空間分布69-71
• 4.2 整層水汽輸送空間分布71-81
• 4.2.1 多年年均水汽水平輸送空間分布71-73
• 4.2.2 季節(jié)代表性月份的平均水汽水平輸送空間分布73-81
• 4.3 小結(jié)81-83
• 第五章 黑河流域起伏地形下降水空間分布精細化估算83-104
• 5.1 環(huán)流背景場理論降水估算83-88
• 5.1.1 環(huán)流背景場理論降水估算模型構(gòu)建83-85
• 5.1.2 環(huán)流背景場理論降水的空間分布85-88
• 5.2 地形抬升降水效應理論估算88-97
• 5.2.1 地形對降水量的影響88-89
• 5.2.2 地形抬升降水效應理論估算模型構(gòu)建89-92
• 5.2.3 地形抬升降水效應的空間分布92-97
• 5.3 起伏地形下綜合降水估算97-100
• 5.3.1 起伏地形下綜合降水估算模型的構(gòu)建97
• 5.3.2 起伏地形下綜合降水模型的降水空間分布97-100
• 5.4 起伏地形下綜合降水估算模型驗證與比較100-101
• 5.4.1 起伏地形下綜合降水估算模型的驗證100-101
• 5.4.2 起伏地形下綜合降水估算模型的比較101
• 5.5 小結(jié)101-104
• 第六章 黑河流域陸-氣系統(tǒng)水文循環(huán)特征104-125
• 6.1 陸-氣系統(tǒng)水文循環(huán)各水文過程104-116
• 6.1.1 上中下游及全流域上空的整層大氣平均水汽含量104
• 6.1.2 上中下游及全流域上空的整層大氣水汽收支104-113
• 6.1.3 上中下游及全流域降水、地表蒸散發(fā)以及地表徑流113-114
• 6.1.4 上中下游及全流域的降水來源分配114-116
• 6.2 上中下游及全流域陸-氣系統(tǒng)水循環(huán)特征分析116-122
• 6.2.1 上中下游及全流域陸-氣系統(tǒng)水文過程轉(zhuǎn)化特征116-121
• 6.2.2 上中下游及全流域陸-氣系統(tǒng)水文循環(huán)特征121-122
• 6.3 小結(jié)122-125
• 第七章 結(jié)論與展望125-130
• 7.1 結(jié)論125-128
• 7.2 創(chuàng)新點128
• 7.3 展望128-130
• 參考文獻130-134
• 附圖134-140
• 在學期間的研究成果140-141
• 致謝141

【參考文獻】

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本文編號：294348