区域干湿变化的时空演变规律及其对气候和下垫面变化的响应研究

作     者：吕文涵 

作者单位：中国地质大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：胡晓农（Bill X.Hu）

授予年度：2021年

学科分类：07[理学] 0706[理学-大气科学] 

主      题：干湿条件 植被脆弱性 Budyko假设 气候变化 人类活动 

摘      要：区域乃至全球的水循环过程不断受气候变化与下垫面循环互馈系统的影响,面临着干湿变化的高风险。本研究基于考虑气候变化和下垫面因素的标准化湿润指数（SWI）,综合评估了SWI在中国及9大流域的适用性以及中国干湿变化的时空演变特征;基于Copula函数和贝叶斯条件概率模型构建了SWI与植被状态（归一化植被差异指数）的联合概率模型,揭示了植被易损性的时空分布特征。利用基于Budyko假设的直接分离法和弹性系数法,定量揭示了气候变化与人类活动对黄河和北江流域干湿变化的影响。主要结论如下:（1）基于标准化降水蒸散发指数（SPEI）的对比分析表明,12个月尺度的SWI（SWI12）在中国区域的适用性较好。基于SWI12的趋势分析结果显示,全国仅内陆和淮河流域的大部分地区因P增加呈显著湿润趋势。华北地区（松辽、海河、黄河流域西部）和长江流域西部因P减少和PET增加,区域呈显著干燥趋势;珠江流域因喀斯特地貌导致地表蓄水能力弱,同样呈显著干燥趋势。在过去的25年,全国总干旱面积大部分位于20%-40%之间,其中最大干旱面积约60%。南、北方干旱特征存在明显差异,北方干旱频次较少,但历时较长、烈度较大,南方干旱频次较多,但历时较短、烈度较小。（2）中国地区在5-9月份植被覆盖度较高（NDVI0.3）,但在其他月份北方地区的植被覆盖度较低。夏季的NDVI在全国较多区域（如6月东部地区,8月长江流域）呈减小趋势,而其他季节大部分区域的NDVI呈增大趋势。中国超过80%的地区各月份的SWINDVI为正相关关系,反映了干湿变化在大多数区域会抑制植被活力。春夏季SWI-NDVI相关性在北方地区较高,滞后响应时间较短;而秋冬季SWI-NDVI相关性在南方地区较高,滞后响应时间相对较短。干旱胁迫下,夏、秋季比春、冬季更容易出现植被损失,北方流域比南方流域更容易出现植被损失。随着干旱程度增加,相同程度的植被损失的概率随着增大,当干旱强度不变时,植被损失概率会随植被损失程度上升变得更小。植被脆弱性高的区域主要分布在华北和西北地区的夏季和秋季、华北和西南地区的春季和冬季。（3）基于Budyko假设的2种分离方法对径流的模拟与实际值拟合度较好,其中北江流域（纳什效率系数为0.76）优于黄河流域（纳什效率系数为0.48）。定量分离结果表明,黄河流域的干湿变化主要受气候影响,北江流域干湿变化更易受人类活动影响。人类活动导致黄河和北江流域变得更干燥的趋势,延长了干旱历时并增加了干旱烈度。当干旱强度增大时,气候变化对两个流域的影响更显著。在黄河流域,气候变化的影响随着干旱或湿润程度增大而增加;而在北江流域,气候变化的影响则随着干旱程度增大而增加。