黄土高原极端气候变化及对河流水沙影响的评估与预测

作     者：任玉玲 

作者单位：西北农林科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李志

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 070601[理学-气象学] 08[工学] 081502[工学-水力学及河流动力学] 0815[工学-水利工程] 0706[理学-大气科学] 

主      题：极端气候 流域水沙 大气环流因子 区域气候模式 趋势保持偏差校正法 

摘      要：黄土高原作为世界土壤侵蚀最为严重的地区,极端气候事件是最重要的驱动因子之一。因此,研究黄土高原当前及未来极端气候及河流径流泥沙的变化规律,能为该区生态建设提供重要参考依据,并支撑黄河流域生态环境保护与高质量发展战略。本研究基于1961–2017年80个气象站点数据,选取12个具有代表性的极端气候指标,分析了极端气候事件的时空变化特征,并探究12个大气环流因子在不同时间尺度上对其的联合影响;基于8个流域1961–2017年径流和泥沙数据,分析流域水沙的年际和年代变化特征,并量化极端气候对其的贡献率;对五种区域气候模式进行保持变化趋势的偏差校正后,预估2021–2050年不同排放情景下的极端气候和流域水沙变化特征。主要结论如下:(1)黄土高原极端降水和温度事件的多数指标存在显著的变化,受到单一或复合大气环流因子的影响。极端降水的强度和频率趋于增加,而持续时间趋于减少,在空间上主要呈东南-西北梯度递减。极端暖事件和极端冷事件分别呈显著上升和下降趋势,在空间上主要呈现南高北低的分布,且绝大部分站点呈显著变化趋势。此外,温度与夏季极端降水事件的持续时间和冬季极端降水事件的强度和频率相关性较强。极端降水指数主要受北极涛动、太平洋-北美震荡和厄尔尼诺-南方涛动的单个或多因子的联合影响;而极端温度指数主要受北极涛动、东亚夏季风、亚洲纬向指数和青藏高原指数的联合影响。(2)极端降水与流域径流量的相关性强于输沙量,但人类活动是近年来流域减水减沙的主要因素。1961–2017年黄土高原各流域水沙呈显著下降趋势,突变多发生在20世纪90年代。流域水沙在20世纪60年代达到最大值,径流量在2011年后有所回升,输沙量却仍在不断减少。57年间,整体上流域径流量与较强降水日数的相关性较好,相关系数最高可达0.88,而流域输沙量与连续五日最大降水量的相关性较好,相关系数最高可达0.78。人类活动是流域径流量和输沙量减少的主要因素,贡献率分别为68%～129%和85%～113%,大于极端降雨产生的影响。(3)区域气候模式输出数据在偏差校正后较好地模拟了黄土高原历史气候变化,减少了未来极端气候和流域水沙预估的不确定性。使用趋势保持偏差校正方法后,RCMs模拟结果很好地再现了历史时期的平均气候和极端气候,并保持了变化趋势。与1980–2005年相比,在2021–2050年黄土高原极端降水强度减少,频率和持续时间增加,极端暖事件和极端冷事件分别增加和减少。东南部极端降水变化较大,西部极端温度变化较大。与基准期(突变前)相比,在多种变化情景下,未来30年各流域径流量整体呈增加趋势,输沙量仍呈减少趋势。本研究分析了黄土高原历史时期极端气候和流域水沙的时空变化特征及主要影响因素,并预估了多种情景下的未来极端气候事件和流域水沙的变化趋势,有助于加深对黄土高原极端气候变化的认识,为黄土高原生态环境建设及流域水沙管理提供参考依据。