气候变化和LUCC对黑土区典型流域干旱影响的定量评价

来源 :哈尔滨师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:gu999
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东北黑土区是受全球气候变暖影响最显著的地区之一,也是受人类活动干扰最剧烈的地区之一。近年来东北黑土区干旱发生频率明显增加,造成的损失越来越大,对环境的影响也日益严重,急需开展深入研究以认识气候变化和LUCC对干旱的影响。本文选择黑土区典型流域中的乌裕尔河中上游流域为研究区,基于地形、植被、土壤、气象、水文等观测与调查资料,采用分布式水文模型SWIM和干旱指标相结合方法,构建研究区月尺度干旱模拟模型,定量分离并评价气候变化和LUCC对干旱的相对作用与贡献。主要研究结论如下:1.SWIM模型在乌裕尔河中上游流域具有较好的适用性以乌裕尔河中上游为研究区,利用流域出水口依安水文站1961-1997年实测日径流数据和部分气象站小型蒸发皿数据,对SWIM模型进行了多站点、多变量的率定和验证,评价结果表明SWIM模型具有较好的适用性:(1)率定期和验证期,月径流和日径流的纳希效率系数分别大于0.71和0.55,径流相对误差在6.0%以内,月径流模拟效果好于对日径流模拟效果;月潜在蒸散发纳希效率系数达0.81以上。(2)在月尺度上经过校准的SWIM模型可以应用于东北黑土区与径流相关的各种模拟分析。(3)模型在模拟融雪和冻土产流方面存在一定的限制;对同时具有春汛和夏汛的年份模拟效果也较差;对年降水量出现骤增的年份年径流量的模拟结果会几倍于实测值,但基本能够重现汛期的流量变化过程。2.基于SWIM模型构建了研究区月尺度干旱评价模式从水循环关键要素角度出发,基于SWIM模型,选取SPEI、PDSI和PHDI三种干旱指标,分别构建了研究区气象干旱、农业干旱和水文干旱月尺度评价模式。并从时空两方面对三类干旱月尺度评价模式进行了验证,结果表明:构建的月尺度干旱评价模式的干旱识别评价结果均与历史旱情记载信息和气象干旱图集结果基本一致。不仅表明研究提出的关键阈值以及构建的干旱评价模式具有合理性,而且能够揭示研究区三类干旱的时空演变特征。3.修正了研究区帕尔默旱度模式中气候特征系数K值气候特征系数K值是评价帕尔默旱度模式PDSI指数的关键参数。针对松嫩平原西部已建立的修正帕尔默旱度模式应用的局限性,即在相对面积较小的区域应用精度偏低。考虑乌裕尔河中上游流域的面积偏小的现状,为更准确地反映研究区的实际情况,依据研究区长时间序列的数据对气候特征值K的计算公式做了进一步修正,应用结果表明修正K值后的PDSI指数在研究区的空间可比性更好。4.揭示了气象干旱、农业干旱、水文干旱的时空演变特征从时空角度对研究区气象干旱、农业干旱、水文干旱演变特征进行了分析,结果表明:三类干旱年均干旱月数均较长,发生干旱的年份多于正常年份;三类干旱发生中旱等级以上的月数均呈增加趋势,90年代以后尤为明显;气象干旱率年际变率不大,农业干旱和水文干旱年际变率明显,年代际上,各类干旱率均为80年代最低,90年代后呈增加趋势,四季中春季平均干旱率最高。空间上,各等级干旱高发区大体上分布在研究区东北部或中部区域。气象干旱,研究时段内年均干旱月数为5.7个月;随时间的变化干旱等级总体呈现加重的态势。平均干旱率为32.44%,随时间呈上升的趋势;四季中,春季干旱最为明显。空间上,中等以上干旱分布频率以克山县东部及克东县西南最高,北安市和五大连池市最低;干旱强度高值区出现在在克山县和克东县之间区域。农业干旱,研究时段内年均干旱月数为7.18个月,相比气象干旱,不同年代干旱等级总体偏重。平均干旱率为47.84%,90年代以后呈明显增大的趋势。四季中,春季干旱最为明显。空间上,干旱高发区出现在研究区的东北部,各等级干旱强度的高值区出现在研究区的边缘,低值区沿主河道附近分布。水文干旱,研究时段内年均干旱月数为7.6个月,前期以20世纪60-70年代干旱等级偏重,到21世纪以后,特别干旱的月份明显增多。平均干旱率为29.3%,以70年代最大,90年代以后呈现出明显增大的趋势;四季中,秋季和冬季干旱最为明显。空间上,研究区各等级干旱呈现西南部低、东北部高的格局;轻旱干旱强度高值区出现在西北部,呈C形分布,其他等级干旱强度高值区呈条形分布,仍分布在西北部。5.构建了干旱历时和干旱强度的二维Copula函数联合分布模型基于Copula函数联合概率分布法,分别构建研究区气象干旱、农业干旱、水文干旱的干旱历时和干旱强度的二维Copula函数模型,并进行了拟合优度评价,得出:研究区气象、农业和水文干旱特征变量中干旱历时和干旱强度的最优联合分布均为Clayton-Copula。干旱历时和干旱强度联合重现期、同现重现期均有如下特征:重现期均介于二者联合重现期Ta与同现重现期T0之间,表明干旱历时和干旱强度联合分布的两种组合重现期可视为边缘分布重现期的两个极端,且干旱历时和干旱强度在增加幅度相同的条件下,二者相应的同现重现期T0增幅比其联合重现期Ta增幅要大。6.厘定了气候变化和LUCC对研究区干旱的影响气候变化和LUCC对气象干旱作用方向均为正向,加剧了干旱。对干旱历时影响的贡献份额为85.93%和14.07%;对干旱强度影响的贡献份额为73.36%和26.64%;对干旱率影响的贡献份额为64.44%和35.56%。气候变化和LUCC对农业干旱作用方向均为正向,加剧了干旱。对干旱历时影响贡献份额为15.31%和84.69%。对干旱强度影响贡献份额为30.33%和69.67%。对干旱率影响贡献份额为61.69%和38.31%。气候变化和LUCC对水文干旱作用方向均为正向,加剧了干旱。对干旱历时的影响贡献份额为7.6%和92.4%。对干旱强度的影响贡献份额为24.36%和75.64%,对干旱率的影响份额为60%和40%。气候变化和LUCC对各类干旱影响的模拟结果表明,与气候变化相比,以LUCC为主的人类活动对农业干旱和水文干旱的历时和强度贡献相对较大,是农业干旱和水文干旱的重要影响因素;在人类活动干扰强烈的研究区,气象、农业、水文干旱三者间的关系较自然条件下的情况变得更为复杂,需要根据干旱的不同发展阶段,选择适宜的干旱评价指标进行模拟和应用。
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