文摘

揭示水文极端的革命规律在未来的50年内,分析气候变化对水文极端的影响,接下来的主要工作是进行:第一,长时间(15 d, 30 d, 60 d)极端降水根据动态观测时间序列和预测时间序列气候模型产品(bcc - csm - 1.1)推导,分别为基础的定量评估气候变化对降水的影响是极端;其次,SWAT模型被用来推断设计洪水的输入设计降雨在接下来的50年。在此基础上,定量评估气候变化对长时间的影响进行了极端洪水卷。这表明,(1)长时间降水极端的价值对于给定概率(1%,2%,5%,和10%)Tangnaihai盆地将轻微的增加率从1%上升到6%在接下来的50年,(2)长时间给定概率的极端洪水卷Tangnaihai盆地将轻微的增加率从1%上升到6%在接下来的50年。结论可能为盆地提供技术支持水平规划防洪和水力发电。

1。介绍

气候变化已经影响到自然和人类社会的许多领域近年来一直是最具吸引力的研究领域之一。背景,估计和模拟的水文气候变化的影响已经成为一个研究课题。许多水文学家(1- - - - - -4],他所做的水文响应研究气候变化和人类活动,相信人为的全球气候变化和人类活动水文循环产生重大的影响,导致了水资源的时空分布的变化在全球和当地的尺度。毫无疑问是水循环的变化会严重影响生态、社会和经济情况5,6),给我们带来严峻的挑战。应对气候变化的挑战,最重要的任务之一就是揭示受气候变化影响的水文循环机制和预测的影响相应的字段。许多水文学家一直在努力;例如,一些研究已经确定了强劲的趋势在一些特定区域(7,8]。然而,仍然有很多问题不清楚,应该继续研究。随着社会的发展,需求的科学性盆地水平和国家防洪规划,水电生产、农业灌溉和生态系统保护还在不断增加;因此,预测未来气候和评估其可能对水资源的影响是至关重要的。许多研究在气候变化对水文情势的影响9- - - - - -11)进行。在这些研究中,全球气候模型和水文模型通常被用于模拟流域水文情势的变化。

最前面的气候变化影响评估研究黄河流域的水文过程关注水文要素的趋势(12]。然而,评估研究革命水文极端应对气候变化的法律黄河流域几乎是一片空白。揭示水文极端的革命规律和评估气候变化对水文的影响在两个极端上黄河流域,包括(1)评价的目标影响的气候变化对极端降水的长期(15 d, 30 d, 60 d)对于给定概率(1%,2%,5%,10%);(2)评估气候变化对洪水的影响体积的极端长时间(15 d, 30 d, 60 d)对于给定概率(1%,2%,5%,10%),通过水文频率分析,推导出设计降雨测量阶段和未来运行分布式水文模型的输入条件(SWAT)设计降雨演绎洪水卷极端不同的持续时间。本文侧重于揭示气候变化的影响的水文极端Tangnaihai盆地,位于黄河的上游;主要内容如下:方法应用于研究气候变化对水文极端的影响,包括水文频率分析方法,偏差纠正的方法,和水文模型,介绍了部分2。研究区和可用的数据然后介绍了部分3。气候变化对水文极端的结果的影响提出了部分4。最后结论说5。

2。方法

2.1。频率分析降水极端

揭示水文极端的统计规律,水文时间序列分析和建模是一种有效的方法。显然,水文频率分析是最受欢迎的方法之一是基于时间序列分析水文极端的律法(13,14]。水文频率分析的关键是确定的概率分布极端。正如我们所知,有很多功能,包括极端值分布(耿贝尔分布)、广义极值分布(GEV)、对数正态分布分布(L-N),皮尔森III型分布(P-III)和对数皮埃尔•约翰逊三世分布的概率分布可以作为水文极端。

在中国,梁(15]表明,P-III分布适用于对水文极端的统计规律的描述,如年度最大降雨量、年最大洪峰流量和年最大洪水卷不同的持续时间,基于应用程序的经验。因此,皮尔森类型III (P-III)曲线已被用于中国的水文频率分析。

P-III曲线被称为与三个参数分布数学(伽马分布)。其概率密度函数表示如下: 在哪里,,表示位置、规模、分布和形状参数,分别。这些参数的关系和三个时刻(,,)可以表示如下: 在哪里表示极端水文时间序列的均值;是极端水文时间序列的方差;和是极端水文时间序列的变系数。

水文频率分析和计算确定随机变量对应于指定的频率,可以获得的先验概率分布函数定义:

为了简化集成解决方案(3),皮尔森的变量类型III分布可以通过标准转换的变量: 在哪里被称为平均偏差系数。然后操作的积分是 在被积函数只包含一个未知参数或()。根据水文惯例的关系,,提前是列表,即价值水文表。相应的可以通过反变换(4),表示如下:

2.2。极端洪水频率分析的体积不同的持续时间

方法推导出极端洪水卷不同持续时间可分为两种类型根据数据情况(16]:一种是所谓的直接法,观察放电时间序列的长度相对较长。根据观察到的最大放电时间系列,极端洪水卷不同的持续时间可以推导出有一定概率水文频率分析部分所示2。1;另一个是所谓的间接法,观察放电时间序列的长度相对较短或没有观察到的流量数据。根据观察到的降水数据,不同时间的极端降水有一定概率可以推导出水文频率分析首先,根据相应的洪水卷极端不同的持续时间概率可以通过降雨径流模型假设推导出降雨与给定频率可能产生相同频率的洪水。

有许多为降雨径流水文模型模拟;摘要SWAT模型是著名的分布式水文模型和在世界各地广泛应用采用演绎洪水卷。

2.3。水文模型:斯瓦特

定量评估气候变化对极端洪水的影响,模拟洪水水文模型是必要的。降雨径流模型有很多,如鑫'anjiang模型TOPMODEL, VIC模型。摘要SWAT模型被选中,因为它强大的水文过程模拟功能。被称为著名的分布式水文模型SWAT模型是一个连续时间,semidistributed、基于流程的流域或流域尺度模型。SWAT模型是预测开发的土地管理实践的影响水、沉积物、收益率和化学在农业流域不同土壤、土地利用和管理条件长时间(17,18]。与其他水文模型相比,斯瓦特地区有两个突出的特点。一个是水文响应单元(HRU)的使用,这是划分根据土地利用,土壤分布,和边坡类型,为计算单位(19]。斯瓦特分水岭分为次盆地。每一次盆地进一步通过河道相连,每一次盆地分为HRUs。斯瓦特模拟水文、泥沙在HRU级别。水和沉积物从每个HRU总结每一次盆地,然后通过流网络路由到流域出口(18,20.]。另一个是地表径流的模拟使用修改后的SCS曲线推导出基于土地利用数量和土壤类型的分水岭21]。

2.4。气候模型的偏差纠正

气候模型的系统误差可能导致不切实际的水文模拟的河流量(22,23];因此,偏差纠正方法必须正确气候产品之前,应用程序实现和分析。调节气候模型产品,线性扩展,当地强度定标,功率变换,方差比例,分配传输,delta-change方法是常用的偏差校正方法(24]。偏差校正方法是基于假设的修正算法同样适用于当前和未来的气候条件。在这项研究中,线性扩展法纠正每月每日降水和降水的气候模型。

基于降水模拟的气候模型和相应的测量降水,每个月计算的修正系数。气候模型预测的降水被修改的基础上修正系数比例每月的降水数据预测的模型。可以计算修正系数 在哪里的修正系数个月,每月的平均降水测量吗th月的参考时间,是月降水模拟的气候模型意味着什么月的参考时间。

3所示。研究区和基础数据

3.1。研究区域

Tangnaihai盆地水系面积122000公里²位于中国西部的黄河上游,占15%的黄河流域。年平均径流总量Tangnaihai截面是205.2×10⁸米³,占40%的年平均径流的黄河流域。这是一个semihumid地区有良好的植被和人类活动较少。在这项研究中,9个气象站和七个水文站点。图1表明研究区域和测量站的位置分布。

3.2。基本数据

五种类型的数据,包括水文气象学数据、DEM、土地利用、土壤分布和气候模型数据,参与这项研究。数据的细节如下。

3.2.1之上。水文气象数据

水文气象学数据研究中使用元素的信息影响水文循环,如降雨、蒸发、径流,和温度。基本数据主要来自两个来源:一个是上面提到的9个气象站提供降水、温度、风速、太阳辐射、相对湿度等气象数据;另一个是7水文站点,如图2提供降水、排放和蒸发。数据系列的长度从1960年到2012年是53年。

3.2.2。民主党

民主党是生成数字流域系统的基础Tangnaihai盆地;摘要SRTM DEM(航天飞机雷达地形测绘任务)拥有90×90分辨率,由NASA和尼玛,是利用。

3.2.3。土地利用和土壤分布

土地利用和土壤分布用于整个盆地划分为不同HRUs径流产生的基础计算SWAT模型和水文模型结构中起着重要的作用。,中国科学院WESTDC_Land_Cover_V.1.0调查的数据集的规模1:100000和土壤分布土壤科学研究所提供的数据从第二次全国土地调查选择构建SWAT模型。

3.2.4。气候模型产品

不同气候下有很多动力气候模型产品发布的IPCC AR5场景和假设。这是不必要的,不现实的分析每一气候模型产品在本研究;一个特定的气候模型产品应该关注。本文几个气候模型产品适合中国地区首先定位选择。基础上,降水的气候模型预测产品的精度进行了分析,和气候模型产品叫做bcc - csm - 1.1良好的预测效果,选为基本数据进行水文极值的进化规律的黄河流域上游地区。bcc - csm - 1.1是由北京中国气象局气候中心空间分辨率1.125°×1.125°。

3.3。水文选择的时间

持续时间越长(15 d, 30 d, 60 d),而不是短时间(1 d、3 d、5 d或7 d),水文极端关注的是在报纸上。有两个原因。首先,洪水卷长时间起着控制作用在防洪影响较大的盆地。Tangnaihai盆地是一个大型盆地水系面积122000公里²及其流域汇流时间> 15 d。从这个视图中,研究洪水的极端Tangnaihai盆地长时间可能会更有意义;第二,有许多水库建造或计划建成,和洪水卷短时间将大大影响水库调节,而长时间将保持自然。因此,洪水量的时间序列较短的持续时间(1 d、3 d、5 d或7 d)不一致和不适合频率分析的理论是建立在时间序列的一致性。总之,评价气候变化对水文的影响,极端的长时间(15 d, 30 d, 60 d)将会更有意义和应用。

4所示。结果与讨论

揭示了革命Tangnaihai盆地水文极端定律,从1960年到2010年观察到的水文时间序列和降水时间序列预测从2011年到2060年。在本文中,从1960年到2010年被定义为测量阶段,而从2011年到2060年被指示为未来50年。

4.1。偏差纠正的bcc - csm - 1.1

修正系统误差的模拟降水的bcc - csm - 1.1 Tangnaihai盆地,建立了修正模型与线性回归关系观察和模拟降水周期同步。纸,降水时间序列从1960年到2006年不等。图2显示了校正的结果。

根据修正结果,发现有大几个月的校正误差低水位季节黑色圆圈的位置显示在图2,其余的校正精度高的结果。由于本文重点研究降水极端,低水位月的错误将收效甚微。因此,修正模型建立了可用于正确的模拟降水bcc - csm - 1.1 Tangnaihai盆地。

4.2。气候变化对极端降雨的影响

4.2.1。准备极端降水不同持续时间的分析基于观测数据

极端降水的统计规律在测量阶段应该显示第一个揭露极端气候对降雨的影响。摘要的一系列极端最大值的年降雨量在不同的时间,等15天,30天、60天,由观测数据计算,利用投资极端降水的统计规律。如前所述,P-III分布在中国适合极端水文频率分析。因此,不同的设计降雨持续时间(15 d, 30 d, 60 d)可以推导出的概率。图3显示了不同时间的降雨频率曲线拟合观测数据。P-III分布的参数估计结果列在表中1在给定的概率是列在表的设计值2。

4.2.2。分析不同持续时间的极端降雨bcc - csm - 1.1

极端降雨时间序列在不同的时间(15 d, 30 d, 60 d)在未来的50年内从2011年到2060年,可以提炼出据bcc - csm - 1.1的校正结果。类似于测量频率分析阶段,P-III分布的参数估计和设计未来50年的不同持续时间值。相应的频率曲线如图4,参数估计结果列在表中3虽然设计给定概率表中列出的几个值4。

4.2.3。讨论气候变化对极端降雨的影响

(1)评估气候变化对设计值的影响。之间做个比较极端降雨Tangnaihai盆地在测量阶段,在未来50年里,这两个频率曲线绘制在同一图(数字5- - - - - -7)。

如数据所示5- - - - - -7年度最大降雨,频率曲线在不同的时间(15 d, 30 d, 60 d)在接下来的50年完全高于测量阶段。它表明年度最大降雨量不同持续时间会增加,一定程度上由于气候变化。

定量评估气候变化对极端降雨的影响,设计年度最大的值在不同的时间测量阶段,未来50年计算,列出在表和相应的结果5。如表5所示,设计的改变率15 d, 30 d,和60 d年度最大降雨,对于给定的概率(1%,2%,5%,10%),2% - -3%,1% - -3%,分别为-6%和5%。它表明气候变化已经对所有的极端降雨持续时间的影响(15 d, 30 d, 60 d)的Tangnaihai盆地和改变利率从1%变化到6%,但学习方面的极端降雨持续时间的影响程度是轻微的。

(2)评估气候变化对极端事件的影响的概率。极端事件是什么?没有统一的定义。根据政府间气候变化专门委员会第四次评估报告的25),气候事件发生概率< 10%定义为极端事件。灵感来自政府间气候变化专门委员会,水文事件发生概率小于10%定义为极端事件。定量评估气候变化对极端事件的影响,极端事件的数量超过给定的概率(5%,10%,和20%)可获得根据水文频率分析的结果和发现或预测降雨的持续时间(表6)。

结果表6显示如下:(1)15天降雨,4极端事件超过给定的概率为5%,未来50年,占80%的极端事件超过5%在整个时期(测量阶段,第二年,1960 - 2060),而8极端事件超过给定的概率10%在接下来的50年,占63%的极端事件超过20%在整个时期。(2)30天的降雨,2极端事件超过给定未来50年的概率为5%,占67%的极端事件在整个期间,超过5%,而11极端事件超过给定的概率10%在接下来的50年,占50%的极端事件超过10%在整个时期。(3)5极端事件超过60天的降雨,鉴于未来50年的概率为5%,占100%的极端事件在整个期间,超过5%,而13极端事件超过给定的概率10%在接下来的50年,占58%的极端事件超过10%在整个时期。一般来说,极端事件的数量超过给定的概率在未来50年以上,在测量阶段。换句话说,极端事件的概率会增加不同程度在未来50年。

在此基础上,一些极端事件的概率密度函数可以得到的泊松分布模式。数据8和9概率密度函数的图的极端事件的数量测量阶段和未来50年。它表明极端事件的数量超过了较小的概率将增加,而超过大概率将减少。换句话说,极端事件将更频繁的在未来50年。

4.3。气候变化对洪水的影响体积极端不同的持续时间

4.3.1。模型校准和验证

(1)模型建设。Tangnaihai盆地分为27次盆地根据DEM数据;在此基础上,105年盆地分为HRUs进一步根据土地利用和土壤分布。的次盆地Tangnaihai图所示10。

(2)模型校准和验证。摘要1995 - 2004年期间观察到的流水量用于校准,和那些从2005年到2007年被用于SWAT模型的验证。根据上面提到的这些径流过程的模拟结果,Nash-Sutcliffe系数(NS)和确定性系数(),表示可以获得模型的准确性。NS和分别是0.76和0.80,校准周期在0.75和0.80,分别在验证阶段。它表明,SWAT模型建立良好的精度,可以采用模拟降雨径流的研究领域。以几个径流过程为例,数据11和12显示仿真结果。

4.3.2。设计在不同降雨持续时间推断未来50年了

长时间降水极端某些给定的概率(1%,2%,5%,和10%)Tangnaihai盆地节中推导出了未来50年4.2。2。然而,结果还不足以满足要求推导长期极端洪水卷到斯瓦特,还需要设计降雨过程。因此,应首先推导出设计降雨过程。

推断的基本思路和程序设计降雨过程在不同给定概率如下:(1)选择一个典型的风暴过程与特定的原则;(2)放大它根据设计降雨价值和保持的最大降雨持续时间和放大典型的风暴过程的概率等于相应的设计降雨持续时间和概率。摘要风暴发生的过程从28/5/1989 26/7/1989被选为典型的风暴。根据放大方法,设计降雨过程不同的返回时间(100、50、20、10)。以100年重现期为例,图13显示了降雨过程。

同样,设计降雨过程不同的返回时间(100、50、20、10)测量阶段。以100年重现期为例,图14显示了降雨过程。

4.3.3。设计洪水卷在不同时间推断未来50年了

根据给定的概率设计降雨过程,推导了相应的概率的洪水水文学,分别通过运行SWAT。在此基础上,不同概率的长期洪水卷未来50年。表中列出的结果7。

4.3.4。讨论气候变化对极端洪水量的影响

以设计降雨过程在不同的斯瓦特概率作为输入条件,可以获得相应的概率的设计洪水过程通过运行模型。摘要设计洪水过程不同重现期的包括100、50、20、10模拟。数据15- - - - - -18的成因,设计四个返回时间(100、50、20、10 a)测量阶段,未来50年,分别。

数据显示15- - - - - -18很明显,设计洪水水位图比这更高的未来50年的测量阶段。它表明,极端洪水卷显示越来越趋势Tangnaihai盆地。仔细调查上升趋势,定量评估,改变利率的洪水卷四种不同持续时间的概率(1%,2%,5%,和10%)计算列在表中8。

根据表8,增加15天的洪水卷不同重现期从1%变化到3%;利率的增加30天的洪水卷不同重现期从1%变化到3%;和利率的增加60天的洪水卷不同重现期从3%到6%不等。它表明,长期利率的增加洪水Tangnaihai盆地体积小于10%。换句话说,长时间的洪水卷极端Tangnaihai盆地未来50年略有增加。

5。结论

研究气候变化对水文的影响极端Tangnaihai盆地位于黄河上游,bcc - csm - 1.1发布的IPCC 5被用来预测降雨在未来50年(2011 - 2060)。在此基础上,根据观察到的水文数据系列中,长时间的进化规律Tangnaihai盆地水文极端。主要结论可以实现如下。(1)它表明,长时间的值(15 d, 30 d,和60 d)极端降水Tangnaihai盆地将增加略有增加率在未来50年。根据分析结果的极端降水在不同的时间,15天设计降雨给定概率(1%,2%,5%,和10%)将增加2% - -3%;同样,30天设计降雨将增加1% - -3%和60天设计降雨将增加5% - -6%,分别。很明显,极端降雨的增加率给定概率小于10%;换句话说,极端降雨Tangnaihai盆地轻微程度将增加。(2)它表明极端事件的数量超过小概率会增加未来50年了。根据分析的极端事件数量超过给定的概率,很明显,长时间降雨超过给定的极端事件概率(5%,10%,和20%)会更频繁。(3)它表明,长时间的值(15 d, 30 d,和60 d)极端洪水卷Tangnaihai盆地将增加略有增加率在未来50年。在假设给定频率的降雨可能产生相同频率的洪水,SWAT模型被用来推断设计洪水的导入设计降雨在接下来的50年,和极端洪水卷。根据分析结果,极端洪水卷在不同的时间,15天给定概率的设计洪水卷(1%,2%,5%,和10%)增加1% - -3%基于bcc - csm - 1.1;同样,30天的设计洪水体积增加了1% -3%,60天的设计洪水体积增加3% - -6%,分别。它明显,极端洪水体积的增加率在一定的概率小于10%,换句话说,极端洪水卷Tangnaihai盆地轻微程度将增加。一般来说,长期水文极端Tangnaihai盆地黄河流域将增加在很小的程度上在未来50年。结论是解决bcc - csm - 1.1的基础上。然而,如果产品采用几个更适合气候变化模型,得出的结论在研究区域气候变化的影响将会更可靠。改善研究中,我们将尝试更多GCM输出和继续深入研究同一主题在未来。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

作者的贡献

Zhongmin设计的研究都是小君Wang Liang王栋,田刘、杨京。王具体地说,小君和梁Zhongmin进行研究和分析数据,王栋降水模拟的气候模型处理,刘添了SWAT模型和计算设计洪水,和杨京帮助水文频率分析,帮助完善图表和波兰。

确认

本研究公益性行业专项资金支持的项目中国水利部(201301066和201301066号),中国国家自然科学基金(号。51109054,51179046,51479061),国家科技支撑计划(没有。2013 bab06b01),优秀的博士培训项目(没有。2015 b05514)。