气候变化下流域径流过程复杂性的测度与辨识

Identification of the complex characteristics of basin runoff processes under the changing climatic systems is an important topic, as it is the basis for understanding the future water regimes and guiding various practical water activities in a basin. In order to accurately identify the complex characteristics of basin runoff processes, two typical basins (namely Heihe and Haihe River Basins) in China with different climatic conditions are selected, and the complexity theories are employed to study three main issues: analysis and quantification of the complexity of hydrological processes, complexity theory-based identification and comparison of basin runoff processes' characteristics, and complexity theory-based identification of responses of basin runoff processes' variations to climate change impacts. By employing the complexity theories, an indicator classified system for quantifying the basin runoff processes' complexity is firstly established from four aspects: statistical measure, nonlinear measure, multi-scale measure, and chaos measure respectively, mainly for developing the new ideas and new approaches for studying the basin runoff processes' characteristics. Then, by combining the mathematical analyses with hydrological genetic analyses, the runoff's characteristics in two selected basins under different climatic conditions are identified, the sensitivities of basin runoff's variations to different climatic factors are analyzed, and the temporal and spatial differences of climate change impacts on basin runoff's characteristics are understood, based on which the complexity theory-based approaches to study the responses of basin runoff processes to climate change are developed finally, mainly for providing helpfully scientific basis for hydrological simulation and forecasting, water resources managements, as well as many other practical water activities by taking the climate change impacts into consideration.

揭示气候变化下流域径流过程的复杂变化特性，是正确认识流域水文情势演变规律以及解决气候变化下水文水资源问题的重要基础。为了准确地揭示流域径流过程的复杂特性，基于复杂性理论，选择不同气候分区的黑河和海河流域为典型研究区，开展水文过程复杂性的分析与测度、基于复杂性测度的流域径流变化特性识别与对比、基于复杂性测度的流域径流过程对气候变化响应的辨识等内容的研究。通过应用复杂性理论，从统计测度、非线性测度、多时间尺度测度、混沌测度等不同角度构建水文过程复杂性测度的指标分类体系，丰富和发展流域径流过程复杂特性研究的新思路和方法。利用统计分析和物理成因分析相结合，通过揭示不同气候变化条件对各流域径流过程复杂性程度的影响，并进行敏感性分析，深入认识气候变化对流域径流过程影响的时空差异性，发展基于复杂性理论的气候变化水文响应辨识研究的技术途径，为气候变化下流域水文预报和水资源管理等工作提供科学依据。

如何准确揭示和正确认识气候变化背景下流域径流过程的变化特性和演变规律，是科学评估气候变化影响以及解决实际水文水资源问题的重要基础。将复杂性理论引入水文学领域，可以为揭示和定量描述水文过程的复杂特性和演变规律提供一个崭新的研究思路和方法论。目前相关研究中采用的定量指标和技术方法仍存在许多难题，包括指标性能存在差异、技术方法存在缺陷、定量表征结果存在不确定性等，导致水文分析结果的精度和可靠性较低。本项目在借鉴国内外已有研究成果和先进经验的基础上，重点围绕气候变化下流域径流过程复杂性的测度与辨识这一科学问题开展了深入研究。详细收集了不同气候分区的若干典型研究区（主要包括海河流域、黑河流域、两江源地区、长三角地区等）的水文气象资料和下垫面资料。围绕水文过程复杂性分析理论方法研究，综述了水文时间序列分析方法的研究进展，从不同角度梳理了定量表征水文过程复杂性程度的指标，通过联合和集成信息熵等多方法构建了新指标，创新了水文过程复杂性定量表征、辨识与不确定性估计理论方法。围绕气候变化影响下典型研究区水循环复杂演变规律，利用复杂性理论和水文过程复杂性测度方法，发展了气候变化水文响应辨识及敏感性分析技术方法，基于此揭示了各研究区主要水文气象要素的复杂时空变化特性（包括突变、趋势、周期等），量化了各要素演变的复杂性程度，并对比了不同区域水循环特性对气候变化敏感性的差异，以及不同水文气象要素对气候变化响应的差异性，得到了气候变化对流域径流过程影响时空差异性的若干新认识，发展了基于复杂性理论的气候变化水文响应研究的新技术途径。在本项目资助下共协助培养博士后1名和研究生4名。围绕上述研究内容和结果共发表学术论文21篇，其中发表第一作者SCI论文13篇；获得已授权的国家技术发明专利1项，申请国家技术发明专利1项；提出的基于复杂性理论进行数据信息挖掘的临界雨量推求方法，作为四个主要科技创新成果之一，获得2014年度西藏自治区科技进步二等奖。相关研究成果可以为正确认识气候变化事实和趋势、揭示气候变化水文响应，以及解决实际水文水资源问题提供重要的理论方法和技术支撑。