干旱区山区特殊气候变化对出山口径流的影响—以和田河为例

The climate change in mountainous area is the key factor of river hydrology process in the arid region that mainly stems from glacier and snow melt water. However, its change characteristics and influence on hydrology process have not been clearly demonstrated. In recent years, under the background of rapid temperature rising in northwest arid area, most of mountainous areas of Hotan River in the north slope of Kulun Mountain show the cooling trends in temperature. Thus, it is especially important to study the impact of special climate change on hydrology process. Multi-disciplinary theories and integrated research methodologies such as modern statistics, geography, fluvial hydrology and RS will be conducted on building regional climate model (RegCM4) of high resolution that applies to special geography environment in mountainous area and analyzing the special climate change in mountainous areas of Hotan River and the impact of unique mountain-pass runoff change on the basis of region climate change. Meanwhile, this research attempts to explore qualitatively the coupling relationship between climate and runoff change and to reveal the change law of typical river runoff under the impact of special climate change, and further estimate quantitatively the impact of runoff change. This project is of great scientific and practical significance in term of shedding new light on the impacts of climate change on hydrological processes in the arid region and reasonable water resources management strategy.

山区气候是影响冰雪融水补给为主的干旱区河流水文过程的关键因子，但其变化特征及对水文过程的影响机理尚不明确。近年来，在西北干旱区快速升温背景下，和田河源流山区大部分区域地表温度却在降低，故研究该特殊气候变化对水文过程的影响显得尤为必要。本项目以山区气候变化为基础，以出山口径流演变为主线，以气候变化对径流的影响为核心，运用地理学、水文学、气候学和现代统计学等多学科理论基础与方法，建立适合山区复杂地理环境的高分辨率区域气候模式RegCM4，并结合RS技术从多种角度探析和田河山区特殊气候变化特征，解析其对出山口径流变化的影响机制，从定性、定量角度阐明山区气候与径流的耦合关系，揭示特殊气候影响下干旱区典型河流地表径流变化规律，并定量评估不同气候要素对径流变化的贡献率。本研究对科学理解全球气候变化下干旱区特殊气候及水文过程的演化机制，从流域尺度制定科学的水资源管理策略等方面具有重要的理论和现实意义。

山区作为西北干旱区众多河流的发源地，对我国干旱区的水资源安全和生态系统健康具有决定性的作用。同时，山区气候对全球气候变化相应敏感。因此气候变化加剧了干旱区水资源系统的脆弱性和不确定性。因此，本项目基于实测气象水文数据和遥感影像等资料研究了和田河山区气候变化特征，并初步构建了适用于和田河山区的天气预报模式WRF，分析了和田河水文演化过程，建立了适用于和田河的SWAT水文模型，定性分析了和田河出山口径流与源流山区气候要素变化的关系，并定量评估了气候变化和人类活动对径流变化的影响。.结果表明：（1）1960-2009年，和田河年径流呈不显著下降趋势，速率为-0.18×108 m3/10a，尤其是夏季径流（-0.44 ×108 m3/10a），这与干旱区其它河流径流变化趋势明显不同。其中，夏季径流对年径流的贡献为75%。（2）和田河夏季径流与500hPa高空温度关系密切，相关系数为0.78（P < 0.001）。同时，和田河夏季径流与地表温度也呈显著相关性。（3）构建的WRF模式模拟值与实测气象数值的相关系数为0.88，均方根误差为1.47，说明WRF模式适用于和田河气象变化的研究。（4）验证期，SWAT模型模拟值与实测值的变化趋势基本吻合，相对误差为8.71%，R2为0.88。因此，SWAT模型适用于和田河出山口径流过程的模拟研究。（5）研究发现ESMD-BPANN (极点对称模态分解方法-BP神经网络)是目前模拟精度（预测值与真实值的相关性为0.853，P<0.001，AIC值为-12.719）较高的集合预报模型，可为径流模拟和预报提供新的参考。（6）基于统计学方法和分布式水文模型的研究均表明，在不同时间尺度上气候变化对径流变化的贡献率均高于90%，而人类活动的影响相对较小。本研究结果对科学理解全球气候变化下干旱区特殊气候及水文过程的演化机制，从流域尺度制定科学的水资源管理策略等方面具有重要的理论和现实意义。