季风驱动的河流水文地貌过程及其变异：以黄河流域为例

The study of the monsoon variability is an important topic in the science of climatic change. The time-space patterns of summer monsoon variations strongly and directly control the hydro-geomorphological processes of the rivers in China. Thus, elucidating the mechanism behind is of great scientific significance. Taking the Yellow River drainage basin as the study area and combining the methodologies and research results of atmospheric physics and Quaternary geology in the field of monsoon studies with the Yellow River hydro-geomorphologic study, this project will aim at: (1) dealing with the influencing mechanism of summer monsoon on runoff generation and fluvial erosion and sediment transport and the influencing mechanism of winter monsoon on sand-dust storms and the coupled wind-water erosion processes; (2) revealing the response of gully evolution and the riverbed changes to the changing summer monsoon and establishing simulating models; (3) based on the reconstructed monsoon variation, reconstructing the changes in riverflow, sediment load and river morphology at time-scales of 100 to 1000 years to obtain the information of the hydro-gemorphologic effect of the climatic change when the human impact was weak in history, thereby providing a baseline for a better understanding of the natural cause of the decreased runoff and sediment yield at present. Through this study, we expect to open a new study field of the monsoon-driven hydro-geomorphologic process and make contribution to the new development in climatic geomorphology; and in the meantime, provide some new knowledge for the decision-making in the Yellow River harnessing and drainage basin management.

季风变化是气候变化研究的重要领域，夏季风气候演化的时空格局对我国河流水文地貌过程的变异有直接的影响，认识这种影响的机理具有重要科学意义。本项目以黄河为例，将大气物理学在现代季风方面的方法成果以及第四纪地质学在古季风方面的方法成果与黄河水文地貌研究相结合，研究夏季风对于径流和水力侵蚀作用的影响机理、冬季风对于风力侵蚀作用的影响机理；阐明夏季风和冬季风驱动的风水两相侵蚀产沙的变化规律、沟谷及河床地貌过程对于夏季风变异的响应机理，建立定量模型；基于季风变化重建百年至千年尺度上河流水文泥沙特征的时间序列和河流地貌的演化序列，获取人类影响较弱的"准自然"条件下气候变化所产生的水文地貌效应的信息，揭示径流和泥沙减少的自然原因，深化对于水沙变化成因的认识。通过这一研究，在国际上开辟季风气候驱动的水文地貌过程研究新领域，为气候地貌学的新发展做出贡献；以水沙变化研究的新成果，为新形势下黄河治理提供决策参考。

项目研究了夏季风环流系统对于黄河等河流的径流和水力侵蚀、泥沙输移的影响机理，基于机理分析引入若干代用指标对于不同时间尺度的径流量、输沙量进行了高分辨率重建；深入研究了与冬季风相关的环流系统对于风力侵蚀和沙尘暴的影响机理，基于机理分析引入若干代用指标对于华北及黄河流域沙尘暴频率的变化进行了重建。在国际上首次利用石笋洞穴氧18同位素重建河流径流量和输沙量，为径流量、输沙量重建提供了一种新的代用指标。重建的过去1800年长系列汉江丹江口水库入库径流量系列，揭示了千年尺度上径流量变化的趋势。与这一系列相比，实测短系列数据对于10年和8年一遇的干旱年径流量的估计可能偏高21.5%和18.8%。这一结果可以为中线南水北调工程的运用提供某种参考。首次利用旱涝等级指数重建河流输沙量，为输沙量重建提供了一种新的代用指标；获得了黄河中游河龙区间1470年以来的输沙量系列，该系列表明，在El Niño事件的当年和次年，输沙量出现负距平的频率高达81.8%， El Niño 事件的发生导致了输沙量的减小。首次利用珊瑚海温记录重建沙尘暴频率的变化，为沙尘暴重建提供了一种新的代用指标。所建立的过去400年华北沙尘暴频率的系列显示出若干快速增大和快速减小的时段；自1850年以来显示出减小趋势，与温室效应导致的全球增温有关。首次对于1800年以来青藏高原对于黄河产生的水塔效应进行了高分辨率重建，发现水塔效应在总体上减弱化的趋势，并且叠加了8个减小和增大交替发生的变化阶段。发现黄河源区径流系数对于全球气温升高的响应表现出复杂行为：先是增大，达到最大值后再减少，最后趋于稳定。项目成果揭示了季风气候变异导致黄河径流和泥沙减少的自然原因，深化了对于水沙变化成因的认识，为黄河流域的洪水、泥沙灾害治理提供了新的知识积累；在流水地貌领域深化了季风气候地貌过程的研究，为气候地貌学的发展做出了贡献。项目已发表论文15篇，以第一标注发表SCI索引刊物论文6篇。