【摘 要】
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全球气温升高和人类活动的双重影响改变了水文循环过程,加剧了水资源时空分布不均,导致水文极值频发。现有极端降水频率分析以全球气候模型或遥相关分析为基础,预测未来气温升高情景下极端降水的变化,缺乏将物理机制和数据分析相结合的极端降水频率分析模型;传统非一致性枯水和洪水频率分析,假定频率分布线型不变,而通过参数的时变性来表征水文极值频率的变化,缺乏融合物理机制的枯水和洪水频率分析模型。为此,论文通过研究
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全球气温升高和人类活动的双重影响改变了水文循环过程,加剧了水资源时空分布不均,导致水文极值频发。现有极端降水频率分析以全球气候模型或遥相关分析为基础,预测未来气温升高情景下极端降水的变化,缺乏将物理机制和数据分析相结合的极端降水频率分析模型;传统非一致性枯水和洪水频率分析,假定频率分布线型不变,而通过参数的时变性来表征水文极值频率的变化,缺乏融合物理机制的枯水和洪水频率分析模型。为此,论文通过研究降水极值与气温极值、海表面温度极值以及水汽输送通量极值等气象因子极值的时空关联性,提出考虑气温升高的极端降水频率分析;基于枯水形成物理机制,推导了考虑地下水抽水影响的枯水频率分布函数;基于水库调洪演算的基本原理,推导了考虑水库调度影响的洪水频率分布函数,主要内容有:（1）基于数据分析,提出了考虑气温升高的极端降水频率分析方法。通过主成分分析法和小波分析法,选取了与季节性降水极值存在较强时空关联性的气象因子极值,由此采用贝叶斯Lasso线性回归,构建了季节性极端降水回归模型。基于对北半球ERA-20C再回归分析数据的研究发现:四个季节中,季节性气温极值、季节性海表面温度极值以及季节性水汽输送通量极值等气象因子极值与降水极值都存在6年周期波动变化,春季和秋季气象因子极值与降水极值具有16年周期的相互关联;基于贝叶斯Lasso线性回归模型,若使用同一季节的气象因子极值进行降水极值重建,平均相对误差为8%,若使用上一季节的气象因子极值进行预测,平均相对误差为15%;基于降水极值回归模型,当北半球气温升高1℃,71%北半球海表面温度极值平均同步升高9.8%,水汽输送通量极值平均同步增加2.9%时,最终降水极值平均升高2.4%;清江流域重现期为百年一遇的降水极值增加12.5%,无定河流域重现期为百年一遇的最大降水时间间隔增加11.1%。（2）基于基流退水公式,推导了考虑地下水抽水影响的枯水频率分布函数。假定在不考虑地下水抽水影响时,枯水频率服从皮尔逊Ⅲ型分布;基于线性水库和非线性水库模型,分别建立了考虑地下水抽水的基流退水曲线公式;联立降水最大间隔时间分布,导出了考虑地下水抽水影响的枯水频率分布函数。以无定河流域为研究实例,结果表明:当采用线性水库模型描述基流退水过程时,枯水频率仍服从皮尔逊Ⅲ型分布函数,地下水抽水仅改变频率分布的位置参数;当采用非线性水库模型时,地下水抽水改变了枯水频率分布函数形式（即不再服从皮尔逊Ⅲ型分布）,且其位置参数、形状参数、尺度参数均与地下水抽水流量有关。由此,在理论上说明开展人类活动影响下的枯水频率分析时,仅考虑参数变化而不考虑线型变化,不能准确估计枯水频率。（3）基于水库调洪演算基本原理,推导了考虑水库调度影响的洪水频率分布函数。假定水库入库洪水频率服从皮尔逊Ⅲ型分布、洪水过程可由三角形分段线性描述;基于线性水库和非线性水库模型,分别描述水库库容与泄流之间的蓄泄关系;分别采用三角形简化计算方法和数值积分方法进行调洪演算,建立了四种入库洪峰和出库洪峰的分段函数关系式;由此导出了考虑水库调度影响的洪水频率分布函数。以水布垭水库和五强溪水库为研究实例,结果表明:四种入库洪峰和出库洪峰分段函数关系式,相对误差均可控制在10%以内,其中基于非线性水库模型的三角形简化计算方法,在可导出理论解析解的前提下,模拟精度较高;基于线性水库模型时,考虑水库调度影响的洪水仍服从皮尔逊Ⅲ型分布函数,仅改变频率分布的所有参数;基于非线性水库模型时,水库调度导致洪水频率曲线线型发生改变,同时洪水序列的变异系数随着水库防洪库容的增加先增加后减小。
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