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近年来,自然变化和人类活动带来气候变化,导致洪水和干旱加剧,直接影响到社会经济发展,威胁粮食安全和生态安全。塔里木河流域是我国最大的内陆河流域,由于受自然环境(如气候变化等)和人类活动的双重影响,流域水资源问题突出,生态环境恶化问题严重。研究未来气候变化条件下的塔里木河流域水文系统演变机理,不仅对于变化环境下流域水环境演变的地学基础理论研究有重要价值,而且对于中国西部广大内陆河流域和地区的经济可持续发展和社会进步具有重要的战略意义。
本论文利用最新的气候变化研究结果,基于多种温室气体排放情景和多个气候模式生成未来多种气候变化情景,预估未来气候变化对塔里木河流域源区主要水文要素的影响。全文共九章,第一章为绪论;第二章分析了流域水文气象要素的时空变化特征,为研究未来气候变化影响提供必要的基础:第三章在流域三源流区应用分布式水文模型VIC;第四和五章基于优选的气候模式和统计降尺度模型构建流域未来气候变化情景;然后,基于流域未来气候变化情景和VIC模型,研究未来气候变化对源流区主要水文要素(降水、气温、径流和蒸散发)的影响,其中,第六章分析了源流区未来气温和降水的变化趋势,第七章分析了源流区径流和蒸散发量对气候变化的响应,第八章分析了未来气候变化对源流区干旱的影响;最后,第九章为全文的结论与展望部分。通过本研究得到以下主要结论:
1、1960-2007年间,塔里木河流域平均气温和降水均表现出增加的趋势,其中,增温趋势较为显著。源区流域的山区流量呈增加趋势,源区出口控制站却呈减少的变化趋势,说明源区中下游受人类活动影响较大;流域源区1、2、3、5及12月份的流量都呈显著的增加趋势,但相应月份降水的增加趋势却不明显,说明由于气温升高引起的冰雪融化对源区径流量具有重要的影响;增温对源区不同地区影响也不同,山区由于冰雪融化径流增加,而平原区则因蒸发增加造成径流量减少。
2、三源流区内VIC-3L模型的应用效果基本满意。对于参数敏感性分析来讲,产流总量随不同参数值的变化呈较为复杂的变化趋势,但亦具有较强的规律性;不同分辨率下,模型在较低分辨率下模拟的径流总量和洪峰流量明显偏高,这可能与不同分辨率下数字化流域面积及汇流时间的差异有关,但整体上看,两种分辨率下模型应用效果都基本满意。
3、提出了一种简单有效的评分方法,从概率分布函数等多个角度综合评估GCMs在塔里木河流域的适用性,在进行区域气候变化影响评估时,此方法可以较容易地推广应用到不同流域。在模拟降水、气温和气压方而,GCMs在塔里木河流域的表现与在全球尺度上的表现一致,都表现为气温的模拟效果最好,气压稍次,降水效果相对较差。表现较好的一组GCMs模拟气候变量的幅度要远小于所有GCMs模拟的结果,这说明选取模拟效果较好的GCMs可以降低不同模式间的不确定性;概率密度函数对GCMs评估结果最为敏感。NHMM在降水的降尺度应用中效果优于SDSM;概率密度分布函数可以较为全面地反映变量的总体特点,本文推荐它作为模型评价的准则。
4、源流区未来最高和最低气温在9种组合情景下呈较为明显的增温趋势,其中A2情景下增温幅度最大,A1B情景次之,B1情景下增温相对较小,这与温室气体排放情景下气温的变化情况一致;未来不同时期间,2081-2100时期内最高和最低气温的增幅都明显高于2046-2065时期;气温极值的变幅与均值差别并不明显,这与以往研究中气温极值的变幅明显高于均值的结果不同。源流区未来降水量整体上呈下降趋势,但下降幅度并不大,所有站点未来降水量在各种组合情景下下降幅度都小于10％,其中大多数站点都小于5%;与源流区未来气温变化特点不同的是,降水量极值的变化幅度明显大于均值。
5、未来气候变化影响下,源流区径流量更易于趋向减少趋势,而蒸散发量则大致呈增加趋势。源流区4月份降水量和径流量都较基准期(1981-2000时期)有明显的增加,这有益于该地区的春季灌溉。径流量空间变化趋势在特定气候模式对应情景下的一致性要高于特定排放情景,说明不同气候模式输出对径流空间变化差异的影响要大于排放情景,这与以往研究中气候变化影响评估中不同气候模式输出间的不确定性占主导地位的结果一致。未来源流区降水量和径流量年内变化趋势并不一致,这可能与增温引起的冰雪融水增加有关,而空间变化也不一致,这可能与研究区内蒸散发量的空间变化特点有关,而未来降水量时间序列特点的变化也可能是原因之一,如降水更加集中等,具体原因则仍需进一步研究。
6、未来气候变化影响下,GFDL21模式下源流区偏早年数及程度都呈增加趋势,而CSIRO30模式下源流区偏旱和中旱年数及程度都呈减少趋势。未来大旱年在雨季和干季各月份都呈不同的变化特点,即大旱年数干季多,雨季少,而大早年相应降水距平干季变化幅度小,雨季大,说明源流区未来干季大旱程度变化幅度要明显低于雨季。从整体上看,阿拉尔站枯季流量在未来不同组合情景下更明显趋向于增加趋势,特别是CSIRIO30对应的所有组合情景下阿拉尔站枯季流量各个概率值在未来都呈增加趋势,增幅大致在20%-30%之间;源流区所有控制站点枯季流量的Q5值在未来的变化幅度明显高于其它概率值。