论文部分内容阅读
降水是黑河流域地表水资源的主要来源，对流域生态安全、社会-经济系统可持续发展具有重要的科学和现实意义。降水是地-气相互作用所形成，不仅受大尺度环流系统的影响，而且受局地地形的影响，黑河流域表现尤其明显。黑河流域地处西风带和季风交汇影响区，而且又处在青藏高原东北侧，流域内地形复杂，是研究地-气相互作用下降水问题的理想区域。黑河流域降水测站稀少，同时影响降水的因素又复杂，使得黑河流域降水研究一直以来都是个难点问题。目前，掌握降水的空间精细化分布已经成为研究生态-水文相互作用过程的迫切需要；掌握区域降水总量的年际变化规律是预估径流量的前提，是制定水资源合理分配方案的依据。因此，本文从地-气相互作用角度出发，针对黑河流域降水问题的需求性，对黑河流域降水空间精细化分布和地-气相互作用下降水总量的年际变化进行了研究。
本文利用黑河流域及周边地区18个气象测站逐月降水资料、100 m×100 mDEM数据和NCEP/NCAR再分析资料，利用相关分析、多元线性回归、GIS空间分析技术和合成对比分析等方法，首先统计分析了黑河流域气候平均年降水量与地理地形因子的关系，在此基础上建立了气候平均年和各月降水量与地理地形因子的回归方程并扩展得到了中上游气候平均年、逐月降水量的精细化分布，据此计算了气候平均年、逐月的降水总量；随后依据傅抱璞提出的坡度、盛行风向与迎风坡对地形抬升速度影响的数学模式，对孙鹏森提出的主导风向效应指数进行了扩展，构建了新的耦合坡度、坡向和主导风向的局地地形因子，该因子表征的地-气相互作用物理意义更明确。继而通过回归分析，建立了逐年6-9月降水量与地理和局地地形因子的回归方程。据此，通过GIS空间分析技术扩展得到了黑河流域上游1967-2008年逐年6-9月降水量的空间精细化分布，基于此计算了上游6-9月降水总量并分析其年际变化；为了量化环流系统对黑河流域降水的影响，合成对比分析了降水变化中(多雨年和少雨年)的局地水汽输送和环流特征以及大尺度环流特征的差异，据此设计定义了对黑河流域降水有明显指示意义的局地环流指数和大尺度环流指数；进而通过主成分逐步回归降尺度方法给出了大气条件影响下的黑河流域上游降水总量年际变化，为未来降水总量的预估提供了一种新的思路和线索。
通过本文研究主要得出以下结论：
(1)黑河流域气候平均年降水量与测站的海拔高度、纬度、坡度显著相关，其中以海拔高度的影响最为重要。基于此，建立了降水量与地理地形参数的关系模型。回归分析表明，气候平均年降水量和5-8月降水量与地理地形参数回归方程均通过0.001信度检验，其余月份降水量回归方程均通过0.05信度检验。年降水量拟合值与实测值的相关系数为0.97，二者在大部分地区分布特征基本一致，总体拟合效果还是比较好的。逐月降水量拟合相对误差在上游和中游都很小，但在下游很大。精细化分布的降水量场能够表现出更多与地形和地势有关的细节，这是只利用气象测站资料的分析结果所不能反映的。在黑河流域气候平均降水量空间精细化分布基础上，按照黑河流域中上游面积5.08万km2计算，黑河流域中上游气候平均年降水总量约为151-2亿m3，降水主要集中在6-9月份，其降水总量约为118.5亿m3。
(2)针对黑河流域上游的降水问题，构建了新的耦合坡度、坡向和主导风向的局地地形因子，该因子表征的地-气相互作用物理意义更明确。局地地形因子与黑河流域多年平均6-9月降水量的相关系数为0.76，通过了0.01信度检验；与逐年6-9月降水量的相关系数在0.64～0.89之间，均通过了0.05信度检验。通过回归分析，建立了逐年6-9月降水量与地理和局地地形因子的回归方程。结果表明：逐年6-9月降水量与地理和局地地形因子的回归方程的复相关系数在0.92～0.99之间，均通过了0.01信度检验。交叉检验结果表明：回归方程能够很好地拟合上游降水量，尤其在70年代末期以后拟合值与实测值基本吻合；多年平均相对误差在10％以内。利用DEM结合回归方程，通过GIS空间分析技术扩展得到黑河流域上游逐年6-9月降水量的空间精细化分布。在此基础上计算的黑河流域上游多年平均6-9月降水总量为98.2亿立方米，降水总量具有明显的年际变化，1982年之前降水总量呈上升趋势，1982年到2000年间波动幅度较大，2000年以来具有明显的上升趋势，整体趋势呈微弱上升。
(3)黑河流域局地水汽输送的平均状况为：黑河流域2000-2006年多年平均年水汽输送表现为净输入，西边界是主要输入边界，东边界是主要输出边界，西风带是主要的水汽输送载体。尽管南北向的水汽输送通量值远小于东西向的水汽输送通量值，但南北向的水汽输送通量表现为净输入且值大于东西向。黑河流域降水主要集中在6-9月，6-9月水汽输送通量与年水汽输送通量既有相似性又有差异性。对整个流域来说，6-9月水汽输送通量也为净输入，这点与年水汽输送通量一致。从各边界来看，6-9月水汽输送较年水汽输送更为复杂。从水汽输入来看，西边界仍然为主要输入边界，但其余东、南、北边界都有相对较弱的水汽输入，南边界稍偏多；从水汽输出来看，东边界仍然为主要的水汽输出边界，而其余南、北、西边界也都存在水汽输出。从净输送来看，6-9月只有东边界表现为水汽净输出，其余各边界均表现为水汽净输入，而年水汽输送南边界表现为水汽净输出。从东西向、南北向上看，6-9月均表现为水汽净输入，这一点与年水汽输送通量明显不同。因此，西风带扰动的偏北气流和南边界的水汽输送对黑河流域6-9月水汽输送有重要作用，应该引起重视。黑河流域6-9月水汽净输入多年平均为240.5亿吨。通过局地环流场，首次发现黑河流域存在明显的经向局地环流，流场显示在38°N～39°N附近存在明显的辐合上升气流，最大垂直速度达0.8 cm/s。
(4)在黑河流域，多雨年与少雨年水汽净收支的差异表现最明显的是南边界，多雨年南边界表现为水汽净输入，少雨年南边界表现为水汽净输出。多雨年与少雨年局地辐合上升运动在范围、位置和强度上也有明显差异，多雨年上升运动强，中心最大垂直速度达1.2 cm/s，而少雨年只有0.8 cm/s，差值达0.4 cm/s。
(5)直接影响黑河流域降水的大尺度环流系统主要有西风和季风，青藏高原季风的影响也不容忽视。黑河流域多雨年和少雨年大尺度环流特征差异主要表现为：多雨年500hPa纬向风在90°E以东明显强于少雨年，在100°E表现最明显且此处正位于西风带波动槽的位置，槽的存在使经向度加大从而有利于冷空气的南下；600hPa流场显示贝加尔湖附近气旋性异常环流，巴尔喀什湖以东有一反气旋异常环流，二者共同作用也使黑河北边冷空气辐合南下加强；青藏高原以32.5°N为界南北两侧距平风场的变化呈相反趋势。据此主要从风场角度出发定义了区域西风指数、区域南亚季风指数、青藏高原季风指数、经向辐合指数和局地上升运动指数。相关分析表明局地上升运动指数、经向辐合指数、区域南亚季风指数、青藏高原季风指数、区域西风指数、南海副高强度指数对黑河流域上游降水具有一定的指示意义，不同指数指示区域有所不同。局地上升运动指数和经向辐合指数对整个上游地区均有指示意义；青藏高原季风指数对上游西部地区具有指示意义；区域西风指数、区域南亚季风指数和南海副高强度指数的指示区域主要在上游东部地区。
(6)利用物理意义明确的环流指数对上游降水总量进行降尺度分析，分析结果表明局地上升运动指数、区域南亚季风指数、经向辐合指数、青藏高原季风指数和南海副高强度指数与上游降水总量呈现较好相关性，其中局地上升运动指数对黑河流域上游降水总量的指示意义最强，即相关性最好；由于经向辐合指数一定程度上已经包含了西风带偏北气流和西南季风作用的信息，因此使得区域西风指数的相关性体现不明显。主成分分析表明，第一主成分主要是各环流指数的综合作用；主成分逐步回归方程复相关系数为0.59，通过了0.01信度检验，能够有效的拟合上游降水总量的变化情况，多年平均相对误差为-8.6％，这为降水总量的预估提供了一个新的思路和线索。