考虑植被盖度的城市蒸散发模拟研究

基于城市涡动相关系统每30分钟蒸散发数据, 结合足迹源区分析及研究区域遥感数据, 获取源区植被盖度, 构建基于随机森林的蒸散发模拟方法。将此模拟方法应用于涡动系统空缺值插值, 并探究深圳干湿季蒸散发的主要控制因子, 得到如下结论。1) 与不考虑植被盖度的随机森林模型及边际分布抽样算法(MDS)相比, 考虑植被盖度的随机森林模型可以更高精度地模拟城市蒸散发。与实测数据相比, 模型的R²=0.73, RMSE= 20.5 W/m², MAE=13.3 W/m², pbias=0.8%。2) 对湿季日间较高蒸散发时期的空缺值进行插值, 考虑植被盖度的随机森林模型显著优于MDS模型。与实测数据相比, MDS插值模型低估 12.4%, 而随机森林模型低估 4.7%。3) 深圳湿季期间, 植被盖度是蒸散发的主要控制因素。在干季, 温度、净辐射以及饱和蒸气压差是蒸散发的主要控制因子。     

黄河上游流域径流变化特征与归因分析研究

基于黄河上游头道拐水文站1982-2015年的月尺度径流量数据，采用累积距平值方法识别径流突变年份，继而分析研究区生态水文气象要素的年内变化规律，然后采用多元线性回归方法，评估了气候变化和人类活动对黄河上游植被变化的贡献率.最后，运用Budyko假设方法计算了人类活动引起的植被变化和气候因子(包括降水、蒸发和气候变化引起的植被变化)对黄河上游径流变化的贡献率.结果表明：(1)头道拐水文站的年径流量存在着明显减小的趋势，并且年内分配更加均匀；(2)归一化植被指数、年平均降雨量和年平均参考蒸散发量均呈现逐渐增长的趋势；(3)人为因素在黄河上游植被覆盖率增长方面发挥了主要作用，贡献率为75.02%;(4)气候因子(包括降水、蒸发和气候变化引起的植被变化)和人类活动引起的植被变化对头道拐水文站径流变化的贡献率分别为36.81%和63.19%.     

滹沱河上游流域径流变化归因分析

以滹沱河上游流域为研究对象,采用4种基于Budyko假设的弹性系数法和SWAT模型,量化气候变化和人类活动对径流变化的贡献率．结果表明:1961—2016年,滹沱河上游流域年降水、年径流分别呈下降、显著下降趋势,而潜在蒸散发呈显著上升趋势,流域的干旱化趋势明显．基于弹性系数法的计算结果显示,气候变化对径流减少的贡献率为49.62%~61.67%,人类活动的贡献率则为38.33%~50.38%．而SWAT模拟结果却表明:气候变化的贡献率高达84.42%,而人类活动贡献率仅为15.58%．这种差异性主要源于Budyko方程中的下垫面参数反映的不仅是人类活动,还包括气候变化的影响．因此,气候变化是滹沱河上游径流减少的主要因素,但人类活动对径流的影响正日益增强．使得滹沱河上游径流减少的具体人类活动并非是土地利用类型的改变,而是经济、人口的增长所导致的水资源的过度开发利用．      

基于结构方程模型的蒸散发归因分析

地表蒸散发是评估气候变化对区域水热循环作用的关键过程.然而,在气候变化和人类活动的双重影响下,植被对蒸散发的定量影响较难衡量.该文利用时间序列分析法探求2001至2019年植被变化的趋势,并利用遥感数据产品和气象要素驱动数据集在海河流域建立了结构方程模型,分离气候变化和植被变化对于蒸散发的影响.结果 表明:研究时段内植...     

大规模植被恢复对黄土高原生态水文过程的影响

黄土高原退耕还林工程实施以来,大量坡耕地被转化为草地和林地,植被恢复效果显著,水土流失得到了有效控制.但是,由于植被剧烈变化,导致部分区域水资源供需矛盾进一步加剧.针对上述问题,本研究采用定位观测与模型模拟相结合的方法,在考虑植被恢复对地表水热过程影响的基础上,将双源蒸散发模型与遥感技术相结合实现尺度转化,构建考虑植被动态变化的区域尺度蒸散发模型,分析大规模植被恢复后黄土高原蒸散发、降水、径流量的变化趋势,明晰植被重建对生态水文过程的影响.结果表明,退耕还林(草)工程实施后,黄土高原全区降水以5. 16mm·a~(-1)的速率增加,而植被恢复最剧烈的16个子流域河川径流量呈不断下降趋势,平均降幅为-1. 45mm·a~(-1).受植被恢复与重建的影响,研究区蒸散发以4. 39mm·a~(-1)的速率增加,植被恢复导致的冠层蒸腾上升是蒸散发增加的主要因素.基于上述结果,我们建议应当加强对黄土高原雨水资源潜力的利用,缓解植被剧烈变化导致的水资源消耗,并根据不同植被类型的蒸散耗水规律和区域土壤水分植被承载力,提出基于土壤水资源消耗补给平衡的植被恢复策略,以期为黄土高原生态恢复可持续发展和黄河流域水资源高效利用提供科学支撑.     

黄土高原退耕还林（草）以来植被水分利用效率的时空特征及预测

 水分利用效率（WUE）是评估生态系统水碳循环的重要指标。基于PT-JPL模型的区域尺度实际蒸散发（ET）的模拟结果，结合黄土高原的总初级生产力（GPP），分析了退耕还林（草）工程实施后黄土高原水分利用效率WUE的时空变化趋势，结合CMIP6对未来3种情景下黄土高原的ET、GPP和WUE进行了预测。结果表明：2001-2015年，黄土高原植被显著增加， GPP和ET分别以每年3.59 g C·m^-2和4.39 mm的速率增加。WUE在72.68%的地区呈增加趋势，区域增长率为0.003 g C·mm^-1·m^-2·a^-1。在2015-2100年的3种情景中， ET均呈增加趋势，而GPP和WUE在SSP126中变化不大，在SSP245、SSP370情景中显著增加， WUE随着GPP的增加而增加。WUE结合了水资源的“消耗”和“利用”来阐明退耕还林（草）工程的成效，植被恢复虽然增加了区域耗水量，但是显著改善了植被覆盖情况，有效地提高了植被的固碳能力和水分利用效率，整个黄土高原植被的抗旱能力在增强。未来需进一步分析不同树种的WUE，筛选出抗旱性更高的树种进行植被恢复工作。     

气候变化对我国华南沿海地区水资源的影响——以南流江流域为例

为研究气候变化对我国华南沿海地区的水资源的影响,以南流江流域作为研究对象,应用具有物理机制的分布式水文模型SWAT对流域径流进行模拟。以常乐站1970~1994年月径流数据对模型进行率定,以1995~2013年月径流数据进行验证,基于南流江流域气候变化预估成果设置20种未来气候情景,模拟不同气候变化条件下的流域水文过程,计算不同情景下南流江流域径流及蒸散发的变化,分析气候变化条件下的水资源响应程度。结果表明:月径流模拟值与实测过程线总体拟合程度很好(R20.85,Ens0.8),SWAT模型在南流江流域具有较好适用性;降水是影响南流江流域径流变化的主要气候因子,而影响蒸散变化的主要气候因子是气温。降水不变时,气温每上升1℃,年均蒸散发量增加9.1 mm,年均径流量减少9.2 mm;气温不变时,降水量每增加10%,年均蒸散发量增加5.1 mm,年均径流量增加159.3 mm。预计到本世纪中叶,南流江流域年均径流变化幅度为-29.6%~27.6%,到本世纪末的变化幅度为-30.5%~26.7%,这将对南流江流域带来一系列的问题与挑战。     

广西岩溶碳汇对气候变化和石漠化治理措施的响应

为探讨气候变化和石漠化治理工程背景下岩溶碳汇的变化趋势和响应机制,基于广西岩性地质数据和气象数据,利用模型估算2005—2020年间广西岩溶碳汇的时空格局,并分析气候变化和石漠化治理对岩溶碳汇的影响。结果表明,广西2005—2020年岩溶碳汇时空差异显著,呈现波动上升的趋势,年均增加8.1%;降水对岩溶碳汇变化的影响最显著,温度和蒸散发量的影响较小;岩溶碳汇对不同石漠化治理措施的响应有所不同,封山管护这种最普遍的石漠化治理措施对固碳增汇的促进作用最显著,年均增长贡献率约为28%。     

气候变暖背景下黄河源区白河和黑河流域径流变化归因分析

使用Mann Kendall检验和STARS法对黄河源区白河和黑河流域1985-2016年水文气象序列进行趋势分析和突变点诊断,利用基于Budyko假设的傅抱璞公式定量评估气候变化(包括降水和潜在蒸散发)和人类活动对流域径流变化的影响程度.结果显示,两个流域气温上升趋势显著,年径流都呈减少趋势,降水和潜在蒸散发都增加,潜在蒸散发变化幅度大于降水.白河流域径流与降水均未发生突变,径流主要受气候变化影响.黑河流域径流发生两次突变,分别为1994和2012年.弹性系数计算结果显示,黑河径流的降水、潜在蒸散发以及下垫面弹性系数分别为3.82,-2.82,-0.74,表明与人类活动相比,黑河径流对气候变化更加敏感,降水比潜在蒸散发发挥的作用更大.归因分析表明,降水、潜在蒸散发和人类活动对两次黑河径流突变的相对贡献分别为-18.34%、30.12%、88.22%以及74.47%、-40.51%、66.04%,人类活动是导致黑河流域径流变化的主要原因.     

长江流域实际蒸散发的遥感估算及时空分布研究

蒸散发是地表水热过程的关键环节.准确估计蒸散发对气候变化研究、水资源管理、作物估产以及环境保护等具有重要意义.本文结合中国区域气候和土地利用特征,改进地表能量平衡系统(surface energy balance system,SEBS)模型,估算了长江流域多年蒸散发量.结合基于模型树集成算法获得的全球蒸散发观测产品以及基于流域多年水量平衡的年蒸散发数据,验证估算精度.结果表明:SEBS模型获得的长江流域蒸散发与基于全球通量观测站的蒸散发集成数据产品的平均相对百分比误差约为10.15%,确定系数为0.98,均方根误差为7.11 mm·月~(-1),具有较好的相关性和一致性,且可以达到更高的空间分辨率;SEBS估算的年均蒸散发与区域多年水量平衡结果的误差为6.29%,模型精度较为可靠;长江流域年均蒸散发总量变化不明显,在二级水资源区内蒸散发的变化量有较大的空间变异性,鄱阳湖流域年均蒸散发值最大,金沙江流域最小,汉江流域季节变异最明显;受气候和人类活动影响,高原地区、江汉平原、太湖流域蒸散发有较为明显的下降趋势.     

1961—2013年塔里木河干流流域潜在蒸散发动态变化及其定量气候驱动

为研究气候变化对塔里木河干流流域潜在蒸散发的影响。选取塔里木河干流流域内10个气象站1961—2013年逐日地面气象数据,运用气候倾向率、Mann-Kendall非参数检验和优势分析方法分析塔里木河干流流域不同时段潜在蒸散发动态变化及其定量气候驱动。结果表明：1961—2013年,塔里木河干流流域年、季潜在蒸散发均呈减少趋势,以1976年前冬季减幅最大,1976年后春季增幅最大,1976年为年潜在蒸散发的突变点。塔里木河干流流域年平均气温、最高气温、最低气温、相对湿度和降水量均极显著增加,日照时数极显著减少,且1976年前平均气温、最高气温、最低气温和日照时数的减幅均小于1976年后的增幅,1976年前相对湿度和降水量的增幅均小于1976年后的增幅。塔里木河干流流域潜在蒸散发的变化是由多种气象因子综合作用的结果,日照时数是年、季潜在蒸散发减少的主要气候驱动因子。1976年前,春、夏、冬、年潜在蒸散发的减少主要受日照时数的减少控制为主,贡献率分别为100.00%、67.56%、51.41%和52.20%,秋季潜在蒸散发的增加主要受日照时数的增加控制为主,贡献率为45.62%;1976年后...     

基于深度神经网络的城市典型乔木日内蒸腾特征模拟研究

以城市典型乔木小叶榕全天24小时每10分钟的树干液流及同步气象观测数据为训练集, 建立基于深度神经网络的城市典型乔木植被蒸腾估算模型, 得到10分钟尺度的小叶榕蒸腾模拟结果, 系统地探讨干湿季和昼夜影响小叶榕蒸腾的环境控制因子。基于深圳市91个气象观测站的常规气象观测数据, 应用训练好的深度神经网络模型, 估算得到站点尺度的深圳市典型乔木逐小时蒸腾特征。结果表明: 1) 深度神经网络模型可以高精度地模拟城市小叶榕每10分钟尺度的蒸腾变化, 与树干液流系统实测数据相比, 决定系数R²=0.91, 平均绝对百分比误差MAPE=21.77%, 均方根误差RMSE=0.02 mm/h; 2) 湿季和干季城市小叶榕蒸腾的主要控制因子, 白天均为太阳辐射和气温, 夜间均为饱和水汽压差; 3) 城市小叶榕在夜间仍然存在蒸腾, 干、湿季平均蒸腾速率分别达到0.03和0.01 mm/h; 4) 深圳市不同区域的植被蒸腾特征存在差异, 蒸腾速率最高可相差0.10 mm/h, 总体而言, 湿季白天的蒸腾速率(91个站点均值为0.1 mm/h)比干季白天(均值为0.08 mm/h)更高, 大部分站点夜间植被蒸腾量接近0, 但仍存在蒸腾, 少部分站点干季夜间平均蒸腾速率可达0.07 mm/h, 湿季夜间可达0.10 mm/h。     

基于Budyko假设的三江源径流变化特性及量化分离

根据1956—2012年气象和水文站点的降雨、气温、蒸发等实测和相关数据,采用线性趋势法、非参数Mann-Kendall法和Spearman法,分析了三江源地区降雨、气温、NDVI（归一化植被指数,normal difference vegetation index）和径流变化特征,并采用基于Budyko假设的互补关系权重因子法量化分离气候和下垫面对径流影响。结果表明,长江源和澜沧江源降雨量呈显著增加趋势,三江源气温呈显著增加趋势,黄河源NDVI呈显著增加趋势。长江源、黄河源和澜沧江源径流量10年变化幅度分别为6.54亿m3、-2.05亿m3和1.54亿m3。所使用的互补关系权重因子法不仅可以准确地计算出径流年均值的变化,并且量化分离时无需假定气候和下垫面变化对径流变化具有相同的贡献特征。总体来说,长江源、黄河源气候和下垫面变化对径流的影响为正贡献;但是澜沧江源（权重因子）等于1.0时下垫面变化对径流的影响为正贡献,而为0.5 和0时下垫面对径流的影响为负贡献。长江源、黄河源和澜沧江源气候变化对径流的贡献分别为55.21%~92.85%、52.47%~68.50%、89.91%~124.58%。三江源径流变化主要受到气候变化影响,降雨量是气候变化影响径流的主要控制因子,植被覆盖是下垫面变化影响径流的主要控制因子。     

基于趋势检验与经验正交的滦河山区流域水文过程分析

以滦河山区流域为研究对象，运用趋势检验、经验正交、Budyko敏感性系数等方法，对流域气象和水文要素及土地利用数据进行分析，探讨了变化环境下滦河山区流域水文响应过程。结果表明：(1)1961—2018年滦河山区流域降水呈不显著下降趋势(-3.4 mm/10 a),潜在蒸散发呈显著下降趋势(-7.5 mm/10 a),且二者空间变化方向具有一致性；径流呈显著下降趋势(-4.1×10⁸ m³/10 a),并呈现出干湿交替的周期变化特征；(2)在人类活动影响下，整个变化期(1980—2018年)径流量减少11.8×10⁸ m³;(3)归因分析表明，气候在径流变化的贡献中占比27.2%,人类活动的贡献度达69.6%,是引起滦河山区径流量减少的主要因素。     

塔里木流域内陆河水系连通性特征

水系连通性对于干旱地区河流生态系统健康至关重要.基于30m水平分辨率的数字高程模型和地表水动态数据，提取塔里木盆地内流河水系信息.通过引入连通性指数(CI),研究内陆河水系连通性的分级特征及其主要影响因素.结果表明，在各个级别中，4～5级河流的水系连通性对流域因子的变化最为敏感.水系连通性总体上受流域气候和地形控制，表现为水系连通性与流域潜在蒸散发呈显著负相关(r=-0.27～-0.60),与流域平均坡度呈显著正相关(r=0.29～0.54).另一方面，下垫面条件也与水系连通性密切相关，表现为水系连通性随冰川覆盖占比的增大而增大，随沙漠覆盖占比的增大而减小.     

基于BEPS-Terrainlab v2.0模型鄂西犟河流域1999年—2016年蒸散发模拟分析

蒸散发在水循环中占据着重要地位,采用模型模拟法研究小流域尺度的蒸散发具有高时间、空间分辨率的优势.该文选取湖北省十堰市犟河流域为研究区,基于BEPS-Terrainlab v2.0模型,利用Landsat5-8遥感影像和气象资料等数据,以日为时间步长模拟了研究区内1999年—2016年的蒸散发.模拟结果与MODIS蒸散发产品MOD16A2进行对比,二者年内变化相关系数R2＝0.92,MODIS数据时空分辨率均低于模拟数据,但也在一定程度上验证了模拟的可靠性.模拟结果显示：时间变化上,流域内蒸散发在年内呈单峰状分布(春季156.9 mm、夏季302.5 mm、秋季133.5 mm、冬季18.5 mm);年际上呈现波动变化,有一定周期性,总体有上升趋势.空间分布上,流域内蒸散发分布植被区高于非植被区,不同植被类型蒸散发不同(阔叶>混交>针叶>农田),不同高程蒸散发也不同(500～700 m区间内最大).经过相关性分析,气温、太阳辐射对蒸散发年内变化影响较大,通过了0.01的显著性检验;叶面积指数、降水对年际变化影响较大,通过了0.05的显著性检验.     

淮河流域参考蒸散发量变化分析

利用淮河流域26个气象观测站的观测资料,采用Penman-Monteith法计算流域的参考蒸散发量,结合参考蒸散发对气象因子的敏感性分析以及气象因子在1960—2008年的变化,定量评估气象因子变化对蒸散发的贡献程度,进而分析流域近50 a来参考蒸散发量的变化及其原因.结果表明:淮河流域绝大部分地区的年参考蒸散发总量呈下降趋势,淮河以北地区的下降趋势比淮河以南地区更为显著.造成这种变化的主要原因是太阳辐射量的减少和风速的降低,淮河以南地区受相对湿度变化的影响,下降幅度小.     

近30年京津冀地区湖泊面积的变化

利用遥感、气候和社会经济统计数据, 探究1987—2017年间京津冀地区湖泊面积的变化及其与自然和社会因素的关系。结果表明, 该地区湖泊面积过去30年间整体上呈减少趋势, 每年减少约2%, 这是自然和人为因素双重影响的结果。可分为3个阶段: 前10年(1987—1996年), 湖泊面积增加约4.8×10² km² (约占76%), 由自然因素主导(R²=0.849, p=0.001); 1997—2009年的13年间, 湖泊面积呈减少趋势(减少约 4.7×10² km², 占43%), 主要由人为因素主导(R²=0.536, p=0.013); 最近8年(2010—2017年)中, 湖泊面积呈增加趋势(增加约2.3×10² km², 占36%), 也主要由人为因素导致。虽然最近8年来该地区湖泊面积减少的趋势得到扭转, 但地表水资源供需矛盾仍然严峻。     

考虑植被对降雨变化响应的流域水量平衡

为研究降雨变化对流域水量平衡的直接及间接影响,该文基于Eagleson的生态水文最优性理论,建立了植被盖度降雨响应模型,用归因分析法区分了由降雨变化直接引起的水量平衡变化以及植被响应降雨变化对水量平衡产生的间接影响,并在科尔沁地区西拉木伦-老哈河流域对该方法进行了应用。研究结果表明:植被盖度和降雨量之间存在正相关关系,这一关系受到降雨强度和降雨频率的影响。降雨量增加主要增加了蒸散发和非生长季土壤水分蓄变量的占比。降雨量增加对水量平衡各项变化的直接贡献都是正向的,而植被响应降雨后对水量平衡变化产生的间接贡献对除了蒸散发以外的各项均为负向的。蒸发系数和降雨之间的关系受到植被对降雨变化响应的影响。     

非接触式太阳能蒸发的模拟与分析

零液体排放是高浓度盐水/废水处理的有效途径，其中非接触式太阳能蒸发是一种近年被提出的全新思路，兼具太阳能利用、结构简单、被动运行和不结垢的优势.针对非接触式太阳能蒸发缺乏有效预测模型用以指导实际装置优化的问题，首次构建了非接触式太阳能蒸发的稳态热阻网络模型，并对其蒸发性能进行了分析.结果显示，作为水体能量来源的辐射传热与空气层传热分别占比54.2%和45.8%,均对蒸发性能有重要影响.空气层厚度增加会对两种传热产生不利影响，10 mm空气层厚度下的蒸发率仅为4 mm空气层厚度下蒸发率的70%.此外，减小蒸汽扩散阻力是提升蒸发率的有效途径，当蒸汽扩散系数从5×10^-6 m²/s增大至2.5×10^-5 m²/s时，蒸发率提升了2倍.