水文过程非平稳性研究若干问题探讨

探讨了水文过程非平稳性和全球变化水文响应等热点问题.首先明确了水文系统稳定性与水文过程非平稳性研究对象的差异:水文系统稳定性改变主要指环境变化影响下水文物理系统发生变化,即水文过程确定成分和确定性规律改变,而水文过程非平稳性主要指水文过程随机成分的统计特征发生变化.系统梳理了水文过程非平稳特性研究的若干关键问题,包括水文非平稳性的研究对象、表现方式、判别依据和方法、描述方法等.指出水文过程非平稳性研究应重点关注水文过程的随机成分,应使用三阶宽平稳对水文平稳性进行判别,以满足工程水文设计、水资源评价等需求;可利用随机水文学理论方法判别水文过程非平稳性,对水文过程周期和趋势等特性进行识别,再对随机成分的平稳性进行判断,为随机模拟和水文预报等奠定基础.上述水文过程非平稳性若干关键问题的界定和明确,有望为研究环境变化水文响应的关键科学问题提供借鉴和参考.     

陆地植被生态水文过程前沿进展:从植物叶片到流域

陆地植被生态水文过程是生态学、水文学和全球变化研究关注的前沿领域,更是生态水文学的关键理论基础之一.近年来围绕植被生态与水相互作用的研究范畴涵盖了从植物细胞到大陆尺度的几乎所有空间尺度,在不同尺度上分别在生态学和水文学各自视角取得了较大进展.但从生态水文学交叉学科角度,迫切需要整合生态学与水文学多尺度相关研究进展,系统性地归纳和总结跨尺度理论和方法进展,梳理理论前沿热点问题.为此,本文从近年来关于陆地植被生态水文过程与模拟研究进展中,系统提炼和总结了以植物水分利用与调控机制、碳氮水耦合循环过程与模拟、水循环关键过程的生态作用、植被生态作用下的径流形成与变化、植被生态水循环变化对大气降水过程的反馈影响等为主要研究热点的理论前沿方向,系统总结了这五方面在不同尺度及跨尺度方面所取得的主要进展,特别关注了基于过程机理的定量模型方面的发展状态.基于这些前沿热点面临的挑战性难题,提出了未来需要重点关注的核心问题,包括探索植物水分利用与调控的多尺度关联机制、发展基于过程机制的碳氮水耦合循环精准模拟方法、径流形成与动态变化的生态因素甄别与定量刻画等.对深入理解生态水文学国际前沿发展趋势,引导我国生态水文学学科的发展方向等有参考意义.     

中国极端降水对气候变化的热力学响应机理及洪水效应

全球变暖改变了气候系统的热力和动力环境,影响了陆地-大气系统的能量收支和水循环过程,对降水、湿度、径流等水文要素产生显著影响.大气边界层水汽是降水形成的物质基础,现有研究主要关注饱和水汽压对极端降水的影响,发现了呈"抛物线"形状的Hook气候响应结构.但是未能定量阐明其形成原因,也较少分离大气热力和动力作用对极端降水演化的贡献分量,制约了未来气候灾害风险预测及水文过程模拟精度.本文以中国大陆和151个典型流域为研究区域,通过扩展的克劳修斯-克拉珀龙(Clausius-Clapeyron)方程评估了极端降水和地表径流对近地气温的响应强度,采用ERA5再分析数据集评估了整层气柱水汽含量、对流有效位能和相对湿度对极端降水的促进/抑制作用,基于能量收支和水分平衡分离了极端降水的热力项和动力项,并解释了Hook结构的形成原因;基于CMIP6框架下21个全球气候模式输出数据,通过偏差校正和流域水文模拟方法预估了未来气象水文过程,研究了Hook结构的迁移路径及其暴雨洪水效应.研究发现,动力学约束造成高温下极端事件的水汽输送能力受限,进而形成了Hook结构,但极端降水和地表径流的Hook结构并不稳定,...     

干旱区生态水文过程研究若干问题评述

评述了干旱区生态水文过程研究的若干进展,提出了临界生态需水量、最适生态需水量和饱和生态需水量的概念,探讨了相应的确定方法。强调了人工植被的建立应在加强对干旱区天然植被格局与生态水文效应、具有水力提升功能植物识别、植物吸收的水分来源、生态需水量及生态地下水水位等方面研究的基础上,从恢复生态学和生态水文学的角度,确定干旱区适宜人工植被的种类组成和格局。     

北京奥运村洪水淹没风险模型研究

随着城市化的加剧, 城市暴雨积水的风险越来越大, 城市洪水问题已成为全球性环境灾害的热点问题. 如何有效分析城市水文过程, 准确评估城市洪水风险是市政建设和水资源管理的迫切需要. 城区人工下垫面复杂, 水利设施众多, 传统的水文模型和水动力模型均难以准确地模拟洪水非恒定演变过程. 以城市复杂环境下的产汇流、排水、积水等过程作为研究对象, 首先建立水文模型实时模拟降雨径流过程, 进而分别建立适用于排水系统的一维水动力模型和适用于地表洪水漫流的二维水动力模型, 最终在地理信息系统平台上将这三类模型进行在线耦合, 最终建立起适用于城市洪水预测模拟的耦合模型系统. 以北京奥运村为例, 针对不同的典型降雨过程, 对该模型系统进行验证和分析, 模拟结果表明该模型能够有效地模拟复杂市区降雨积水过程, 能够提供可信度较高的城市洪水潜在风险评估, 切实指导区域水利设施建设和水资源管理.     

一个新的高分辨率洪涝动力数值监测预报系统

基于简单的分布式水文模型CREST和多种卫星遥感资料及站点观测资料等,建立了一个高分辨率的动力数值洪涝灾害预报系统.该系统包含数据输入、水文模型、模式输出以及结果验证4部分.数据输入使用了高分辨率卫星遥感DEM等地表下垫面数据作为边界条件,使用时空分辨率和精度都较好的CMORPH卫星遥感降水资料作为驱动数据,驱动分布式水文模型CREST实时运行,以监测和预报中国地区尤其是无站点观测或者站点较少地区的洪涝灾害.对2008~2011年的水文基本变量后报结果结合不同流域水文站点的水文过程线分析验证表明,水平空间分辨率1 km的系统能够较好地后报中国地区的基本水文过程,能够较好地后报如实际蒸散发、土壤湿度、地表径流等基本水文变量;系统能够较好地模拟和后报河道径流量涨落过程;能够较好地后报洪峰及其对应的流量.同时,经过几次洪涝灾害事件的分析验证,表明系统能较好地监测、预报洪涝发生的时间及其影响的范围,从而可以为防灾减灾提供参考依据.     

纵向岭谷区植被覆盖的空间分异及其对气候的时滞效应

分析了西南纵向岭谷区NDVI时间序列与温度降水两类气象因子的相关性,探讨植被对温度和降水变化响应敏感性的空间格局,通过构造NDVIr指数揭示纵向岭谷区植被覆盖变化与土地利用之间的相互关系,得出如下结论:(1)纵向岭谷区植被对温度和降水变化的响应过程具有"时滞效应",不同地区出现最大相关系数所对应的滞后时间不同;植被对温度和降水变化的反应可以分为"雨热同期、雨先热后和热先雨后"3种时间组合.(2)植被对温度变化反应的敏感程度在空间上形成数个不连续的高相关中心和低相关中心;与温度不同,在研究区北部形成了植被-降水相关关系的两个低敏感区,沿纵向岭谷方向形成了两条高相关带.(3)构造了NDVIr指数,发现NDVIr与气象因子和土地利用状况具有较好的对应关系.     

动物黏液:屏障效应及黏附机制

动物黏液是动物分泌和黏附于体内或体表(外)各种表面的湿滑液体,多为浓稠的胶状体,主要成分为黏蛋白、无机盐,并含有抗菌物质如溶菌酶、免疫球蛋白,在作为生物体保护性屏障和润滑作用方面具有重要作用.近五年来,随着现代生物学理论和研究技术的快速发展,对于动物黏液的生物效应和作用机制尤其是屏障效应和黏附机制等方面的研究取得了长足的进步.这些研究表明,在分子层面决定动物黏液屏障效应和黏附机制的关键在于黏液的化学成分如黏蛋白以及相应的物理特性.本文介绍了近年来与动物黏液的屏障效应和黏附机制相关的研究,主要包括动物黏液的生物效应、研究方法、化学组成、物理性质、作用机理等方面的研究进展.     

“城市干岛”对北京夏季高温闷热天气的影响

利用北京1940~2000 年的气候资料, 对北京夏季高温闷热天气的年代际变化进行了初步研究. 20 世纪40~70 年代, 北京夏季高温闷热天气日数逐年代减少; 70~90 年代, 高温闷热天气日数逐年代增多. 虽然上述年代高温闷热天气日数的变化趋势与气温的变化趋势一致, 但高温闷热天气日数在40 年代最多, 而不是在相对最热的90 年代(90 年代的平均气温比40 年代高1.0℃左右). 从形成北京地区夏季高温闷热天气的天气系统和北京地区高温闷热天气日数与副热带高压活动的相关性的分析来看, 90 年代的高温闷热天气日数应比40 年代多, 但事实并非如此. 为了解释这一看似矛盾的现象, 分析了80 年代以来北京地区“城市干岛”的演变趋势. 结果表明, 虽然80 年代以来北京地区的气温也和全球其他地方一样呈现出变暖的趋势, 夏季的“城市热岛”强度也呈现增强的趋势, 进而增加了北京夏季发生高温闷热天气的可能性, 但由于城市化发展带来的“城市干岛”效应使北京城区夏季的相对湿度减小, 加上高温时人体舒适度对相对湿度的变化更敏感, 从而对冲掉了部分由于气温变暖和城市热岛增强而增加北京发生高温闷热天气的可能性.     

TRMM卫星升轨对热带地区气候尺度降水探测的影响

1997年发射升空的热带测雨卫星(tropical rainfall measuring mission,简称TRMM)距今已经稳定运行十余年,其上搭载的首部星载主动式测雨雷达(precipitation radar,简称PR)收集了多年高信度的降水探测资料,这些资料现已被广泛应用于全球气候和水文等研究领域.然而,为延长     

NoahMP-RAPID在高海拔山地流域的模拟检验与误差分析

高海拔山地流域水能资源丰富、山洪易发;但产汇流机制复杂、降水数据不确定性大,准确的山地水文过程模拟面临较大困难.本研究采用中国区域地面气象要素数据集CMFD(China Meteorological Forcing Dataset)驱动NoahMP陆面过程-RAPID河网汇流耦合模式,模拟青藏高原东侧大渡河干流逐日流量,并根据铜街子、龙头石流量站观测数据率定RAPID中的波速参数,检验了NoahMP中SIMGM和NOAH两种不同的产流过程参数化方案的模拟能力,评估了CMFD降水驱动数据的系统性偏差.研究发现,基于Philip入渗模型的NOAH方案优于基于TOPMODEL的SIMGM方案,能较为准确地模拟大渡河干流流量逐日变化,相关系数大于0.85、纳什系数约为0.3;对纳什系数的数学分解发现,纳什系数较低主要是由于模拟流量显著偏低造成的,若剔除系统性偏差,NOAH方案的纳什系数可提高至约0.7.模拟流量的系统性偏差主要来自于降水驱动数据;与雨量站观测和反演数据相比,CMFD显著低估了大渡河流域平均降水量,且其系统性偏差与高程有关,在低海拔地区高估,高海拔地区低估.本研究表明,使用NOAH产流方案的NoahMP-RAPID耦合模式对大渡河流域水文过程有较好的模拟能力,可进一步应用于水库调度优化;而提高雨量站密度、降低降水数据产品的系统性偏差是进一步改进高海拔山地流域水文过程模拟的关键.     

青藏高原河川径流变化及其影响研究进展

青藏高原被称为世界"第三极",又有"亚洲水塔"之称,对其周边地区的水文和气候系统有重要影响.青藏高原是亚洲许多大河的发源地,其冰川与河川径流变化影响到周边数十亿人口.本文介绍了青藏高原河川径流观测现状,回顾了青藏高原河川径流变化研究. 20世纪50年代至21世纪初,黄河源区年径流呈减少趋势、长江源区年径流呈微弱增加趋势,青藏高原其他江河源区的年径流没有显著的变化趋势.黄河上游、澜沧江上游、沱沱河及拉萨河源区的春季径流有增加趋势.未来气候变化情景下,随着降水和冰雪融水增加,青藏高原大部分河流源区径流增加,洪水等极端水文事件发生更加频繁.青藏高原河流源区水文气象观测资料稀缺,是河川径流变化及其影响研究的重大挑战.青藏高原水文研究亟需结合最新观测与模拟技术,提高水循环观测与模拟能力,深入认识青藏高原河川径流复杂性及其变化规律,为径流变化的影响评估及其应对提供科技支撑.     

巴丹吉林沙漠腹地降水事件后的沙山蒸发观测

巴丹吉林沙漠腹地高大沙山和湖泊的形成机理一直是学术界研究的热点,其中关于高大沙山上大气降水能否入渗补给地下水一直存在较大争议.本文基于沙漠腹地的2年降水观测和沙漠边缘的长时间尺度降水资料,结合概率分布模型和日降水极值重现期分析,对沙漠地区的降水等级进行了划分,并利用沙漠腹地的自动气象站和涡度相关系统的观测数据,对不同等级降水事件后的沙山蒸发进行分析.结果显示,沙漠地区的降水事件可分为3类,即5 mm以下的常规降水事件CP(占总降水的90%以上)、20 mm左右的普通年份最大日降水OAM和数十年一遇的极端强降水事件EP.CP和OAM事件后,降水分别约需1~3 d和3~4周可被蒸发出地表,EP事件后水分则需较长的时间方可蒸发出地表.三类降水事件的累积蒸发与累积降水表明,高大沙山上的大气降水对地下水没有显著补给作用.本研究对深入探讨巴丹吉林沙漠腹地湖泊群的形成机理有重要价值.     

第三极西风和季风主导流域源区降水呈现不同梯度特征

利用位于第三极东南部受季风主导的长江、黄河、澜沧江、怒江上游和雅鲁藏布江流域,以及位于西部受西风主导的叶尔羌河、印度河、阿姆河和锡尔河上游流域源区256个气象站的降水数据,分析了各流域降水随海拔变化的梯度关系;基于ERA5数据,通过分析水汽含量、对流有效势能和抬升凝结高度与各流域内海拔的变化关系,探讨了不同气候系统主导的流域呈现不同梯度特征的原因;通过水文模型模拟径流反向验证降水梯度校正方法在推算高海拔山区降水时的可行性.结果表明:(1)位于季风区的长江上游、黄河上游、澜沧江、怒江和雅鲁藏布江流域降水随海拔增加而降低(17～128 mm/100 m),地形效应仅在小尺度呈现;西风主导的叶尔羌河、印度河、阿姆河和锡尔河上游流域降水随海拔增加而增加(5～64 mm/100 m),地形效应明显.(2) ERA5与气象站观测降水数据在不同流域源区表现出一致的降水梯度特征.季风区流域降水随海拔增加而减少,主要由水汽含量随海拔增加而减少所致,地形效应在局地尺度依然有所反映;西风区流域降水随海拔增加而增加,主要受抬升凝结高度降低和对流有效势能增加的影响.(3)陆面水文模型反向验证结果表明,在降水地形...     

狗抖动身上的水时为何那么快

为什么狗跑到你跟前快速抖动它那湿漉漉的皮毛?现在请您看看美国佐治亚理工学院的研究人员所观察的结果。狗和长毛的动物,都会通过某种比洗衣机甩干更美观和有效的方法将毛抖动干。实际上,这就是洗衣机制造商所搜寻的涡流效应。这种涡流效应,激励了佐治亚理工学院的研究小组来调查研究所谓"湿狗抖动"的效应。其实并不只是对狗,这个研究小组还检验了15种动物,包括老     

青藏高原“亚洲水塔”效应和大气水分循环特征

青藏高原是东亚海陆气相互作用最敏感的地区之一.青藏高原大气水分循环结构特征不仅反映了西风气流与"大三角扇形"影响域季风水汽流的相互作用特征,而且凸现出该区域为全球能量、水汽的交换关键区,构成"亚洲水塔"形成的重要背景;隆升的高原地形和强大的表面辐射加热形成了局地上升对流和高耸入对流层中部中空"热源柱".研究揭示出此"热力驱动"下青藏高原高、低层互为反环流类似台风的自激反馈机制,其提供了"亚洲水塔"水汽"汇流"与抽吸动力效应."亚洲水塔"热源驱动机制有助于"世界屋脊"大气"热岛"、"湿岛"的形成和维持,使暖湿气流从低纬海洋向高原输送、汇聚.针对"世界屋脊"高原对流频繁、云降水异常特征,揭示出"世界屋脊"空气低密度条件对高原对流云的触发效应.分析表明,低纬热带海洋成为"亚洲水塔"大气水分循环的重要水汽源区,水汽源区可跨越赤道追踪到南半球.提出了青藏高原"热力驱动"下大气水分循环结构类似全球性大气"水塔"的观点,青藏高原特殊的跨半球大气水分循环构建出"亚洲水塔"和其周边地区独特的大气-水文功能体系.给出了西风与季风协同作用背景下青藏高原为核心区的陆地-海洋-大气相互作用的"亚洲水塔"大气水分循环物理图像.     

CMIP5多模式对全球典型干旱半干旱区气候变化的模拟与预估

应用CRU 3.1气温资料和GPCC V6降水数据,系统评估了国际耦合模式比较计划第5阶段(CMIP5)中17个耦合模式对全球典型干旱半干旱区的长期气候变化的模拟能力,并在此基础上分析了不同典型浓度路径(representative concentration pathways,RCPs)下典型干旱半干旱区未来的气候变化情景.结果表明:大多数模式都能模拟出全球陆地以及典型干旱半干旱区观测气温时空分布特征,特别是近60年来显著增温的空间格局,但增温幅度偏小0.1~0.3℃/50 a;大多数模式难以捕捉到全球陆地观测降水的年际变化特征,模拟的变率和趋势均明显偏弱,不同模式对干旱半干旱区降水的模拟存在较大的时空差异,但总体上还是多模式集成结果更为接近观测值;在人类活动和自然变化的共同影响下,全球及其不同干旱半干旱区未来气温的变化均是以显著增温为主,特别是高端浓度路径(RCP 8.5)下的增温幅度几乎是中低端浓度路径(RCP 4.5)下的2倍;降水的未来变化情景基本上是"干愈干、湿愈湿"的时空特征,也是高端浓度路径下的变化更为明显;而未来中国北方干旱半干旱区很可能是气温上升、降水增加最为显著的地区之一.     

一种新型城市地震灾害模拟方法:城市抗震弹塑性分析方法

城市地震灾害模拟可服务震前防灾规划和震后快速救援,对降低城市震害风险具有重要价值.本研究提出了一种新型城市地震灾害模拟方法——城市抗震弹塑性分析方法,给出了海量建筑建模、高性能计算、"场地-城市效应"、高真实感可视化与次生灾害预测等系列关键科学问题的解决方法,并应用于震后灾损近实时评估(九寨沟)、震前防震减灾规划(唐山)、城市中心区高层建筑群多尺度震害模拟(北京CBD)、城市建筑震害及次生灾害全过程模拟(旧金山湾区)等,可为城市防震减灾提供重要决策参考.     

东北冷涡的“气候效应”及其对梅雨的影响

东北冷涡是东亚中高纬地区重要的天气系统. 尽管其时间尺度为天气尺度, 但是频繁的东北冷涡活动具有显著的“气候效应”. 这种“气候效应”不仅会影响东北地区对流层低层的月平均气温, 而且对东亚地区梅雨期降水也具有影响作用. 利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的ERA-40再分析资料, 对东北冷涡的“气候效应”及其与东亚梅雨的关系进行研究, 发现: 梅雨期东北冷涡和降水量存在显著的相关关系, 东北冷涡越强, 梅雨量很可能偏多, 东北冷涡越弱, 梅雨量很可能偏少; 东北冷涡强年, 东北冷涡引导北方“干冷”空气南侵, 与低层强盛西南暖湿气流在梅雨区北缘交汇, 形成“上干下湿”的不稳定层结, 在上升运动的触发下, 最终导致梅雨量偏多, 东北冷涡弱年情况正好相反; 前期北太平洋海温的异常可能是导致梅雨期东北冷涡异常的因素之一, 夏季的海陆热力对比对东北冷涡起着促进作用, 而冬季的热力对比对东北冷涡起着抑制作用. 所有这些为东北冷涡和梅雨的短期气候预测提供了具有参考意义的结果.     

利用CLM模拟陆面过程中稳定水同位素季节变化

将稳定同位素作为诊断工具引入CLM(Community Land Model), 并对巴西马瑙斯站在平衡年的不同水体中稳定同位素的季节变化进行了模拟和分析, 旨在通过对陆面过程中稳定水同位素的模拟试验, 了解陆面过程中稳定水同位素的循环过程, 以补充观测资料之缺乏, 并最终利用稳定同位素的变化特性进行水文气象过程的预测. 模拟的结果表明, 降水、水汽和地表径流中的δ¹⁸O均存在显著的季节性变化, 并与相应的水量存在反比关系. 与IAEA/WMO监测数据相比, CLM的模拟基本上揭示了降水中δ¹⁸O的实际分布特征. 另外, 模拟的月降水量与月δ¹⁸O之间的降水量效应以及大气水线(MWL)均接近实际状况. 这在一定程度上说明, 引入稳定同位素效应的CLM的模拟是合理的. 但也看到, 模拟的降水中δ¹⁸O的季节差异明显小于实际值, 降水中δ¹⁸O的季节变化展示了赤道地区理想的双峰型特点, 但实际的分布却是单峰型. 这些差异的产生可能与CLM本身的模拟能力有关, 也可能与强迫资料的准确性有关.