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科学研究

韩鹏飞:一个新的气候水文敏感性框架及其在含耕地流域的应用【WRR,2021】
2021-11-26 阅读:14787

        全球气候变化正在显著影响世界各地流域水文过程,改变水资源的时空分布格局。Budyko模式是目前国际上主流的研究流域气候水文依赖关系的理论框架,其经典量化理论采用多年平均状态的气候干旱指数和水文通量均值进行描述,假设降水量为蒸散量与径流量之和。在此基础上,以往的研究者提出了气候水文敏感性框架,用敏感性系数表征径流对干旱指数变化的响应。这种量化框架只适用于气候阶段性稳定的条件,即从一种稳定态跃进到另一种稳定态的变化,难以准确描述干旱指数连续变化的情况以及流域气候水文状态的逐年变化特征。其根本原因,在于现有研究尚未有效的建立流域水储量变化与干旱指数之间的关系,而沿用稳态假设将导致水文通量计算的系统误差,尤其是当耕地农作物灌溉大量耗用地下水储量时。

       针对上述科学问题,【威尼斯人游戏】-威尼斯3775网站水资源与环境学院地下水循环过程与水污染防控求真群体求真博士后韩鹏飞,在万力教授和王旭升教授指导下,联合美国华盛顿大学Erkan Istanbulluoglu教授,改进Budyko模式,把流域水储量变化与干旱指数的负相关经验函数引入到非稳态水平衡方程,提出一种新的、通用的气候水文敏感性框架,推导出更具有普遍性的敏感性系数公式。考虑到耕地汲取地下水的影响,研究团队进一步开发了新型的气候水文模型(bcd-aK模型)用于预测流域水储量和其他水文通量的年际变化,为上述敏感性框架提供水文模型支撑,成功应用到美国Illinois12个显著受到耕地影响的流域,取得以下主要认识:

1、      研究区流域水储量年际增量的比率(可正可负)与干旱指数之间具有显著的线性负相关关系(图1);

2、      传统的稳态敏感性框架不仅低估了非稳态条件下的敏感性,也低估了不同流域之间气候响应特征的差异;

3、      耕地灌溉对地下水的取用一般会导致流域气候敏感性增加(图2);

4、      跨流域地下水循环也可能对气候水文敏感性产生影响。

该项研究从理论上量化了非稳态气候条件对流域水文和水资源的作用机理,解释了耕地灌溉取用地下水对流域气候水文敏感性的影响,为评估气候变化和人类活动对区域水资源的联合影响提供了重要科学依据。

图1. 美国12个流域水储量逐年增量比率随干旱指数的变化

 

图2. 耕地影响流域状态变量在Budyko空间的演化路径(虚线为有耕地的情况)

上述成果发表于国际水资源研究顶级期刊《Water Resources Research》上,Han, P. F., Istanbulluoglu, E., Wan, L., & Wang, X. S.* (2021). A new hydrologic sensitivity framework for unsteady‐state responses to climate change and its application to catchments with croplands in Illinois. Water Resources Research, 57:1-28. DOI: 10.1029/2020WR027762. [IF2020=5.24]

全文链接:https://doi.org/10.1029/2020WR027762


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