【作者】 孙善磊
【关键词】 水文循环 植被变化 鄱阳湖流域 SWAT模型 气候变化
【导师姓名】陈海山;居为民
【学位名称】博士
【学位年度】2012
【授予单位】南京信息工程大学
【分类号】 P333
【录入时间】2017-05-14
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【摘要】近年来,随着气候变化的加剧和CO2浓度的升高,水文循环发生了显著的改变。但是,作为地气系统相互作用的重要组成部分,植被生理结构(气孔导度和LAI)的变化对水文循环的影响并未得到足够的重视,从而在计算水循环分量和探讨地表水循环变化原因方面存在着一定的不足。鉴于原始的SWAT (Soil&Water Assessment Tool)模型未考虑CO2浓度的动态变化和不同植被生理结构(气孔导度和LAI)对CO2浓度响应方面的差异,本文针对植被气孔导度和LAI变化对植被蒸腾发影响这一十分重要的物理过程,改进了SWAT模型的植被生长模块,对比分析了改进后模型在鄱阳湖流域四个相对封闭子流域的水文过程模拟能力；并利用改进后模型定量评价了1971-2005/2003年气候和植被变化对蒸散发及河川径流的贡献；同时,结合未来三种气候情形(SRESAIB、SRESA2和SRESB1),预估了径流和蒸散发相对1971～1999年的变化情况。(1)揭示了1961～2005-003年各流域水文气候要素的变化特征：梅港、赛塘、高沙和峡山流域和水文气候要素发生了显著的变化。降水和径流增加,而蒸散发下降；其他气候因子变化基本一致。平均和最低温度、相对湿度均一致显著增加；梅港、赛塘和峡山流域最高温度略微上升,而高沙流域略有下降(-0.003℃year’1);2m风速和太阳净辐射均表现为显著下降。但各流域水文气候要素的变化幅度在流域间存在显著差异；(2)改进了SWAT模型并评价了其对水文过程的模拟能力：原始和改进后模型的月、年径流(蒸散发)模拟值与观测值相关系数(R)均在0.90以上；径流的模拟效果基本处于同Nash-Suttcliffe效率系数(Ens)评价等级(甲等或乙等)；改进后模型模拟的月蒸散发的平均相对误差(MRE)均较原始模型不同程度的减小。准确地评价蒸散发量是估算水资源量的关键,改进后模型在保证径流模拟效果较好的前提下,对蒸散发的模拟得到了很大的改善；(3)通过设计若干敏感性试验,基于改进后的SWAT模型,定量评价了气候和植被变化对当代地表水分平衡变化的贡献：梅港、赛塘、高沙和峡山流域年蒸散发下降的主要原因是风速减小,贡献百分比均在69%以上,其中,尤以梅港(133.03%)和高沙流域(119.22%)最为明显；植被变化(植被气孔导度和LAI)对年蒸散发的下降有一定贡献(均未超过0.1mm year-1),且均小于其他气候因子。梅港、赛塘和高沙流域径流增加的主因是降水增加,贡献百分比均在70%以上,其中,梅港流域为最大(88.79%),而峡山流域年径流变化的主要原因是际蒸散发；各流域植被变化(气孔导度和LAI)对年径流变化的影响较为有限,其贡献均未超过0.05m3s-1year-1;(4)基于2011～2090年三种气候情形(SRESAIB、SRESA2和SRESB1),利用改进后SWAT模型预估了未来地表水分平衡相对1971～1999年的变化：2011～2090年模式间平均降水等主要气候因子、蒸散发和径流均发生了不同程度的变化。总体来讲,三种气候情形下,模式平均年降水、年蒸散发和年径流分别表现为减少、增加和减小的趋势；但变化幅度在不同气候情形间存在差异,且在SRESA2情形下变化最为明显。...
【全文】近年来,随着气候变化的加剧和CO2浓度的升高,水文循环发生了显著的改变。但是,作为地气系统相互作用的重要组成部分,植被生理结构(气孔导度和LAI)的变化对水文循环的影响并未得到足够的重视,从而在计算水循环分量和探讨地表水循环变化原因方面存在着一定的不足。鉴于原始的SWAT (Soil&Water Assessment Tool)模型未考虑CO2浓度的动态变化和不同植被生理结构(气孔导度和LAI)对CO2浓度响应方面的差异,本文针对植被气孔导度和LAI变化对植被蒸腾发影响这一十分重要的物理过程,改进了SWAT模型的植被生长模块,对比分析了改进后模型在鄱阳湖流域四个相对封闭子流域的水文过程模拟能力；并利用改进后模型定量评价了1971-2005/2003年气候和植被变化对蒸散发及河川径流的贡献；同时,结合未来三种气候情形(SRESAIB、SRESA2和SRESB1),预估了径流和蒸散发相对1971～1999年的变化情况。(1)揭示了1961～2005-003年各流域水文气候要素的变化特征：梅港、赛塘、高沙和峡山流域和水文气候要素发生了显著的变化。降水和径流增加,而蒸散发下降；其他气候因子变化基本一致。平均和最低温度、相对湿度均一致显著增加；梅港、赛塘和峡山流域最高温度略微上升,而高沙流域略有下降(-0.003℃year’1);2m风速和太阳净辐射均表现为显著下降。但各流域水文气候要素的变化幅度在流域间存在显著差异；(2)改进了SWAT模型并评价了其对水文过程的模拟能力：原始和改进后模型的月、年径流(蒸散发)模拟值与观测值相关系数(R)均在0.90以上；径流的模拟效果基本处于同Nash-Suttcliffe效率系数(Ens)评价等级(甲等或乙等)；改进后模型模拟的月蒸散发的平均相对误差(MRE)均较原始模型不同程度的减小。准确地评价蒸散发量是估算水资源量的关键,改进后模型在保证径流模拟效果较好的前提下,对蒸散发的模拟得到了很大的改善；(3)通过设计若干敏感性试验,基于改进后的SWAT模型,定量评价了气候和植被变化对当代地表水分平衡变化的贡献：梅港、赛塘、高沙和峡山流域年蒸散发下降的主要原因是风速减小,贡献百分比均在69%以上,其中,尤以梅港(133.03%)和高沙流域(119.22%)最为明显；植被变化(植被气孔导度和LAI)对年蒸散发的下降有一定贡献(均未超过0.1mm year-1),且均小于其他气候因子。梅港、赛塘和高沙流域径流增加的主因是降水增加,贡献百分比均在70%以上,其中,梅港流域为最大(88.79%),而峡山流域年径流变化的主要原因是际蒸散发；各流域植被变化(气孔导度和LAI)对年径流变化的影响较为有限,其贡献均未超过0.05m3s-1year-1;(4)基于2011～2090年三种气候情形(SRESAIB、SRESA2和SRESB1),利用改进后SWAT模型预估了未来地表水分平衡相对1971～1999年的变化：2011～2090年模式间平均降水等主要气候因子、蒸散发和径流均发生了不同程度的变化。总体来讲,三种气候情形下,模式平均年降水、年蒸散发和年径流分别表现为减少、增加和减小的趋势；但变化幅度在不同气候情形间存在差异,且在SRESA2情形下变化最为明显。