未来气候情景下湘江流域水源供给能力的时空变化

发布时间：2020-08-15 11:09

【摘要】：近些年来,因为受到气候变化与人类活动的影响,世界各地生态系统与水资源的问题日益突出严重。评估未来气候变化对水源供给能力的影响,对于制定合理健全的水资源管理和开发策略以及生态系统的保护都具有重要的意义。本文以中国南部典型的亚热带季风气候流域——湘江流域为研究区,利用SDSM(Statistical Downscaling Model)统计降尺度模型结合InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem and Tradeoffs)生态系统服务模型预测和分析了当前和未来气候变化情景下的流域水源供给时空变化。从而探究了未来气候变化对湘江流域水源供给时空分布的影响,以期为流域水资源高效、科学、可持续的合理开发利用和有效分配提供有价值的参考依据。论文的主要内容和研究成果如下:(1)InVEST模型在湘江流域表现出良好的适用性,在年尺度上的模拟结果与观测序列拟合程度理想。其相对误差PBIAS 4.95%,相关系数R~2为0.74,均方根误差RMSE为75.17。而且在对2000、2005、2010和2015年四期湘江流域水源供给模拟中,表现出InVEST模型能够很好地模拟出湘江流域年尺度的水源供给时空变化。(2)SDSM模型在湘江流域也表现出较好的适用性,能够很好地模拟出湘江流域年尺度上的最高、最低气温和降水变化。其中对降水的模拟R~2达到了0.54,RMSE为165.7 mm。而对气温的模拟更好,R~2都达到了0.96以上,RMSE最高也只有0.4℃。(3)利用气象站点数据、NCEP(National Centers for Environmental Prediction)再分析数据和大气环流模式(CanESM2)下的两种典型浓度路径(Representative Concentration Pathways,RCP),RCP2.6和RCP4.5情景数据。基于SDSM模型模拟预测了湘江流域未来三个时间段2020s(2020-2035)、2050s(2050-2065)和2080s(2080-2100)的气候变化情景。结果表明在RCP2.6情景下,2020s和2050s时段内最低和最高气温均有所升高,2080s时段内,最低气温不再继续增长,最高气温甚至有所下降,不过相对基准期(2000-2015年)仍分别升高了约0.5℃和0.8℃。而在RCP4.5情景下未来三个时段内的最低和最高气温均呈不断上升的趋势,到2080s时段,最低和最高气温相对基准期分别升高了约1.5℃和1.4℃;而降水在两个情景下的2020s时段内变化都不大,在2050s时段内相对基准期的多年平均降水量,RCP2.6情景下增加约9%,RCP4.5情景下增加约18%。而在2080s时段内相对基准期的多年平均降水量,RCP2.6情景下增加约10%,RCP4.5情景下增加了约20.4%。(4)以SDSM模型模拟预估的湘江流域未来气候要素作为输入驱动InVEST模型,预估湘江流域未来气候变化情景下的水源供给时空分布变化。结果表明未来湘江流域在2020s时段内,两种情景与基准期的水源供给相差无几。在2050s时段内,湘江流域水源供给量在RCP4.5情景下比在RCP2.6情景下相对基准期高出了很多,在RCP2.6情景下增加了约18.8%,而在RCP4.5情景下增加了约33%,为9.4×103 m~3ha~(-1)。在2080s时段内,RCP4.5情景下湘江流域水源供给量依旧涨幅很高,相对于基准期增加了约33.5%,而在RCP2.6情景下增长了约19.3%。
【学位授予单位】：湖南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TV213.4;TU991.11
【图文】：

技术路线图,研究论文,湘江流域,未来气候变化

InVEST 模型，预估湘江流域未来气候变化情景下的水源供给时空分布变化。1.3.2 技术路线图本文的基本流程框架如图1-1。图 1-1 研究论文的基本框架Figure 1-1 The frame of the study

点分布,湘江流域,气象站,流域面积

衡山山脉与资水相连，位于北纬 24°30′至 28°40′之间，东经 110°30′和114°30′之间，横跨广西、江西、湖南等省份。本文以湘江流域在湖南省境内的部分为研究区（图2-1），流域面积约为8.5 万平方公里，包括永州、郴州、衡阳、娄底、株洲、湘潭、长沙、岳阳等 9 市 67 个县市区，约占总流域面积的 88.9%，占湖南全省总面积的40%。图2-1 湘江流域及其气象站点分布图Figure 2-1 Location of the Xiangjiang River Basin, digital elevation model (Elevation, m) andmeteorological stations

框架图,水量平衡,框架图

InVSEST 模型中的产水量模块是模拟和分析水资源的关键模块，它简化了汇流过程，不做地表水、地下水、基流的区分，而是基于水量平衡理论直接计算子流域上的产水总量（即水源供给量），水量平衡框架图如图3-1 所示。图 3-1 水量平衡框架图[42]. 水循环被简化为仅包括有颜色的参数，忽略了灰色参数Figure 3-1 Conceptual diagram of the water balance model used in the InVEST water yieldmodel[42]. Only parameters shown in color are included, and parameters shown in grey are ignored模型的建立是基于Budyko 水热耦合理论[64]和年平均降水量数据。研究区每个栅格单元x的年水源供给量 Y ( x )定义如下：( )( ) (1 ) ( )( )AET xY x P xP x= （3-1）其中 AET ( x )表示栅格单元的年实际蒸散量， P ( x )表示栅格单元的年降水量。对于植被的土地利用类型，水量平衡公式中的蒸散发通过Budyko 水热耦合平衡假设公式计算[65, 66]：

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