基于GIS与RIEMS的黑河流域陆—气系统水文循环特征研究

发布时间：2017-04-09 03:19

  本文关键词：基于GIS与RIEMS的黑河流域陆—气系统水文循环特征研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：陆-气系统水文循环密切联系大气水、地表水与生态水,其变化深刻影响到全球水资源系统与生态演变,开展变化环境下流域尺度陆-气系统水文循环研究成为当前发展趋势。水资源先天性短缺的干旱半干旱区,经济与生态可持续发展对水资源双重依赖。黑河流域具备内陆河流域独特的区域水文功能差异与典型的地表水文循环过程,区域人类活动历史悠久,伴随社会经济的飞跃发展,区域经济活动用水与生态环境用水矛盾突出。全面认识黑河流域的水汽分布、水汽输送、水汽收支与降水量时空分布特征,深刻理解黑河流域文循环过程及特征,对实现内陆河流域的区域水资源开发利用和合理配置,以及干旱区水文-生态-经济的可持续发展均具有十分重要的意义。论文以黑河流域高分辨率区域气候模式输出的1980-2010年期间11个标准等压面3km×3km分辨率的6小时大气温度、比湿、经向风和纬向风数据为主要数据,基于环流背景场理论与地形抬升降水效应理论构建基于物理机制的分布式降水模型,详细分析了陆-气系统水文循环中包括区域上空水汽含量、水汽输送、和水汽收支等大气水文过程与降水的时空分布特征,结合区域的实际蒸散发量与径流量等,探讨了黑河流域上中下游及全流域陆-气系统水文循环的基本特征,主要研究结论如下：(1)流域上空整层水汽含量低值区位于上游,高值区位于下游,尽管季节性差异明显,但其基本分布格局基本不变。全流域多年年均水汽含量介于31.73～125.62mm之间,平均为101.08mm,上中下游年均水汽含量分别为59.24mm、107.05mm和112mm。冬季1月全流域水汽含量最小,介于0.88-4.00mm之间,平均为3.21mm,上中下游的水汽含量分别为1.62mm、3.34mm和3.67mm；夏季7月水汽含量达到最大,全流域水汽含量介于6.26～23.00mm之间,平均为18.70mm,上中下游的平均水汽含量分别为11.37mm、19.50mm和20.74mm。秋季10月月均水汽含量高于4月份的月均水汽含量。(2)流域上空纬向西风输送和经向北风输送为主,在1、4、7和10月的季节代表月份中,上游与下游仅7月水汽收支为正；而中游的水汽收支均为正值。流域上空多年年均水汽输送通量为3039.97～7392.36g/(cm·s),冬季1月月均水汽输送通量最小,约为420.95～133.08g/(cm·s);夏季7月水汽输送量最大,其值为928.44～395.92g/(cm·s);秋季的水汽输送量大于春季。流域各区全年、冬季1月、春季4月和秋季10月的纬向水汽输出量大于纬向水汽输入量,水汽净收支为负,纬向水汽输送不仅作为“过境水”方式越过区域上空,同时带走了大量区域蒸发水汽,造成水汽亏损；夏季7月,纬向输送为中下游带来了大量水汽,净水汽收支为正。经向水汽输入与水汽输出所占比例较小,但成为区域水汽盈余的主要来源；夏季上游山区中东部地区及流域东部边缘出现南风水汽输送。全流域全年净水汽收支为255.32亿m3,在4个季节代表性月份中,仅夏季7月的水汽净收支为正,达到125.14亿m3,其他季节代表性月份水汽净收支为负。与全流域一样,上游和下游在季节性代表月份中仅夏季水汽收支为正,其他水汽净收支均为负值。上游全年水汽收支量为23.73亿m3,其中夏季7月的水汽净收支达21.58亿m3；下游全年水汽收支量为11.54亿m3,夏季7月的水汽净收支达43.32亿m3。中游在四季代表性月份的水汽净收支都为正,夏季7月的水汽净收支最大,达61.94亿m3,全年净水汽收支量达225.73亿m3。(3)因地形抬升降水效应引发的流域降水空间分布特征呈现与其上空水汽含量、水汽通量分布相反的格局,上游为降水量高值区、下游为降水量低值区,境外输入水汽与区域本地蒸发对降水的贡献因季节而异。1月境外输入水汽对各区降水的贡献最高,7月份最低；区域本地蒸发对降水的贡献则相反。环流背景场年均理论降水介于0.07384-98.79mm之间,降水高值区以张掖、临泽及金塔为中心分布在中游,上游与下游的理论降水较少,降水低值区在下游连片分布。地形抬升降水效应主要发生在上游山区,其区域地形降水效应介于-19.41～20.92mm之间。冬季1月最小,夏季7月最大。受来自各季节不同方向大气环流的影响,地形抬升理论降水的空间分布不同,冬季1月、春季4月与秋季10月上游山区地形降水效应的低值区与高值区成对出现,呈现犬牙交错分布；而夏季7月上游成为降水高值区。全流域年均降水量为139mm,其中90%的降水量来源于境外输入水汽,10%来源于区域蒸发水汽；上游年均降水量为425mm,其中90%的降水量来源于境外输入水汽,10%来源于区域蒸发水汽；中游年均降水量为147mm,其中93%的降水量来源于境外输入水汽,7%来源于区域蒸发水汽；下游年均降水量为46mm,95%的降水量来源于境外输入水汽,5%来源于区域蒸发水汽。上中下游及全流域冬季1月境外输入水汽的贡献分别达到97%、99%、99%和98%,区域蒸发水汽对降水的贡献分别达到3%、1%、1%和2%；而夏季7月区域蒸发量对降水的贡献增多,上中下游及全流域降水分别为14%、11%、9%和15%。(4)上游的水文外循环和水文循环较弱,但水文内循环较强,水汽交换频繁,水汽滞留时间最短,转化效率最高,与上游降水量最多的事实一致。中游的水文外循环最高,但水文循环不高,水汽的滞留较长,转化效率低。而下游的水文循环最高,水文内循环最低,水文外循环较低,水汽很难形成降水,水汽不活跃,转化效率最低,与区域干旱少雨现象一致。水文循环特征在各区高温高湿的夏季7月份表现最为活跃,而在干冷的冬季1月表现较弱。水文外循环系数运用区域上空水汽净收入量转化为降水的次数,衡量境外水汽参与降水的活跃程度,全流域的水文外循环系数为1.52,上中下游的水文外循环系数分别为0.24、6.27和0.34。水文内循环系数表示区域蒸发量对区域降水的贡献,反映区域内部水循环的活跃程度,全流域的水文内循环系数为10%,上中下游的水文内循环系数分别为18%、5%和3%。水文循环系数表示境外水对区域降水的贡献,上中下游及全流域的水文循环系数分别是90%、93%、99%和90%。水汽滞留时间表示区域上空水汽含量完全转化为降水所需天数,水汽滞留时间越短,水汽转化为降水的效率越高。上中下游及全流域的水汽滞留时间分别是4.24、22.15、74.20和22.12,水汽转化效率则与水汽滞留时间相反。流域各区夏季7月的水文循环系数和水文内循环系数均达到最大值。上中下游及全流域夏季7月的水文循环系数分别为1.14、7.9、4.39和3.41次,水文内循环系数分别为25%、10%、9%和18%；冬季1月,除中游水文循环系数升高至9.37外,其他均达到最低值；上游、下游和全流域冬季1月的水文循环系数均接近0,水文内循环系数分别为2%、2%、1%和2%。在各区的水汽滞留时间中,仅上游在春季4月,夏季7月,秋季10月和年均水汽滞留时间少于10天,分别为6.85、4.23、6.81和4.24天,以夏季7月的滞留时间最短,水汽转化效率最高。中游在各季节代表性月份的水汽滞留时间均小于下游。
【关键词】：黑河流域 高分辨率区域气候模式 RIEMS 水汽收支 物理机制分布式降水模型 陆-气水文循环特征
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P339
【目录】：

• 中文摘要4-7
• ABSTRACT7-18
• 第一章 绪论18-34
• 1.1 陆-气系统水文循环18-19
• 1.2 选题背景19-20
• 1.3 研究意义20-21
• 1.4 国内外研究进展21-30
• 1.4.1 水汽含量与水汽输送21-22
• 1.4.2 大气水文循环22-25
• 1.4.3 陆-气系统水文循环25-26
• 1.4.4 大气降水26-30
• 1.5 存在问题与发展趋势30-31
• 1.6 研究目标和研究内容31
• 1.6.1 研究目标31
• 1.6.2 研究内容31
• 1.7 技术路线与论文框架31-34
• 1.7.1 技术路线31-32
• 1.7.2 论文组织32-34
• 第二章 研究区概况34-40
• 2.1 地质地貌35-36
• 2.2 气象气候36-37
• 2.3 水文水资源37-38
• 2.4 植被土壤38
• 2.5 人类活动38-40
• 第三章 研究数据与研究方法40-68
• 3.1 数据源40-43
• 3.1.1 地形数据40
• 3.1.2 气象气候数据40-43
• 3.1.3 水文观测台站的水量数据43
• 3.2 数据预处理43-47
• 3.2.1 空间数据管理43-44
• 3.2.2 流域边界概化44-45
• 3.2.3 流域地形特征处理及地形因子提取45-46
• 3.2.4 降水台站数据的校核与整理46-47
• 3.3 降水台站地形代表性分析47-52
• 3.3.1 降水台站的空间分布48-49
• 3.3.2 降水台站对泰森多边形区地形代表性的空间分布49-50
• 3.3.3 降水台站对高程带地形代表性的空间分布50-51
• 3.3.4 降水台站地形代表性的综合分析51-52
• 3.4 黑河流域高分辨率区域气候模式数据的验证52-61
• 3.4.1 多年各月大气温度、比湿和风速的对比53-55
• 3.4.2 不同等压面的大气温度、比湿与风速的月变化差异分析55-61
• 3.5 大气水文循环参数的计算61-65
• 3.6 研究方法65-68
• 3.6.1 误差统计参数65-66
• 3.6.2 Kriging66-68
• 第四章 近30年来黑河流域上空水汽含量与水汽输送特征68-83
• 4.1 整层大气水汽含量的空间分布68-71
• 4.1.1 多年年均水汽含量的空间分布68-69
• 4.1.2 各季代表性月份平均大气水汽含量的空间分布69-71
• 4.2 整层水汽输送空间分布71-81
• 4.2.1 多年年均水汽水平输送空间分布71-73
• 4.2.2 季节代表性月份的平均水汽水平输送空间分布73-81
• 4.3 小结81-83
• 第五章 黑河流域起伏地形下降水空间分布精细化估算83-104
• 5.1 环流背景场理论降水估算83-88
• 5.1.1 环流背景场理论降水估算模型构建83-85
• 5.1.2 环流背景场理论降水的空间分布85-88
• 5.2 地形抬升降水效应理论估算88-97
• 5.2.1 地形对降水量的影响88-89
• 5.2.2 地形抬升降水效应理论估算模型构建89-92
• 5.2.3 地形抬升降水效应的空间分布92-97
• 5.3 起伏地形下综合降水估算97-100
• 5.3.1 起伏地形下综合降水估算模型的构建97
• 5.3.2 起伏地形下综合降水模型的降水空间分布97-100
• 5.4 起伏地形下综合降水估算模型验证与比较100-101
• 5.4.1 起伏地形下综合降水估算模型的验证100-101
• 5.4.2 起伏地形下综合降水估算模型的比较101
• 5.5 小结101-104
• 第六章 黑河流域陆-气系统水文循环特征104-125
• 6.1 陆-气系统水文循环各水文过程104-116
• 6.1.1 上中下游及全流域上空的整层大气平均水汽含量104
• 6.1.2 上中下游及全流域上空的整层大气水汽收支104-113
• 6.1.3 上中下游及全流域降水、地表蒸散发以及地表径流113-114
• 6.1.4 上中下游及全流域的降水来源分配114-116
• 6.2 上中下游及全流域陆-气系统水循环特征分析116-122
• 6.2.1 上中下游及全流域陆-气系统水文过程转化特征116-121
• 6.2.2 上中下游及全流域陆-气系统水文循环特征121-122
• 6.3 小结122-125
• 第七章 结论与展望125-130
• 7.1 结论125-128
• 7.2 创新点128
• 7.3 展望128-130
• 参考文献130-134
• 附图134-140
• 在学期间的研究成果140-141
• 致谢141

【参考文献】

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本文编号：294348