气候变化对特克泽流域上游水文和水资源的影响：多数据集和多模型评估方法
文献类型：学位论文
| 作者 | Kidane Welde Reda |
| 答辩日期 | 2023-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 汤秋鸿 |
| 关键词 | 气候变化 水文情势 水文极值 土地利用/覆盖变化 时空变化分析 特克泽流域上游 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 英文摘要 | 本文主要研究了特克泽流域上游（UTB）的气候变化、水文过程和水资源。UTB是埃塞俄比亚北部中尺度盆地的代表，是埃塞俄比亚及其下游国家（苏丹和埃及）灌溉和水力发电的最重要的水源。整个非洲之角尤其是UTB，经常发生干旱和洪水，这在某种程度上与气候变化相关。UTB的特点不仅在于气候变化，还在于人为影响的、严重的土地退化和农业扩张。这些因素加上该流域崎岖的地形条件以及流域观测数据的缺乏，使得UTB的水文过程难以被量化评估。因此，本文试图利用多数据集进行建模研究气候变化对UTB水文状况和水文极值的影响。本研究包含四个主要部分。 （1）全球网格化降雨和温度数据集的评估：卫星和再分析气候数据集在水文气候研究中的可用性及其适用性得到了极大的改善。然而，这些气候产品仍有相当大的不确定性，在特定地区应用时需要对产品进行评估。UTB之前的一些研究只关注卫星降雨产品。虽然温度也是该地区水文气候研究的关键参数，但基于再分析的气候数据集通常比基于非再分析的数据集提供更好的空间覆盖率。因此，本部分研究的目的是根据1982年至2016年特克孜河上游流域（UTB）的地面观测结果，评估9个网格化温度和降水数据集的可靠性。在日尺度和月尺度上评估降水量、最高温度（Tmax）、最低温度（Tmin）和平均温度（Tmean）。时间序列比较、累积降雨量、强度组、历史干旱事件（SPI）、极端高温和炎热天数被用作评估指标。 结果表明，降水量的最佳估计值来自针对模块间影响模型相互比较项目（EWEMBI）进行了合并和偏差校正的EartH2Observe、WFDEI和ERA中期再分析数据和气候灾害组红外降水量与台站数据（CHIRPS）数据集。EWEMBI和CHIRPS在两个时间尺度上的百分比偏差和相关系数（CC）分别在+15%和>0.5范围内。所有产品都低估了标准化降水指数所定义的干旱情况，EWEMBI和CHIRPS数据集与观测结果的一致性高于其他数据集。ERA5和CHIRTS得出的平均温度估计值最接近观测值，日尺度的CC分别为0.65和0.55。CHIRTS和EWEMBI数据集的Tmax（Tmin）估算结果更好，在月度时间尺度上，CC分别为0.69（0.72）和0.62（0.68）。ERA5（Tmean）、CHIRTS（Tmax）和EWEMBI（Tmin）数据集更好地捕获了温度极值。本研究的结果为UTB流域的水文气象研究该如何选择最合适的数据集提供了参考信息，并有助于改进全球数据集的区域代表性。 （2）基于卫星和再分析的降雨量估算评估：空间降雨量数据是参数化分布式水文模型的重要输入，也是水文模型不确定性的主要因素。在将卫星数据和再分析降雨产品应用到流域尺度之前，应解决两个重要问题：1）这些降雨估算作为区域水文建模的外强迫数据有多大用处？2）在高流量和低流量条件下，应首选哪个？本研究旨在评估一种基于卫星的降雨产品的适宜性和充分性，即Climate Hazards Group InfraRed Precipitation with Stations （CHIRPSv8）和一种称为EartH2Observe的再分析产品，WFDEI和ERA中期再分析数据根据部门间影响模型相互比较项目（EWEMBI）进行数据融合和偏差修正，以模拟UTB区域水平衡。CHIRPSv8和EWEMBI产品是根据我们之前在第1部分中的经验选择的，并在特克孜河上游流域（UTB）的三个水文站进行了评估。 结果表明，CHIRPSv8和EWEMBI的日降雨量与雨量计数据接近，相对误差分别为2.12%和3.85%。由CHIRPSv8和EWEMBI驱动的SWAT模型模拟的月径流的Kling-Gupta效率分别为0.6-0.79和0.58-0.64。CHIRPSv8和EWEMBI在丰水期的水文性能均优于枯水期。特别是，CHIRPSv8的水文性能相对优于EWEMBI。本研究深入了解了网格化降雨产品在水文建模中的作用，并探究在何种条件下，它们才可以用于UTB和其他相关流域水文模型的输入，生成一个合理的和可靠的结果。一般来说，CHIRPSv8和EWEMBI降雨估算数据可作为水文建模和应用的替代输入，特别是对于数据稀疏和没有水文站的流域，如UTB。 （3）分离LULC和气候变化对流量极值的影响：气候和LULC动态都可能影响水文过程。在过去几十年中，在东非高原地区观察到了气候变异性和LULC。然而，尚不清楚这些驱动因素是如何以及在多大程度上促成水文极端情况的变化。作为东非高地的一个案例研究，在埃塞俄比亚上特克孜流域分别评估了LULC和气候变异性对水文极端值的影响，包括量级、持续时间和频率指标。气候和土地利用变化对流域水文影响的相对贡献是通过SWAT模型结合单因素逐次分析得出的。分别利用LULC和水文气候的数据在1986-2015年间进行了5次模拟实验。 研究结果表明，UTB年径流量增加，在降雨量无显著变化和温度显著上升（0.02°C/年）的情况下，其增加趋势为9.36m3/s/年。低流量持续时间减少了-5.01天/年，而高流量极端值（以最干旱月份的最大高流量和每年的高流量持续时间表示）的大小和发生率分别增加了5.23 m3/s/年和5.11天/年。在过去31年中，观察到LULC发生了显著变化。大约47.42%的土地景观改变了类别。特别地，不透水表面/岩石区域在2015年成为主要的土地类型，在过去三十年间（1986-2015年）此类面积增加了82%。这些年主要是裸露土壤（53.1%）、沙地（39.5%）和低生物量区域（21.3%）变为不透水表面/岩石区域，分别占2015年总不透水面/岩石区域的25.9%、6%和21%。还检测到LULC变化对高（低）流量指标有着显著的正（负）贡献。此外，这些反映流量极值的指标似乎没有受到气候变化的影响。因此，土地利用变化，特别是不透水面面积的扩大，可能是UTB径流量变化的关键驱动因素。本研究在帮助利益相关者和决策者设计UTB流域土壤和水管理的措施时提供了重要的参考依据，应更加关注LULC的变化，该研究也可以用作其他东非高地的评估的参考案例。 （4）气候变化对未来水文状况影响的量化：（GCM）已广泛用于评估未来水文变化。GCM的集合通常与水文模型结合对未来水文状况进行预测。然而，由于GCM再现区域气候变化会产生差异，这种方法可能有相当大的不确定性。在本研究中，我们使用了两种多模型集成策略（简单平均和基于流量的加权），将GCM预测与水文模型相结合，以确定其再现流量经验累积分布函数的能力。多个GCM的温度和降水预测用于驱动UTB流域的SWAT模型。 结果表明，与参考期（1981-2022年）相比，使用这两种集合策略，长期的预测显示日平均气温将上升，而在近期（2040s: 2023-2061年）和远期（2080s: 2062-2100年）的预测降水中未发现明显的趋势。据预测，5月至10月的径流量将减少，UTB三个站点的12月至3月的径流量变化可忽略不计。流量加权集合策略在重现水文情况方面优于平均值策略，可以对水文变化做出更稳健的预测。然而，这两种集合策略都低估了流量极值的频率和大小。因此，多个GCM集合共同预测的极端流量的量级范围也可以为未来水资源规划提供关键信息。各个子流域的水文成分变化具有明显的异质性。观测到蒸发量增加、地表径流和土壤水分减少。水文要素在气候变化条件下的脆弱性表现出明显的空间变异性。总的来说，我们的研究结果表明，未来的水资源规划和发展需要充分考虑气候变化的影响。 |
| 语种 | 英语 |
| 页码 | 195 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/199887]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | Kidane Welde Reda. 气候变化对特克泽流域上游水文和水资源的影响：多数据集和多模型评估方法[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2023. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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