气候变化对水文循环的影响
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气候变化对水文循环的影响范文第1篇
水是生命之源，水是支撑地球社会经济系统发展不可替代的资源。但是，由于全球变化、人类活动的负面影响，地球上水的循环在发生变化，许多地区正在发生严重的水的问题与危机，如洪水、干旱和江河水体污染，而成为限制国家河区域可持续发展的关键性因子，水科学问题也成为国际地球科学发展中的一个重要方面。
2001年7月在世界知名海岸水利工程建设的荷兰王国连续举办了两个直接与水科学有关的大型国际科学大会。一个是7月10-13日在荷兰阿姆斯特丹（Amsterdam）由国际地圈生物圈计划（IGBP）、国际人文计划（IHDP）和世界气候研究计划（WCRP）联合举办的“全球变化科学大会(GlobalChangeOpenScienceConference)”。国际地圈生物圈计划（IGBP）是国际著名的全球变化科学研究计划，受到国际地球科学届广泛的关注和参与。在跨入2000后的IGBP首次重要国际学术活动-“全球变化科学大会”云集来自国际的100多个国家的全球变化研究的专家学者、管理者约1600多人。大会主题是：一个变化的地球的挑战（ChallengesofaChangingEarth）。中国派出以科学院为主体的约60多人的代表团，进行学术交流和讨论，其中除了碳循环和土地覆被变化是大会主要议题外，水循环及水资源是大会重要内容之一。
另一个是7月18-27日在荷兰的马丝特里特（Masstricht）举行的第6届国际水文科学大会。(The6thScientificAssemblyoftheInternationalAssociationofHydrologicalScience)。这是一次专门针对国际水文科学进展的回顾和研讨大会，来自国际60多个国家的500名代表出席了大会。第6届国际水文科学大会的主题是：一个干旱地球新的水文学（ANewHydrologyforaThirstyPlanet）。
受国家自然科学基金委员会地球科学部的部分资助，笔者应邀参加这两个大会，并担任第6届国际水文科学大会第二学术研讨会的分会主席。本文是对这两个国际会议中关于水科学研究进展的综述，希望介绍水科学方面一些新的进展，提出我国对国际水科学的贡献和存在的问题与挑战。
二.全球变化与水文科学问题
全球环境变化（简称全球变化）是目前和未来人类和社会发展面临的共同问题。全球变化既包涵全球气候变化又包括了人类活动造成环境变化的影响。了解自然变化和人类活动的影响是国际地球科学发展最为关系的问题。
7月10-13日在荷兰阿姆斯特丹举办的“全球变化科学大会”，内容十分丰富。但都围绕有两大主专题，即：（1）一个不断变化的地球的挑战：对全球变化的科学理解。（2）展望未来：地球系统科学与全球可持续性。大会邀请若干专家学者做报告，在大会研讨中设立一系列专题研讨会和招贴展示论文。
大会专题报告内容有：
·一个不断变化的地球的挑战：对全球变化的科学理解（BerrienMoore）
·土地变化的集中性与复杂性：虚构与现实（B.L.Turner）
·气候变化与海洋生态系统动力学：可持续资源利用的内涵（MichaelJ.Fogarty）
·21世纪中的粮食：全球气候的差异性（MachendraShah）
·人类时期的大气化学（PaulJ.Crutzen）
·火与薄雾：东南亚空气质量的社会与政治因素上的不均性（SimonS.C.）
·海洋和陆地碳动力学（IanR.Noble）
·碳与科学政策的联系：京都的挑战（RobertT.Watson）
·对CO2挑战的工业响应（CharlesNicholson）
2．水与全球变化的关联：世纪资源的挑战？（LeenaSrivaatava）。
·我们会有足够的高质量的水吗？（HartmutGrassl）
·水会满足人们的需要吗？（PeterD.Tyson）
·大坝对渔业的影响：三峡大坝实例研究。Chen-TungArthurChen教授，台湾，国家SunYat-Sen大学，海洋地理和化学学院。
·澳大利亚大陆上的水，碳和氮：气候和土地利用变化的影响（MichaelRaupach）
3．全球生物地球化学：星球新陈代谢系统的理解（PamelaMatson）
·海洋生物地球化学：变化的海洋（DavidM.Karl）
·陆地上碳的过去、现在和未来（RobertJ）
·大气酸雨、臭氧损耗和气候变化的案例分析（OranR.Young）
4．陆地—海洋的交互作用：区域与全球的联系。（RogerHarris）
·生物地球化学的交互作用与反馈（TimJickells）
·沿海地区的全球变化：东南亚的实例研究（LianaTalaue-McManus）
5．气候系统：预报、变化和可变性
·以前和以后的气候变化：我们究竟去何处（ThomasF.Pedersen）
·气候变化的1000年（RaymondS.Bradley）
·正在变化的寒区：高纬区全球变暖的影响（OlegAnisimov）
·耦合气候系统：可变性和可预测性（AntonioJ.Busalacchi）
6．土地利用变化的热点地区和地球系统：区域和全球的联系
·陆地表面与气候有联系吗？北非：撒哈拉沙漠；
·东南亚1：理解变化的亚洲季风系统：大规模植被和土地利用在水循环和气候中的作用
·东南亚2：人类引导的陆地覆盖的变化能对亚洲季风有多大的改变？
·亚马逊河流域和土地利用的变化：未来能平衡吗？
·陆地表面与气候有联系吗？一种综合。
7．模拟和观测地球系统（DavidCarson）
·处理地球系统的复杂性和不确定性（H.J.Schellnhuber）
·监视地球系统的短期不稳定性和长期的趋势：一个空间的挑战（JoseAchache）
·虚拟现实的过去、现在和未来（JohnMitchell）
8．地球系统需要生物多样性吗？（AnneLarigauderie）
·为什么地球系统科学需要海洋生物多样性？（KatherineRichardson）
·生物多样性是如何影响陆地生态系统的过程与功能（SandraDiaz）
9．科技能够补偿星球吗？（MikeBrklacich）
·自然的回归：为什么和怎样进行（JesseH.Ausubel）
·工业变革：生产与消费中的探测系统变化（PierVellinga）
10．面向全球可持续性（HansOpschoor）
·区域和全球可持续性的挑战和障碍（JuliaCarabias）
·转向可持续性的研究系统（WilliamC.Clark）
·可持续性科学起源讨论：什么是可持续性科学？为什么要可持续性科学？（JaneLubcheno）
·可持续科学和气候变化（BertBolin）
·重新概念化自然-社会的交互作用：将环境和发展结合起来理解（RobertW.Kates）
·雅基盆地资源的可利用性、脆弱性和持续性：环境与社会交互作用中不可持续的发展趋势（P.A.Matson）
·人与环境相互作用的脆弱性：尤卡坦南部事例（B.L.Turner）
·各学科间的可持续性科学（RobertW.Corell）
大会专题讨论内容十分丰富，有：A1-全球碳循环；A2-大城市与全球变化；A3-南厄尔尼诺的摆动同过去、未来气候变化的联系；A4-地球系统的演化；A5-生物多样性的全球变化；A6-全球变化与火；A7-海岸区人类活动；B1-食品生产和环境间的平衡；B2-理解土地利用的变化，以致重建、描述或预测土壤覆盖度；B3-冰雪层和全球变化：制度和指标；B4-地球系统分析；B5-陆地生物圈与全球变化；B6-社会转化过程；B7-海洋与气候变化；C1-水资源对环境变化的脆弱性：一种系统方法；C2-把人放入地球系统中：受害者或是破坏者，扰乱者或是解决者?C3-大气和全球变化;C4-全球变化非线性变化和惊讶;C5-生态系统管理可持续发展的展望;C6-科学和政策过程：IPCC;C7-全球变化与山地区。
大会报告集中在水科学问题的主题有：全球变化中的水问题-21世纪资源的挑战，尤其值得提到的是7月12日下午，大会专门针对水循环水资源问题，举行了“环境变化的水资源脆弱性系统分析”学术研讨会。WCRP/GEWEX北美主席、美国地理学会水文专业委员会主席、亚利桑那大学水文水资源系的SorooshSorooshian教授介绍“WCRP/GEWEX和SAHRA计划中水问题的研究：半干旱区流域水文循环与可持续性”。德国的CharlesVorosmarty教授报告了“地球系统科学对全球水评估的贡献”。WolframMauser教授研讨欧洲GLOWA项目的核心“完整的流域管理”经验。JosephAlcamo教授指出全球“水危机区与脆弱性”。JimWallace教授强调“防洪安全与水资源问题”。ClaudiaPahl-Wostl教授研讨“面向社会经济可持续性：水管理部门职能的转变过程挑战”。
三.水文科学与水资源安全
7月18-27日第6届国际水文科学大会在荷兰的马丝特里特（Masstricht）举行。大会对过去水文水资源研究进行总结，对未来水文科学的发展进行展望。会议由4个专题学术大会（Symposium，简写为S）和6个学术研讨会(Workshop，简写为W)组成。会议主要集中在水文科学基础研究和社会经济发展与水资源研究两个方面：
1.水文学基础研究
S4.土壤-植被-大气转化方式和大尺度水文模拟
WS4.高山地区水文过程与冰圈作用
WS2.水文长期变化与气候影响
S3.人类活动对地下水动态的影响
WS6.海岸湿地水文的演化
2.社会经济发展与水资源研究
S1.社会经济发展与水危机
S2.区域水资源管理
WS1.全球变化与洪水预报
WS3.信息技术在可持续水管理的作用
WS5.GIS&RS在土壤侵蚀和水质变化的应用
特别需要指出，由于全球变化、社会经济发展，水资源问题愈来愈突出，给水文科学研究提出新的课题，即变化环境下的水资源形成与演化规律问题。IAHS会议的S1-S2，主要研讨这些国际国家和区域尺度急迫的问题。关于S1和S2的研讨内容题目摘录如下：
S1：水胁迫下的社会经济发展（E.Servat）
水源丰富，资金缺乏，水工业能否继续生存尚未可知。
·健康部门希望从水文学家那儿得到什么?
·河流生态系统的研究和管理中对水文数据的需求。
·多学科综合研究—对水危机的响应。
·食物保障中的水资源及管理。
·洪水控制与城市排水系统管理。
·全球水协作计划
S2区域水资源管理
S2-1过去水管理的经验与教训（A.SchumannM.C.Acreman，M.Marino）：
·可持续发展的度量及其在实际水管理计划中的实现。
·可持续水库发展—津巴布韦实例研究。
·Yamuna河流域的可持续区域水管理：Delhi区域的实例研究。
·Limpopo河：逐步走向可持续发展和一体化的水资源管理。
·中国新疆博斯腾湖流域的水资源可持续性发展管理经验的启示。
·印度干旱地区过去管理实践经验总结。
·水坝功能新探——一个不应忽略的问题。
·Dehli区域水资源管理的一体化进程：问题与展望。
·北尼日利亚半干旱区域的Hadejia河上建坝的影响：对未来管理的建议。
·可持续发展的特征及供水管理模型。
·澳大利亚富营养化进程的现阶段研究。
·城市水计划书——印度班加罗尔的实例研究。
·水资源系统中相对可持续发展实现的框架。
S2-2可持续发展与水资源管理（夏军，D.Rosbjerg，G.Schultz)
·为保护水生态系统的整合水质与水量的数学生态模型的发展。
·欧洲地下水可持续发展管理的指导方针。
·清除河岸异生植被是否为一种有效的水资源管理策略。
·地表水和地下水的联合管理。
·河流管理可视化中的变换系统边界。
·改善环境中被忽视的因子——监控。
·加入风险基金平衡流域经济、社会、环境压力之间的冲突。
·使用风险分析提高水资源系统模型的效率和精度。
·整合水资源管理中的角色分配。
·Volta流域的水资源竞争。
·复杂水环境管理中的空间适应方法。
S2-3水资源管理的方法（R.Davis，S.Walker）
·流域水平上的水资源管理整合模型。
·提高以决策支持系统为基础的模型的精度——水管理中的一种好的建模实践。
·持续性水系统的水力学标准。
·人工神经网络系统实现的河流洪水预报。
·气候变化影响评估中的不确定因子的概率特征。
·研究城市化对区域水资源影响的一种流域水文模型。
·水、氮循环的一种大尺度评估模型——在Elbe河流域的基础研究。
·基于地形学和土壤水文学的湿地重建计划方法的发展。
·英格兰西南部Dartmour地区放牧对水文的影响。
四.21世纪水文科学的发展机遇与展望
传统的水文学研究只考虑水量的自然变化，现代水文循环需要考虑地球生物圈、全球变化以及人类活动等方面的影响。国际地圈生物圈计划（IGBP）代表国际地球学科发展前沿，水文循环的生物圈方面(BiosphereAspectsofHydrologicalCycle，简称BAHC)是IGBP的核心之一。它注重陆面生态-水文过程与空间格局的变化规律和受人类活动影响的关键问题，以科学地解释：植被是如何与水文循环的物理过程相互作用的？改变陆面生态过程的直接原因是什么？是大尺度人类活动改变了陆面覆盖？还是大气中二氧化碳浓度增加的缘故？这些影响变化的水文后果如何？通过这些研究，为认识自然变化和人类活动影响下的土地利用/土地覆被变化与陆地表层生命物质过程，评估人类对生物圈的影响，保护环境和资源可持续利用提供科学的基础依据。
通过7月在荷兰举行的IGBP和IAHS国际学术大会可以清楚看出，变化环境（即全球变化与人类活动影响）下的水文循环研究成为21世纪水科学研究的热点。根据二十一世纪IGBP发展方向，国际上的BAHC研究重点也相应地进行了调整，主要有以下8个方面：
·小尺度水、热、碳通量研究；
·地下过程作用的评价；
·陆地-大气相互作用的参数化；
·区域尺度土地利用与气候的相互作用；
·全球尺度植被与气候的相互作用；
·气候变化和人类活动对流域系统稳定与传输的影响；
·山区水文学与生态学；
·开发全球数据集；
此外，还有两个交叉研究问题：
·设计、优选和实施综合的陆地系统实验；
·情景发展与风险/脆弱性分析。
变化环境下的水文循环及其时空演化规律研究，是国际国内地学领域积极鼓励的创新研究课题。结合土地利用/土地覆被变化与陆地碳循环过程的水循环研究，是一个新的交叉方向。研究的热点问题有：
问题1：全球变化与水文循环问题
它需要研究回答：全球变化对区域水循环规律？过去对气圈-水圈-生物圈的相互联系/作用是如何认识？现在又是如何认识水资源的演变？其规律是什么？
值得指出的是，过去在气候系统与陆地水文循环之间存在一个误区，即长期以来,水文学者把气候看作是静态:一个地区的气候是指某种统计的平衡,WMO规定系列30年的平均作为准平均,用极差/标准差描述气候变异。对陆地水文过程研究方面，认为长序列水文均值是稳定不变的，年径流出现的丰、枯现象，被看作围绕均值的周期变化。水利（水资源）工程设计：要求的水文计算都是以几十年-几百年时间尺度的水文过程稳定不变为前提。未来被看作是过去的重复或外延。例如，水资源的保证率有W75%，W50%等；设计洪水有千年设计和万年校核等。另一方面，在气候/天气过程研究中，长期以来气候学者把陆地水文看作是静态，气候/天气过程研究仅仅到降水为止，较少研究流域水文循环动力机制与反馈作用。例如，天气模式研究中仅设置若干参数代替水文过程变化和空间分布，认为陆面水文-生态的作用也是稳定不变的。例如，许多GCMs对水文循环作用过程考虑相当粗糙,平面无径流联系与循环过程。但是，现在人们业已认识：一个地区的气候/水文循环过程并不处在统计的平衡状态，而是以不同尺度变化（年际、十年际、百年际-千/万年际变化）。决定气候变化因子不仅仅是大气内部的过程，还有大气上边界（太阳行星系统）和下边界（陆地水文-生态、海洋系统）的各种物理化学过程。20世纪科学研究与进展显示：陆面生态系统对大尺度水文循环有十分重要的反馈作用。因此，全球变化对水文水资源的影响是21世纪水文科学研究的前沿问题之一。因此，特别需要大力加强水文学家与大气物理学家的联系与合作，积极开展“全球-陆地-区域-流域尺度水文循环”科学基础的研究。
问题2人类活动对水循环水资源的影响
人类活动对水循环及水资源有那些主要影响？人类活动如何对水的变化规律产生影响？有什么地区、区域特征规律？如何量化人类活动对水循环水资源的变化及影响？这是近代水科学面临的主要科学问题。在IGBP科学大会上，特别强调土地利用/覆被变化与水循环、碳循环的关系。需要研究从“点”-“典型流域“的水循环机理、水文循环与生态系统的相互作用、地表水与地下水交换的相互作用，“大气-土壤-植被”界面过程中的物质与能量转化规律；开拓流域水文循环过程中的非线性机制研究；创新“分布式流域水文循环模型”，量化区域水文循环演化与土地利用/土地覆被影响关系，为认识陆地表层生命物质过程的提供重要的基础科学支撑。
结合中国的实际背景，人类活动影响是惊人的。例如，在中国南方的长江流域，建国后洞庭湖围垦1700余平方公里；鄱阳湖围垦1400余平方公里；荆北所有通江湖泊被堵闭，减少调蓄长江洪水面积约5700余平方公里。建国后，长江中下游地区约有1/3以上湖泊面积被垦殖；损失湖泊面积13000余平方公里，相当于五大淡水湖泊面积总和的1.3倍；损失湖泊容积500亿立方米左右，相当于三峡水库调蓄库容的5.8倍，淮河年径流1.1倍。建国后，中游长江干流河道内的江洲河滩几乎全部被围垦。据不完全统计，围垦面积约1213平方公里；城陵矶至螺山江段河床变迁剧烈，泥沙淤积问题严重。98洪水后，国家提出治理长江32字方针：“封山育林、退耕还林、移民建镇、以工代赈、退田还湖、平垸行洪、加固干堤、疏浚河道”。但是，如何退田还湖？如何平垸行洪？认识人类活动（湖区开发、三峡工程）对水循环关系影响水科学基础问题，都是十分重要又十分现实的问题。
在中国北方，人类活动剧烈。例如，在华北地区，水文循环机理比较复杂，它不仅与陆地表层系统中各种自然地理要素时空分布密切相关，而且与农业开发、都市化等土地利用/土地覆被直接相联。由于社会经济发展，人类活动改变了水循环自然变化的空间格局和过程，加剧了水资源形成与变化的复杂性。过去有关部门在华北水资源方面做了相当的工作。但是，在华北地区究竟缺多少水等基础方面仍分歧较大。有人认为在华北通过自身的节水和提高用水效率可以解决水资源的需求问题；有人认为即使南水北调也不能从根本上解决北方缺水问题。争论问题的科学问题焦点是：在自然变化和人类活动的综合影响下华北地区水循环演化规律是什么？如何科学测算华北地区可供水资源量？华北地区节水的潜力究竟有多大？如何保障华北地区的水资源安全？争论的原因是：自然变化和人类活动加剧情况下的华北地区水循环演变格局与过程机理，有待重新认识；受人类活动影响等变化环境下的华北地区水资源可利用量的测算科学依据不很充分；水资源安全与生态需水、节水潜力、国民经济发展之间的量化关系需要研究。因此，开展自然变化和人类活动影响下的水循环及水资源安全研究，具有十分重要的科学意义和研究价值。
总之，21世纪水科学的挑战问题是：迫切需要回答的科学问题是陆地水循环演化格局、过程与机理，即：
·如何对水、碳和能量在土壤~植被~大气界面交换中的变化进行认识？
·变化环境下的水文循环时空演化有哪些特征规律？如何识别和量化？
气候变化对水文循环的影响范文第2篇
关键词 气候变化；水文水资源系统；研究对策
中图分类号P467 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）90-0145-02
0引言
全球性的气候变化是世界各国政府都所关注的最根本的环境问题。气候的变化主要原因有两种：一是地球的自然气候的循环；二是地球气候系统的扰动。这两者都影响着水分循环，水分循环的变化必然会引起水资源的改变，导致生态环境的改变，对于社会的发展和国家经济的发展都有着非常大的影响。通过研究气候变化对水文水资源系统的影响，可以不断规划好未来水源系统的相关设计、开发和利用。对于社会的发展具有非常重要的意义，本文将从水文水资源系统、气候变化两方面进行研究，简要分析气候变化对于吉林省的水文水资源系统有什么影响，并提出科学的思考。
1 气候变化对吉林省水文水资源系统影响研究情况
20世纪80年代，我国开始飞速发展，在对环境的研究方面也下了很大功夫。从80年代开始，我国开展了气候变化对水文水资源系统的一系列专业研究。80年代末到90年代初，我国设立的一些研究专题对水文水资源系统科学的研究，包括1994年中美开展的包括气候变化对水文水资源系统的对策研究；参加了GEWEX亚洲季风区的试验项目；近几年来，由于全球半暖，我国的水文水资源系统受到一定的影响，因此应该加大力度对我国的气候形式、水资源进行研究，并提出适应气候的相关决策。吉林省的有关学者也对此进行了一系列的研究，包括对我省未来水文水资源所受到的影响进行估计，分析全球气候变暖对我省甚至全国的水资源造成怎样的破坏。
2 吉林省水文水资源系统的研究内容
吉林省的关于水文水资源系统方面的研究主要包括以下几个方面：第一，水流量平衡所受的影响有哪些；第二，我省的供水量和需水量有哪些变化；第三，气候变化对水质的影响有哪些；第四，干旱频繁是否源于气候的变化。下面，将进行详细分析。
研究气候变化对水文水资源系统的相关影响，可以通过对相关问题的研究进行分析和评估，例如气候变化对我省降水、水流蒸发的影响有哪些等等。
此外，研究估计所达到的效果很重要。因此，我省在进行研究的时候，要注意研究结果，由于每一个省份的气候不同，水文水资源也并不一样。因此，一定要建立适合我省情况的气候变化指标体系，准确分析出气候变化对我省水资源的影响。要引进国外的先进技术，例如GIS技术和计算机模拟技术，对我省的水资源现状进行分析。此外，我省的相关部门一定要对水资源的开发提出相应的政策措施，合理开发和管理我省的水资源系统。
3 吉林省水文水资源系统的研究方法
3.1水文水资源研究步骤
到目前为止，气候变化对水文水资源影响的研究方法是采用What-if方法，意思就是：（if）气候发生了一系列的变化，那么水文水资源又会发生怎么样的变化（what），这就是我们所说的影响方法。通过影响方法对我省水文水资源进行评估，可以有着很好的辩证效果。因此，应该准确的按照相关步骤进行评估，一般分为5个步骤：
1）气象部门要对我省的气候变化进行相关的定义；
2）要建立我省的具体的水文模型，并进行相关的验证；
3）通过切入气候变化情景，结合建立的水文模型进行电脑分析，模拟分析出水文循环和水文变化的过程；
4）根据分析得出水文水资源受气候变化的影响；
5）根据水文水资源的影响程度，找出相关的措施实施环境的保护。
3.2水文模拟技术
我省在选择模型的时候，主要要注意以下几个方面：模型的精准度如何，评估的资料是否齐全；模型的参数变化和适用性如何。目前针对水文水资源的变化的主要评估模型有三种：
1）概念性模型 所谓的概念性模型是以水文变化过程为准则的模型。概念性模型可以分析气候的变化对径流的影响，以及对水资源所需要的气候条件进行研究。这种模型最先应用到美国旱地的水资源研究上；
2）经验统计模型 通过获取经验进行统计，我们称之为经验统计模型。
这种模型主要是通过获取该地区的水流、气候、降水、气温等资料。通过资料的统计和分析，得出气候变化对水文水资源的变化影响；
3）分布水文模型 由于区域的每一处地形和土壤的水分都不一样。关于这方面可以运用分布式进行，在不同的区域进行划分，并在每一个单元设立参数，对该部分的水特征进行记录。
4 我省水文水资源研究工作的相关建议
4.1我省要对水文水资源的研究工作高度重视
我国对于水文水资源的研究工作设立明确的纲要规定，根据《国家中长期科学和技术发展规划纲要》（2006-2020）当中规定，要将能源和环境的建设作为国家科学技术发展的优先项目。在《中国对应气候变化国家方案》当中，我国明确提出了要积极应对气候的变化，要求不断发展科学技术，以适应新的环境变化。在这种氛围之下，吉林省的相关部门一定要对此高度重视，充分发挥主导作用，积极投身于气候变化对水文水资源影响的研究工作当中。政府也要不断的实施相关政策，通过政策的鼓励，激发吉林省的相关学者和研究人员参加到水文水资源的研究热情，积极投身于研究当中。同时，有关宣传部门应该加强宣传力度，与各界进行沟通，为科研工作创造更好的平台。
4.2我省的科研部门要与国外加强交流合作
对于一些国外的先进技术，我们要积极的进行学习和吸收。这就要求我们要积极与国际的相关科研小组进行交流和合作，不断提高我们的科学技术水平。另一方面，我省要积极与别的气候部门相合作，例如水利部门、气象研究部门等。通过合作研究，给水文水资源的研究工作提供一定的技术保障。
4.3建立相关的体系和评价
针对气候对水文水资源方面的研究，我省要建立一套完整的评价体系，准确的评价气候变化所带来的相关影响。通过GIS技术和计算机模拟，研发出符合我省对水文水资源的预测和管理模型。
5 结论
全球的气候变化对水文水资源的影响问题很重要。它将是21实际水文科学研究的一个重要的问题。因此，我省应该大力地加强水文专家与其他部门的专家进行不断的交流与合作，积极开展研究工作，为创造适宜的生活环境而不懈努力。
参考文献
[1]江涛， 陈永勤， 陈俊和，等. 未来气候变化对我国水文水资源影响的研究[J].中山大学学报， 2002.
气候变化对水文循环的影响范文第3篇
【关键词】气候变化 地下水资源 影响
一、引言
气候变化是全球变化研究的核心问题。科学研究证实，近百年来地球气候正表现出显著变暖的主要特征。这种变化，已经并将继续给全球自然生态和人类生存与发展带来巨大挑战。近20a来，气候变化的研究方向从认识气候系统基本规律的纯基础研究发展到与人类社会可持续发展密切相关的一系列生态环境实际问题的研究[1]。
气候变化问题的核心是气温和降水量的变化。气温持续上升已经成为可证实的变化。IPCC先后在1990、1995和2001年公布的三次评估报告中指出，观测事实表明，20世纪全球地表温度升高了大约0.6℃。2007年的IPCC第四次评估报告则指出，未来100a，全球地表温度可能会升高1.6到6.4摄氏度。大气环流模式（GCMs）模拟的降水量的变化却存在相当的不确定性，但不管未来降水量是减少还是微量增加，由于温度升高导致的蒸发力加大或蒸发降水差的加大，以及高温干旱一并出现，都将加剧我国已经很严重的干旱，从而对农业的可持续发展造成极大的影响。以华北地区为例，大量研究表明，近50a来，华北地区气候表现出“暖而干”的变化趋势。研究指出，上世纪50年代以来华北地区降水呈减少趋势，而蒸发量呈增加趋势。因此，当气候变暖时，作为重要粮食生产基地的华北平原将是我国突出的农业脆弱地区，最容易受到严重的干旱威胁。
二、地下水资源的重要性
1.地下水资源的重要性
地下水是世界上重要的淡水资源，在人类生命活动的历史中起着举足轻重的支撑作用。全国以地下水灌溉的耕地面积约1.68亿亩，占总灌溉面积的24%。地下水是世界上许多国家或地区重要的或唯一的饮用水源。世界上超过15亿的人口以地下水为饮用水源，在美国，地下水提供了1/2以上人口的饮用水源。我国有约1/3人口饮用地下水。对于地表水相对缺乏的我国北方来说，地下水的开发利用处于重要战略地位。对华北27个城市的统计资料显示，在782万m3的日用水量中，地下水提供了686万m3，占87%，有的城市则完全依靠地下水。1997~2001年，地下水资源供水量占华北地区年均供水量的59.6% [2]。统计资料表明，华北地区平均地下水资源量由1956~1979年间的625.5×108m3减少到1994~2001年间的564.3×108m3，下降9.7%。
2.地下水资源量减少引发的经济社会问题
由于社会经济发展和气候变化造成的水资源严重不足，人们不得不大量开采利用有限的地下水资源。地下水的超采，造成地下水位持续下降，包气带厚度增加，使地表产水量减少，地下水补给量下降，地下水水位进一步下降，形成恶性循环，产生了一系列日益严重社会和生态环境问题。过度抽取地下水，造成地下水“漏斗”现象，大面积的地下水位不断下降。据统计，全国已经出现了56个地下水区域下降漏斗，总面积大于8.2万km2，其中华北平原情况最为严重。如北京近郊区已形成1600km2的地下水漏斗区，而且北京东部、天津、冀（县）枣（强）衡（水）沧（州）、德州地下漏斗已连成一片[3]。近年来，地下水水位持续下降引起的地面沉降、地裂缝和地面塌陷时有报道。在沿海地区，地下水的下降破坏了淡水与海水的平衡关系，还会引起海水入侵，使水质恶化，不仅影响人畜饮用，而且导致农业减产。另外，地下水的超采部分实际上通过大气和地表径流到达海洋，最终还会引起海平面的上升[4]。
三、地下水受气候变化影响的研究
地下水的形成与演化受大气圈、水圈、生物圈和岩石圈中各种物理、化学作用的制约，同时它又积极参与着上述各圈层间物质循环与能量交换，是地质和环境过程中最活跃的因子。研究指出，地下水是水文循环的产物，水文循环与气候之间通过一系列反馈过程相互制约，降水的变化将影响径流出现的时间及干旱频率和强度，温度的变化将影响蒸发、土壤湿度和入渗条件，所有这些作用都将在地下水的形成和演化过程中留下深刻的烙印。地下水与气候、环境之间的这种辩证关系，决定了地下水在气候变化研究中应当也必然占据不可替代的重要地位。
1.气候变化对地下水水位的影响
气候变化会直接或间接地导致地下水水位变化。在雨期，地下水系统不断得到大气降雨的补给，而出现地下水水位的上升；在旱季，蒸发会引起地下水水位的下降。大量的地下水动态研究表明，地下水水位变化在较大时间尺度上与太阳黑子活动存在很好的相关性，这可能也是由于太阳活动变化导致气候变化所引起的。Chen等通过对加拿大Manitoba南部碳酸盐含水层中地下水水位与气候变化的相关性研究，揭示了该含水层年均地下水水位与月平均降雨和气温存在很好的对应关系。Jorgensen通过研究阿拉伯联合酋长国AlAin地区过去4500a以来地下水水位与气候变化的关系，发现自青铜器以来地下水水位的持续降低与大气中CO2浓度的增加有很好的对应关系。王焰新等通过对神头泉流量与气候变化关系的研究表明，泉流量也可很好地指示短时间尺度的气候变化。山西岩溶泉流量在近50 a来的衰减总趋势对同期的全球变暖及干旱化过程具有深刻的指示意义，泉流量变化有效地记载了全球气候的规律性变化。
2.气候变化对地下水资源补给的影响
研究指出，气候参数的任何变化都可能会影响地下水系统的补给条件，从而影响地下水的可持续利用。加拿大草原过去40~50a均气温升高、降水减少的趋势使人们开始担心该地区地下水的可否持续利用。杨文峰等研究表明，陕西省大部分地区地下水补给主要来源于大气降水，近年来地下水呈大幅下降的趋势，这与降水的变化趋势是一致的；全省年平均降水量每减少10%，地下水资源相应减少10%~15%；其中，黄河流域年平均降水量每减少10%，地下水资源相应减少10%~20%，长江流域年平均降水量每减少10%，地下水资源相应减少10%~27%。邓慧平等[研究表明，莱州湾地区1960~1976年、1977~1993年和1980~1989年的降水距平百分率分别为12%、-12%和-18%，同期该区地下水资源量距平百分率分别为10%、-15%和-25%，地下水资源量与降水量表现出很好的一致性。
四、区域地下水资源对全球气候变化响应的研究
区域地下水资源对全球气候变化的响应问题已经引起广泛关注。Chen等基于简化的水流和水均衡模型，给出了一个把气候参数与地下水水位相联系的经验模型。该模型在加拿大马尼托巴南部上部灰岩含水层得到成功应用。Loiciga等[模拟了美国最大的地下水系统之一，德克萨斯州Edwards BFZ岩溶含水层在2×CO2气候条件以及地下水开采量增加25%条件下，极度缺水、接均补给和超出平均补给三种情景的泉流量的变化，结论是在2×CO2气候条件下，除非对开采活动加以精心的控制，该地区水资源将受到严重威胁。Brouyre等在比利时Geer盆地建立了一个包含地下水流动的综合水文模型，用于评价气候变化对地下水的影响。张世法研究表明，在2×CO2的气候情景下，海河流域地下水资源量将由当前的275×108m3下降到253×108m3。研究指出，由于地下水水位的持续下降，华北地区只有在降水量增加20%的情况下，地下水位才有可能得以回升。
五、农区气候变化对地下水资源影响的研究
在农区，地下水资源受到气候变化（自然）及其带来的农业需水量增加（人文）双重因素的影响。因此农区气候变化对地下水资源影响的研究更加复杂。气候变化对土壤水影响研究的一些结果指出，尽管一些地区的降水量有所增加，但由于气温升高，蒸散量增加等原因，夏季土壤水分的有效性下降。土壤水分的减少对灌溉有重大影响，特别是对干旱和半干旱地区。
张翼等关于黄淮海平原灌溉用水量对增温和降水变化响应的研究结果表明，增温幅度越大、降水减少越多，年径流量将越少，农业灌溉需水量将越大，从而将加快农业生产对地下水资源的耗竭。利用SCCM模式对气候变化对黄淮海平原土壤水分平衡各分量的影响的研究表明，由于温度升高，使作物蒸腾及生理需水量增加，夏玉米全生育期生长期缩短，作物需水量下降；这两方面的相互作用，使黄淮海平原夏玉米全生育期需水量在温度上升1℃、2℃时分别增加18%和31%，夏玉米的农业用水量增加，年灌溉总量随着降水量的减少而急剧上升，当年降水量减少20%时，温度上升1℃和2℃，年灌溉水量将分别上升65.9%和84.3%。在河南，由于地下水开采量的60%以上是用于农业灌溉，降水量多时开采量少，降水量少时开采量则多，因此，气候变化是影响地下水资源的主要的因素，全省中等干旱年份和干旱年份，地下水资源量分别相当于多年平均值的83%和35%。Arnell研究了气候变化对以色列灌溉需水的影响，结果表明，在2×CO2条件下，苜蓿、玉米和冬小麦的净灌溉需水量将增40%。缪启龙等研究指出，在降水不变条件下，温度升高使不同作物都增加耗水量，每上升0.5℃，小麦耗水每公顷增加30.0~75.0m3、油菜耗水每公顷增加25.5~33.0m3、水稻耗水每公烦增加60.0~67.5 m3，必将增大作物生产对地下水的依赖程度。
Peterson等研究了美国西部地区流域后认为:假定未来气温上升3℃，降水减少10%，若按目前的灌溉标准和用水量，那么美国西部现有的可耕地面积将减少30%。国内同类研究给出华北地区夏季土壤湿度可能减少。周爱国等研究指出，地下水水位下降不仅使土壤水分含量降低，还使其保持高水分的时间缩短，植被生存环境条件恶化，导致植被退化，进而又引起大气与地表界面的水热传输失稳，导致地表温差变大，土壤含水量进一步减少，降水入渗补给量减少，地下水资源量变小，地下水的开采力度进一步加大，使干旱化问题由纯气候问题演变为水资源短缺和气候干旱进一步快速发展的正反馈过程；因此，地下水系统的退化对北方气候干旱化产生了不可忽视的环境效应。
综合以上描述，给出农区气候变化对地下水资源的影响关系图（图1）。
六、小结
因此，气候变化对地下水资源的影响是一个十分值得关注的研究方向。地下水作为重要的淡水资源，在当前全球淡水资源严重短缺的条件下，深入开展典型农区气候变化对地下水资源影响的研究，可以为水资源管理和决策者提供科学依据，对于水资源的可持续利用，对区域农业乃至整个国民经济的可持续发展，均具有重要的理论和现实意义。但目前这方面的专门研究较少，研究方法还较欠缺，预测精度较低，大量细致的研究工作尚需进一步展开。
参考文献：
[1]秦大河. 全球变化热门话题丛书序言. 北京: 气象出版社, 2003.
[2]董章杭, 李季, 孙丽梅. 集约化蔬菜种植区化肥施用对地下水硝酸盐污染影响的研究. 农业环境科学学报, 2006.
[3]王守荣, 海, 程磊等. 全球水循环与水资源. 北京: 气象出版社, 2003.
气候变化对水文循环的影响范文第4篇
分析得出：在剖面上，土壤饱和导水率由大到小的排列顺序为 0~10cm、20~30cm、10~20cm 和 30~40cm；土壤饱和导水率与植被盖度相关性显著，植被盖度越高土壤入渗能力越强，土 壤饱和导水率越大；温度是影响高寒草甸土壤水分分布的重要因素，随着地温的升高，土壤 的饱和导水率也相应增大。植被和地温是影响高寒草甸的土壤入渗能力的重要因素。
关键词：入渗，饱和导水率，植被盖度，
abstract
infiltration is an important process in hydrologic cycle, in the source region of yangtze river, infiltration of soil moisture has impact in runoff and plateau ecology. basing on the measured data in
infiltration, ground temperature and vegetation during three years, the results are as follows: in profile,
the sequence of saturation conductivity coefficient was soil layers 0～10cm, 20～30cm, 10～20cm and
30～40cm below the surface from max. to min.; there is positive and significant correlation between
the saturation conductivity coefficient and vegetation cover; when the ground temperature increased, the saturation conductivity coefficient too. so, the vegetation cover and ground temperature have important influence to the soil infiltration in alpine meadow.
keywords：infiltration; saturation conductivity coefficient; vegetation cover; the source region of yangtze river
长江源区土壤入渗是指降雨落到地面上的雨水从土壤表面渗入土壤形成土壤水的过程，它是水在土体内运行的初级阶段，也是降水、地表水、土壤水和地下水相互转化过程中的一个重要环 节[1]。
土壤入渗是分析模拟土壤侵蚀过程的重要参数，同时也是实施水土保持规划时需要认真 考虑的因素。总结各因子下的土壤入渗的变化规律，将有助于研究地表产流的机理及其规律[2]，揭示水量转化关系及“五水”(大气降水、地表水、地下水、土壤水、植物水)转化机理， 以从更深层次上弄清水量转化规律。这对土壤侵蚀的预测和防治、洪水的预报、各种水土保 持措施的最优化配置及其效益评价都具有极为重要的指导意义，同时为增加土壤蓄水、土壤 水分最优化调控、合理有效地利用土壤“水库”的调节功能，提高土壤水分生产力等方面具有 重要的理论和现实意义。
土壤的入渗性能受制于许多内在因素的影响，诸如:土壤剖面特征、土壤含水量、导水 率及土壤表面特征等[3~6]。特别是土壤导水率又取决于土壤孔隙的几何特征(总孔隙度、孔隙 大小分布及弯曲度)、流体密度和黏滞度、温度等因子[2,7]。不同林地、草地、地形地貌、土 地利用方式等外界条件对土壤内在理化性质均有显著的影响,从而形成不同外界条件下土壤 入渗的特异规律。本文用土壤饱和入渗仪（2800k1）对不同植被盖度、不同地温、不同土 层深度的土壤进行观测，得出饱和导水率，并进行统计分析，弄清长江源区高寒草甸植被覆 盖与地温变化对土壤饱和导水率的影响，找出高寒草甸生态环境下的土壤入渗规律。
1. 研究区概况
长江源区位于青藏公路以西的昆仑山和唐古拉山之间，平均海拔高度 4500m，生态环境 极为复杂、生物多样性最集中的地区，该区域独特的地理位置及其生态环境特点、特有的水 源涵养生态功能、丰富的自然资源与生物多样性，以及对整个流域环境的深刻影响等，使该 区域近年来成为全社会所广泛关注的热点地区之一。
本文所选择的研究区位于长江源区多年冻土和高寒草甸比较典型的小流域北麓河一级 支流——左冒西孔曲流域，地理位置9249′48～93°0′40e，34°39′36～34°46′50n，流域面 积为134km2。该区域深居内陆，属高原寒带半湿润～半干旱区气候。年均气温为-5.2 ℃，多
年平均降雨量290.9mm，多年平均蒸发量1316.9mm，相对湿度平均为57%，海拔4680～5360
m（王根绪等，1998）。 该区域植被类型主要有高寒草甸和高寒草原两大类。草甸植物以莎草科嵩草属占优势，
如嵩草和嵩草等；草原植物以禾本科和菊科为主，如紫花针茅、羽柱针茅等。该区成土 母质多为第四纪沉积物及变质岩、中入岩等岩石风化的坡、残积物，砂砾石、碎石土基 亚粘土夹碎石（王根绪等，2001）。土壤发育很慢，处于原始的粗骨土形态。土壤类型基本 分为三大类：高山草甸土、高山草原土和高山荒漠土。冻土和地下冰比较发育，河谷中存在 着潜水，常形成冰锥、冻胀丘；斜坡地带常有冰锥、冰丘、冻融泥流及冻融滑塌发育；连续 多年冻土地区的地温为-3.0～-1.0 ℃，天然冻土上限为0.8～2.5m。
2．研究方法
2.1 实验设置
在研究区小流域内，根据流域两侧的地形、植被类型与植被覆盖状况布置观测试验点， 在每个观测实验点上进行以下试验与观测内容：地温、植被类型与盖度、土壤含水量、土壤 根系层深度、土壤容重、土壤饱和导水率及土壤取样等。按植被盖度分为 10%、40%、70%、
90%四个实验点，每个实验点重复实验四次。
2.2 土壤饱和导水率的测定
土壤入渗采用 2800k1 土壤饱和入渗仪。在流域内选择 10%、40%、70%、90%四个不 同盖度的植被进行观测，在每个盖度下重复 4 次，求其平均值。数据读取以 2 分钟作为时间 间隔并记录各个数据，直到土壤入渗达到饱和稳定入渗，停止观测。求出液面下降速率，单 位为 cm/s。
设管中液面下降速率为 r（cm/s），测得 5cm 处入渗水头为 r1，10cm 处为 r2，由此， 标准饱和导水率（kfs）由下列公式计算：
当使用外部储水管的时候使用以下公式：
kfs=0.0041xr2-0.0054xr1； 当使用内部储水管的时候使用以下公式： kfs=0.0041yr2-0.0054yr1；
式中，x，y 分别为外管和内管的面积值，分别为 x=35.22cm2，y=2.15cm2。
2.3 主要环境因子的测定
(1) 利用地温计对活动层5, 15, 25和35 cm的土壤温度进行观测, 每1 h 进行1 次； (2) 采用便携式tdr 对活动层5, 15, 25和35 cm 的土壤水分进行观测； (3)土壤的颗粒度通过取 样用激光粒度仪进行测定；（4）土壤容重采用环刀法进行测定。
3. 结果与讨论
3.1 土壤垂直剖面上的饱和导水率变化规律
土壤水分入渗过程受多种因素影响，在土壤水分入渗过程中，土壤剖面某一深度的土层 吸水过程或脱水过程往往相互交替或者同时并存，因此存在着滞后作用对入渗的影响[8]。当 有效降水进入土壤后，土壤水开始向下入渗并进行分配。在较大的时间尺度里，土壤水分的
动态变化实际上是一时间序列的变化，分析土壤的入渗特性，可以通过分析不同层次土壤饱和导水率来进行研究。
在青藏高原，土壤水分入渗对是高原生态环境变化影响显著。由于生态环境变化引起土
壤水分的运移、储存等过程严重变化。在垂直剖面上，土壤饱和导水率随土壤深度趋势有如 下特征（见图 1）：
（1）四种不同的植被盖度下（10%，40%，70%，90%）变化曲线有着共同的变化趋势： 随着土层深度的增加，土壤饱和导水率总体呈现下降趋势。产生这个影响的根本原因是随着 土层深度的增加土壤空隙度在减小，这是因为在青藏高原的这种特殊的高寒草甸生态条件下，
随着土层深度的增加植被的根系越来越少，也使得土壤空隙度减小，这势必影响到饱和导水
率的减小。
（2）在 20~30cm 土层的时候，变化趋势出现了一个拐点。这是因为在长江源区这个特 殊的高寒草甸区，主要植被就是藏嵩草和小嵩草，而嵩草的须根层主要分布在 20~30cm 的 土层，经过对土壤剖面的观察，这个土层根系吸收水分很明显，这就使得 20~30cm 土层的 土壤空隙度 10~20cm 土层的大，因此 20~30cm 土层的饱和导水率相应就大于 10~20cm 土层 的饱和导水率。
3.2 植被盖度对入渗的影响
植被变化对区域水平衡的影响是目前国际水文科学最具活力的研究领域,尤其是大量研 究表明大尺度土地覆盖与土地利用变化是导致区域气候变化的重要因素,其中以水分、热量 传输变化为改变气候的主要方式[9],因此 igbp 将水循环的生物圈作用研究(bahc)一直作为 其核心计划[9,10].在描述土壤-植被-大气相互作用关系时,降水入渗不仅依赖于随机的降水事 件,而且受制于土壤水分状况[10,11].同时,不同植被类型的土壤具有不同的水分平衡关系,土壤 湿度依赖于植被类型和土壤特性,但反过来是决定不同植被蒸散量的关键因素[12].土壤水分 是连接气候变化和植被覆盖动态的关键因子,对不同地区的不同植被类型土壤水分平衡要素 的确定,是一个研究较早但始终未能解决的水文科学问题,也是新生边缘学科———生态水文 学的主要研究内容之一[13].
影响土壤降水入渗的主要因素是土壤自身性质如土壤质地、容重、含水率、孔隙度、地 表结皮、水稳性团粒等因子[14],而植被盖度的不同,改变了土壤质地,使土壤中各因子发生了较 大的变化,从而影响到土壤入渗速率之间有较大差异[2]。
植被盖度是影响土壤入渗的重要因素之一。文章初步分析了长江源区高寒草甸区植被 盖度和土壤饱和导水率关系。
在研究区小流域内，分别选取植被盖度 10%、40%、70%和 90%的样地。对 0~10cm，
10~20cm，20~30cm 和 30~40cm 土层进行试验。
图 2 土壤饱和导水率与植被盖度关系图
fig2. the curve between hydraulic conductivity and vegetation cover
表 1 土壤导水率回归方程仅有相关系数，没有显著性检验，下面回归方程难以成立
tab.1 hydraulic conductivity equation of regression
研究结果表明：
1、0~10cm，10~20cm，20~30cm 三层土层的饱和导水率曲线都很好得表明了：随着植被盖 度的增大，土壤饱和导水率明显有规律地增大（见图 2）。这是因为植被的存在很好的增大 了土壤的空隙度，增大了土壤的饱和到水率。这对土壤水分的保持很水文循环有着很重要的 意义。这也是江源地区能够为长江涵养水源的一个重要条件。
2、30~40cm 土层的饱和导水率曲线表明了：在植被盖度 70%以下的区域，植被的不足以影 响到 40cm 的地层，而且饱和导水率很小。因为中低盖度的植被须根层很少达到 40cm，
20~30cm 是须根的主要存在层。而在 90%的植被盖度下在 30~40cm 的土层也有很大的饱和 导水率，这是因为在高盖度的区域，植被的须根层生长良好，须根层达了 40cm，甚至更深。 这也说明了，植被盖度越高越有利于水分的入渗和保持。
3、表 1 表明了在长江源区的高寒草甸生态环境下，植被盖度和饱和导水率之间的相关方程 为二次多项式。相关系数都在 0.98 以上。这对水文循环研究和高寒草甸下水文模型的建立 都是一个很大的帮助。
4、图 2 中的三条变化曲线的变化趋势，随着土层深度的增加，变化越来越缓慢，这也表明： 植被盖度对表层土壤饱和导水率影响最大，随着土层深度的增加，植被的影响越来越弱。
30~40cm 的变化曲线也表明了 30cm 以下的土层，高寒草甸的植被对土壤的入渗较小。
3.3 地温对土壤入渗的影响 土壤温度也称地温，是影响冻结土壤入渗能力大小的一个主要因素。在非冻结条件下，
土壤温度对土壤入渗能力的影响甚微，但是在冻结条件下，土壤温度是土壤水分发生相变的 两大条件之一，对土壤入神能力的影响显著。土壤温度的变化引起土壤中固、液相水分比例 的变化，进而引起土壤孔隙状况的变化，对土壤的入渗特性产生较大的影响[15]。
为了观测地温对土壤入渗的影响，本试验选取在 90%植被盖度下 10~20cm 深度的土层， 做连续的饱和导水率观测试验。为了避免每次试验对土壤结构和性质的破坏而引起的误差， 试验设计再 90%植被盖度下，选取 5 个点，在 1 天内的 5 个不同时间分别对 10~20cm 深度 的土层进行饱和入渗试验，测算出饱和导水率，别记下当时的 10~20cm 土层的地温。为了 更好的看出地温和饱和导水率的关系，把地温从低到高排列，并与饱和导水率对应，得到下 面的地温与饱和导水率关系图。
图 3 地温与饱和导水率关系图
fig2. the curve between hydraulic conductivity and ground temperature
研究结果表明：长江源区高寒草甸生态环境下，土壤的入渗与地温关系密切。随着地温
的升高，饱和导水率随之升高，两者的关系是二次多项式。在地温 0℃以下的土层，为冻土 层。在冻土层上，土壤水分是不会下渗的。
3.4 次降雨入渗过程随植被覆盖的变化
在一次降雨后，土壤水分在垂直剖面上的变化过程是土壤水分变化的主要过程之一，是 研究降雨、地表径流、降雨入渗以及土壤水分变化的重要内容[16]。为了研究一次降水后， 土壤水分在不同植被盖度下的分布变化，选取典型的样地和地段，对不同植被盖度下
（10%,50%,90%）土壤剖面深度 0~10cm，10~20 cm，20~30cm 和 30~40cm 范围的土壤含水 量进行了观测和分析。
结果表明，高寒草地土壤含水量与植被盖度有密切的相关性。从 0～10cm 土壤含水量 变化可以发现，在 0～10cm 的土层范围内，盖度不同，土壤水分变化明显(图 4)，雨后在植 被盖度为 10%的草地的初始土壤含水量最高，90%盖度草地的初始含水量最低。在一次降雨 后，植被盖度较高的地表土层较疏松，空隙度相对较大，土壤的入渗能力较好，使水分很好 得下渗到深层土壤。所以，在雨后的初始阶段，植被盖度越高，0~10cm 土层的水分含量越 越低。随着时间的变化，含水量总体都有减少的趋势，这是水分不断向下入渗的原因。植被
图 4 不用植被盖度相同土层深度的水分变化
fig4.ange of the soil moisture for different coveragein the same soil depth
盖度越高的草地，土壤含水量变化越慢。90 分钟后 90%盖度草地的含水量远远高于低
盖度的草地，这也表明了高植被盖度的草地良好的持水能力。这主要是植物的地上部分吸收 太阳辐射,减少了辐射到地面的热量,降低了土壤表层的蒸发量.植物根系有很好的亲水性,由 于表面张力作用使根系对土壤中的水分起阻滞作用[16]。10~20cm 和 20~30cm 土层的雨后土 壤含水量变化曲线图呈现出和 0~10cm 土层相同的变化趋势。
30~40cm 的土壤水分变化与 30cm 以上的土层含水量变化曲线不同。雨后初始含水量不 再是 10%盖度的草地，而是 50%盖度的草地，而 10%盖度的草地含水量最低。这说明了在
30~40cm 土层，10%盖度的草地土壤空隙度小，水分不利于下渗到 40cm 的深层土壤，而 90% 盖度的草地持水能力比较强，这也使 30~40cm 的土层的含水量小于 50%盖度的草地。随着 时间的变化，含水量总体仍然是减少趋势。90 分钟后 30~40cm 土层的土壤含水量仍然和初 始含水量关系一样：50%盖度草地的最高，10%盖度草地的最低。
以上关系充分说明植被盖度对土壤水分入渗的影响。土壤的入渗能力和持水能力的对比 都对土壤含水量有很大影响。随着植被盖度增大，土壤的入渗和持水能力都增加，入渗能力 变化得更明显。！
4.结论
综上所述，
1. 随着土层深度的增加土壤饱和导水率总体呈现下降趋势。30cm 的须根分布层增大了 土壤的入渗能力。土壤饱和导水率从大到小依次为在 0~10cm、20~30cm、10~20cm 和 30~40cm 土层；
2. 在 0~10cm，10~20cm，20~30cm 的 3 个土层剖面上，随着植被盖度的增大，土壤饱
和导水率明显有规律地增大，并呈现出二次多项式关系；
3. 在 30cm 以下的土层，植被影响较小，只有在 70%以上的高盖度植被覆盖下，影响 才比较明显，并呈现出 3 次多项式关系；
4. 长江源区高寒草甸生态环境下，土壤的入渗与地温关系密切。随着地温的升高，饱 和导水率随之升高，两者的关系是二次多项式。
5. 次降雨量的试验充分验证了植被和土壤饱和导水率的关系。植被是高寒草甸生态环 境下，影响水分循环的重要因素，好的植被有利于水分的入渗和保持，对长江源区生态水文 环境有重大意义。
气候变化对水文循环的影响范文第5篇
关键字：降雨；降尺度；蒸散发；IBIS模型
中图分类号：P468 文献标志码：A 文章编号：16721683（2015）06103105
Abstract：In order to recognize the effects of precipitation intensity and duration on the evapotranspiration，temporal downscaling simulation of daily precipitation in Changbaishan area is conducted using the weather generator of IBIS （Integrated Biosphere Simulator） model and a precipitation downscaling model based on precipitation intensity and duration.The calculated hourly precipitation is used as the meteorological drive and evapotranspiration is simulated using the IBIS model.The results show that the precipitation intensity simulated by the weather generator of IBIS model is obviously lower，leading to a higher evapotranspiration，while the results from the precipitation downscaling model match the observation data well.The accuracy of evapotranspiration simulation can be improved with the accurate precipitation downscaling.In addition，through the comparison of evapotranspiration variation under different schemes of precipitation intensity and duration based on two precipitation events in 2004，stronger precipitation intensity and shorter precipitation duration can decrease the total evapotranspiration and the proportion of canopy interception evaporation，and increase the proportion of soil evaporation and plant transpiration under the same daily precipitation.
Key words：precipitation；downscaling；evapotranspiration；IBIS model
地表蒸散发是土壤植物大气连续体水量平衡和能量平衡的关键参量，同时也是气候变化研究的重要指标，因此合理精确地估算地表蒸散发对评价和管理气候变化背景下水资源、生态环境和农业生产有着重要的指导意义[1]。地表蒸散发与地区的气候条件、下垫面情况相关[2]，主要受太阳辐射、气温、相对湿度和风速等气象因子的影响[3]。而在小时尺度上，降水量和降水强度影响植被冠层截留和土壤下渗等过程[4]，进而影响地表的蒸散过程[5]。
降水过程和强度通过对水文循环的影响进而作用于土壤侵蚀和植被生长等过程[6]，是地表生态水文过程的主要驱动因素。降水过程的模拟精度直接影响陆面生态水文过程的模拟效果，然而实测降水资料往往无法满足生态水文模型要求的时空精度，需要通过随机模拟方法，模拟不同时间和空间尺度上的降水，作为模型的气象驱动。对于单个站点日降水降尺度研究，最基本的方法是利用站点的降水观测数据，统计分析降水特性，如最大降水强度、降水历时、开始时间和雨强历时分布规律[78]，再根据降水在不同时间尺度上的相关关系，计算小时降水过程。而对于大的地区或流域进行日降水的降尺度计算时，则需要根据地区的气候特点和降水特征进行分区，分别统计各分区的降水特征及其相关关系，据此进行降尺度计算[9]。很多大尺度的陆面模型、水文模型也都自带了的降水天气发生器，用于陆面水量和能量平衡的模拟，如IBIS[10]（Integrated Biosphere Simulator）、SWAT[11]（Soil and Water Assessment Tool）等，然而模型自带的天气发生器（WGEN[12]、WXGEN[13]）主要针对日降水进行统计分析和计算，对于小时降水的计算比较简单，导致小时降水的计算结果偏差较大。为了了解小时降水过程的模拟效果在陆面水循环模拟的重要作用，本文分别利用IBIS模型自带的天气发生器和雨强历时模型对长白山地区的小时降水和表蒸散发过程进行模拟，并针对两场不同雨量的降水，设置不同的雨强历时方案，据此分析其对地表蒸散发模拟的影响。
4 降尺度方法对蒸散发模拟的影响
4.1 方案设置
长白山地区夏季降水充沛，植被覆盖度和LAI较高，地表蒸散发量大。为了了解不同的雨强历时过程对地表蒸散发的影响作用，本文针对2004年夏季的两场不同雨量的降水（降水1：20040719场次降水，降水量528 mm；降水2：20040520场次降水，降水量144 mm），采用三种雨强历时方案对地表蒸散发及其组成分项进行模拟分析：方案一采用IBIS模型自带的天气发生器计算，方案二和方案三采用雨强历时模型，分别采用不同的参数计算。各方案的参数值见表2。
利用不同方案计算的小时降水过程见图3。对于降水1，方案一降水历时11 h，降水强度均为4.8 mm/h；方案二降水历时6 h，最大降水强度18.14 mm/h；方案三降水历时16 h，最大降水强度11.32 mm/h。对于降水2，方案一降水历时20 h，降水强度均为0.72 mm/h；方案二降水历时5 h，最大降水强度6.26 mm/h；方案三降水历时13 h，最大降水强度3.94 mm/h。可见方案二的雨型为尖瘦型，而方案一和方案三的雨型则较为平缓。
4.2 降水过程对蒸散发的影响
不同雨强历时方案下的水循环各项变量见表3，其中表层土壤含水量为地表10 cm土壤的平均含水量。在降水1的情景下，三个方案计算的蒸散发量分别为1.99 mm、1.86 mm和2.11 mm。由于暴雨天气，温度、湿度等气象要素会降低地表蒸散发能力，蒸散发量较降水而言相对较小，但仍可看出，在日降水量相同的情况下，不同的降水过程会导致不同的地表蒸散发量。在降水2的情景下，三个方案计算的蒸散发量分别为5.86 mm、2.72 mm和4.26 mm，蒸散发量受雨强历时过程的影响更为明显。两场降水过程中蒸散发与降水之间的关系一致，即降水强度大、降水历时短的情况下，地表蒸散发量相对较小。同时从表3中还可以看出，在降水强度大、降水历时短的情况下，即雨型为尖瘦型，冠层截留量较小。土壤水分变化规律则与降水量有关，如果降水量较小，地表不产流，在尖瘦雨型的情况下，冠层截留较小，导致土壤水分相对较大；而如果降水量较大，产生地表径流，在尖瘦雨型的情况下，冠层截留和土壤拦截水量都较小，因此产生的径流量相对较大。
不同雨强历时方案下的蒸散发组成分项见表4，尽管在不同的气象条件和降水条件下，截留蒸发、土壤蒸发和植被蒸腾所占比重不同，但仍可以看出，不同的雨强历时过程不仅影响地表蒸散发量，而且影响地表蒸散发的比重。从表4中可以看出，在降水强度越大、降水历时越短的情况下，冠层截留蒸发量所占比重较小，而土壤蒸发量和植被蒸腾量所占比重越大。 LSX陆面模式认为冠层截留会减小干燥叶片的比例，减小冠层的气孔导度和光合能力[14]，因此在尖瘦雨型的情况下，冠层截留比例较小，干燥叶片面积较大，且干燥时间较长，植被冠层的气孔导度和光合速率较高，促进植被的蒸腾作用。
5 结论
本文以IBIS模型为基础，利用IBIS模型自带的天气发生器和雨强历时模型两种不同的降水降尺度方法将日降水量分解到小时尺度，并以计算的小时降水模拟长白山地区的地表蒸散发，最后针对2004年两场不同大小的降水，分方案讨论了雨强历时过程对地表蒸散发的影响作用，结果如下。
（1）雨强历时模型可以较好地模拟长白山地区的小时降水过程，较IBIS模型自带的天气发生器有明显的提高，其NSE从0.11～0.26提高到了0.65，相关系数由0.36～0.51提高到了0.81。
（2）降水历时过程在地表蒸散发模拟中具有重要作用，小时降水模拟精度的提高有助于提高蒸散发的模拟精度，用雨强历时模型代替IBIS模型的天气发生器，模型模拟的蒸散发NSE由原来的0.69～0.72提高到0.84，相对误差由11.38%～12.82%降低到-0.63%。
（3）在日降水量相同的情况下，不同的雨强历时过程会影响降水的分配。一般在降水强度越大、降水历时越短的情况下，植被冠层和土壤拦截水量相对较小，地表产流量较大，大部分降水以径流的形式汇入河网，储存在植被和土壤中的水分较少，导致地表蒸散发总量减少。
研究结果表明， 在小区域的水循环模拟研究中，利用单个或多个站点的降水数据统计分析得到小尺度降水数据，可很较好地应用于模型模拟中。而对大的流域或地区的地表蒸散发或水循环进行模拟时，则需要更多的降水实测资料，将降水的空间降尺度方法与时间降尺度方法相结合，发展多维降水随机模型，为陆面模型提供更为精确的小尺度降水数据。此外，IBIS模型在计算地表蒸散发时考虑了植被冠层的截留和蒸发过程，但是忽略了地表枯落物的截留和蒸发过程，应加强相关的机理研究和模拟研究。
致谢：特别感谢中国科学院地理科学与资源研究所占车生老师对本研究的支持和指导，以及中国生态系统研究网络（CERN）提供的数据支持。
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