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《水科学进展》2020年第5期(创刊30周年专辑)中文摘要
日期:2020年09月29日 11:00:49点击数:字号:【

东亚夏季风水汽输送带及其对中国大暴雨与洪涝灾害的影响

丁一汇,柳艳菊,宋亚芳

(国家气候中心,北京 100081)

摘要:东亚夏季风每年给中国东部地区带来充沛的降水,是中国水资源的主要来源,同时也常常给中国造成严重的洪涝灾害。东亚夏季风水汽输送的强度、影响范围和持续性在极端暴雨过程中起着关键的作用。这支夏季风气流的水汽输送带可称为东亚季风水汽输送带,与国际上近期提出的“大气河”概念相近,但又不完全相同。东亚夏季风水汽输送带是东亚夏季风最具地区性的特征,也是东亚地区夏季大暴雨和洪涝的制造者。本文根据近百年来的资料,综合评述了东亚夏季风水汽输送带的特征和形成原因,并以海河、黄河、淮河与长江近百年最强的5次持续大暴雨过程为例,分析了季风水汽输送带的重要作用。最后,提出气候变暖可以通过4个方面影响全球水循环,包括气候变暖后大气可容纳更多的水汽、大气环流发生变化、辐射强迫改变以及气溶胶影响的区域性等,这些变化都会对季风水汽输送带产生重要影响。

关键词:东亚夏季风;季风水汽输送带;暴雨;洪涝;气候变化;大气河

中国水汽输送年际和年代际变化研究进展

孙  博,王会军,周波涛,李惠心,朱宝艳

(南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室,江苏 南京 210044)

摘要:大气中的水汽输送对于全球的水分循环、气候系统、生态环境等具有重要意义。水汽输送是影响中国旱涝空间分布的重要因素,其年际和年代际变化与厄尔尼诺-南方涛动、海温、北大西洋涛动、太平洋年代际涛动等因素对东亚大气环流的调控作用有关。本文就近期关于中国地区水汽输送年际和年代际变化的部分研究工作进行了回顾和评述,包括影响中国东部降水年际和年代际变化的水汽输送机制、影响梅雨特征年代际变化的水汽输送机制、热带海温对中国上空水汽输送的影响机制等问题。此外,本文回顾了近期与青藏高原地区水汽输送机制有关的研究进展。

关键词:水汽输送;年际/年代际变化;降水;海温

流域遥感:内涵与挑战

吴炳方1,2,朱伟伟1,曾红伟1,2,闫娜娜1,常  胜1,赵新峰1

(1. 中国科学院空天信息创新研究院遥感科学国家重点实验室,北京  100101;2. 中国科学院大学,北京100049)

摘要:遥感在流域综合管理与流域科学研究中得到广泛应用并发挥着不可替代的作用。重点阐述了流域遥感的内涵、进展与面临的挑战,系统总结了相关的流域遥感数据产品。流域遥感研究流域下垫面、水循环、水资源、水灾害、流域生态的遥感解析能力并提供相关的遥感数据产品。流域遥感数据产品正逐步成为不断更新的公共产品和服务,满足了流域管理监测信息及时性、完整性、连续性和高精度的要求。流域遥感与云计算的结合,可降低流域遥感数据产品生成的技术瓶颈;与云服务结合,可降低流域遥感数据产品的应用难度和成本,将是流域遥感走向实用的主流方向,从而为流域综合管理提供全方位的信息支撑。

关键词:流域遥感;流域综合管理;流域科学;遥感数据产品

1961—2010年全球变暖背景下中国空气湿度长期变化特征

谢  云1,张汝正1,殷水清1,田丹丹1,高  歌2

(1.北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室,北京 100875;2.国家气候中心,北京 100081)

摘要:空气湿度是重要的气象要素,与气温和降水密切相关,其长期变化特征是气候系统变化的重要表征。2003年前后全国自动站与人工站的更替使得相对湿度资料存在不能满足均一性的要求,亟需加强空气湿度变化特征方面研究。利用1961—2010年中国824个气象站订正后均一性较好的逐日气温、降水量和相对湿度数据,剔除缺测多的站点,采用线性回归分析、Mann-Kendall趋势检验和偏相关分析方法,综合分析中国水汽压和相对湿度的长期变化特征及其与气温和降水量的相关特征。结果表明:① 全国各地年均水汽压呈增大趋势的站点占全部站点的90.3%;除春夏两季的黄土高原至云贵高原一带和长江下游地区、秋季的华南地区有所减小外,各季节全国水汽压普遍呈增大趋势。② 全国年均相对湿度呈减小趋势的站点占64.1%;除河北北部至辽宁北部、陕西南部至黄淮地区、江南北部、青藏高原和四川西部地区以及西北大部呈增大趋势外,其余地区普遍减小;季节差异明显,春、夏和秋季,中东部大部分地区相对湿度以减小趋势为主;冬季除东北地区和云南减小外,其余大部分地区相对湿度增大。③ 全国各地水汽压与气温、降水量普遍以正相关为主,与气温的相关性强于与降水量的相关性;相对湿度与气温普遍呈显著的负相关,与降水量普遍以正相关为主。

关键词:全球变暖;湿度;水汽压;相对湿度;气温

水文科学的基本问题及当代前沿

刘国纬

(南京水利科学研究院,江苏 南京 210029)

摘要:回顾了新中国70年来水文科学的发展历程。阐述了水文科学的基本问题及其当代前沿:水圈及其与地球其他圈层的界面过程;水文循环及人类活动对水文循环的扰动;水文学研究的特点及其方法论;水文知识的应用等。提出了划分水文科学分支学科的科学基础,建议将水文科学划分为普通水文学、水文气象学、陆地水文学、生态水文学和应用水文学5个分支学科。

关键词:水文科学;水圈;水文循环;地球圈层;人类活动影响;水文学方法论

中国冰冻圈水文过程变化研究新进展

丁永建1,2,张世强3,4,吴锦奎5,赵求东1,5,李向应6,秦  甲5

(1.中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈国家重点实验室,甘肃 兰州 730000;2.中国科学院大学,北京 100044;3.陕西省地表系统与环境承载力重点实验室,陕西 西安 710027;4.西北大学城市与环境学院,陕西 西安 710027;5.中国科学院内陆河流域生态水文重点实验室,甘肃 兰州 730000;6.河海大学水文水资源学院,江苏 南京 210098)

摘要:冰冻圈显著的变化已经对冰冻圈水文过程产生了一系列影响。本文重点梳理和分析了近20年,尤其是近10年以冰川融水、融雪径流、冻土水文等为主体的中国冰冻圈水文过程变化研究方面取得的新进展:① 在冰川融水变化研究方面,对不同尺度的冰川融水开展了全面研究,发现冰川融水呈现全面增加之势;对冰川融水“拐点”是否出现进行了科学辨识,有了基本认识;对冰川融水过程进行了模型模拟,取得显著进展。② 在融雪径流变化研究方面,通过对不同流域融雪径流估算,可基本掌握各河流的融雪贡献率;中国融雪径流变化差异较大,增减不一;融雪期变化具有普遍性,突出特点是峰值提前。③ 在冻土水文研究方面,通过对地表水-活动层壤中流-多年冻土层上水之间关系的研究,揭示了冻土区径流形成的重力和热力耦合机制;多年冻土变化对地表径流的影响已经显现,主要表现在冬季(枯水季)径流增加;已经发现多年冻土退化对径流有直接补给作用,在一些流域补给量可能达到一定量级。

关键词:冰川融水;融雪径流;冻土水文;冰冻圈;气候变化

全球陆地地表水资源演变特征

严登华1,2,王  坤1,2,李相南1,2,秦天玲1,2,翁白莎1,2,刘思妤1,2

(1.流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京 100038;2.中国水利水电科学研究院水资源研究所,北京100038)

摘要:探究变化环境下全球陆地地表水资源演变特征,是当前水文与水资源学研究关注的热点与难点问题。其中,提高无资料地区水文预报的精度是准确评价全球地表水资源量的重要前提。针对这个问题,本研究在划分全球气候-生态分区的基础上,通过对5种参数移植方法进行比较优选,发现反距离空间插值法与物理相似法相结合的模拟精度最高,进而以此评价了1960—2016年全球、各大洲和重点地区的地表水资源量演变特征。结果表明:在柯本气候分区的基础上,利用生态分区指标进行无监督分类,共获得了229个气候-生态分区;基于全球降水数据和四级水资源区产水系数,获得全球多年平均地表水资源量为41.06万亿m3,与已有研究结果类似;全球、北美洲和非洲的地表水资源量呈现显著下降趋势;地表水资源量呈下降趋势的四级水资源区主要分布在北美洲、南美洲北部和非洲中部等地区。

关键词:地表水资源;演变特征;气候变化;气候-生态分区;无资料地区;方法优选

中国城市洪涝致灾机理与风险评估研究进展

徐宗学1,2,陈  浩1,2,任梅芳1,2,程  涛1,2

(1. 北京师范大学水科学研究院,北京  100875;2. 城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室,北京100875)

摘要:近年来,在全球气候变化和城市化快速发展的共同影响下,中国城市洪涝灾害日益严重,已经成为影响中国城市公共安全的突出问题,严重制约经济社会的持续健康发展。变化环境下城市洪涝致灾机理与风险评估研究是完善城市防洪除涝减灾体系、提升城市防洪除涝能力的重要依据。本文阐述了气候变化和城市化发展对城市洪涝灾害的影响机制,系统分析了城市洪涝灾害的驱动要素和致灾机理,梳理了城市洪涝灾害的风险评估和分区方法,并以济南市海绵城市示范区为例,对城市洪涝灾害风险分区方法进行了分析和对比。

关键词:城市洪涝;致灾机理;风险评估;气候变化;城市化

黄河泥沙百年演变特征与近期波动变化成因解析

胡春宏,张晓明,赵  阳

(中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京  100048)

摘要:黄河泥沙未来变化趋势关系到新时期治黄策略制定,科学认知入黄沙量变化特征,特别是一些典型或极端情况下的沙量变化原因,对于科学研判黄河泥沙未来情势具有重要指导意义。本文在分析百年黄河沙量演变特征基础上,重点解析了2013年和2018年典型“大沙”年份以及2017年典型“极端降雨”年份潼关沙量波动变化原因。结果表明:1919—2018年百年尺度上黄河潼关站输沙量呈“台阶式”减少特征且减少趋势极显著(P<0.001),尤其2000年以后年均输沙量降至2.44亿t左右;随着黄土高原下垫面土壤侵蚀环境大幅改善,黄河上游相似来水年头道拐—潼关区间流域输沙量减少82%,相似极端降雨情景下流域次洪输沙量平均减少50%~85%,2017极端降雨年并未导致大沙年出现,水土保持生态建设成果在减少入黄泥沙方面发挥了关键作用;2013年和2018年典型“大沙”年潼关站泥沙来源解析表明,河道淤积泥沙冲刷和水库排沙成为新时期黄河潼关站沙量波动变化的主要影响因素。

关键词:泥沙来源;输沙量;时空分布;极端降雨;黄河

梯级水库运行期设计洪水理论和方法

郭生练,熊立华,熊  丰,尹家波

(武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北  武汉  430072)

摘要:人类活动和气候变化显著地改变了河川径流及洪水的时空分配过程,直接影响下游断面的设计洪水。本文综述水库对下游水文情势的影响,提出梯级水库运行期设计洪水理论方法和研究内容;重点探讨非一致性洪水频率分析和基于Copula函数的最可能地区洪水组成法,比较各种方法的实用性;推荐采用运行期设计洪水及汛控水位指导水库调度运行,建议进一步加强水库运行期设计洪水计算理论和方法研究。

关键词:梯级水库;运行调度;设计洪水;地区组成;Copula函数

淮河中下游洪涝综合治理的思考与初探

钟平安1,唐洪武2

(1. 河海大学水文水资源学院,江苏 南京 210098;2. 河海大学水利水电学院,江苏 南京 210098)

摘要:新中国70年治淮事业取得了巨大成就,淮河中下游干流与洪泽湖已成为淮河进一步治理的重点区域。从流域战略地位提升、经济社会发展、自然环境演变、水问题变化等多视角系统梳理了新时期治淮主要矛盾;从水沙基本规律辨析、靶向问题揭示、河湖格局重构、综合治理措施等多方面提出淮河中下游综合治理的战略思考和建议;从降雨和干支流洪水演变规律、淮河干流和洪泽湖泥沙特征及其变化规律、现状和规划工程防洪效果与协调性、工程措施组合方案建议等4个方面介绍了淮河干流河道与洪泽湖演变及治理需进一步开展研究的内容和技术方法以及初步研究成果,以期为新时期淮河治理规划设计提供参考。

关键词:洪涝灾害;综合治理;战略思考;淮河

气候变化对澜沧江下游梯级电站发电及生态调度的影响

陈晓宏1,2,钟睿达1,2

(1.中山大学水资源与环境研究中心,广东 广州 510275;2.广东省华南地区水安全调控工程技术研究中心,广东 广州 510275)

摘要:近年来伴随气候变化地表径流呈极端化分布,为水电生态调度带来了挑战。为探究气候变化对电站发电和生态调度的影响、发电和生态目标间协调关系对气候变化的响应,以澜沧江下游梯级电站为例,结合多模式多情景未来径流预估结果及水库发电调度模型,针对发电及生态效益目标实施了单/多目标最优化。结果表明:在气候变化影响下,未来澜沧江径流总量将有所增加,水文变率将显著增强,河道生态所受影响也将增大;电站发电保证率及生态流量破坏率指标受不同调度方案的影响程度较气候变化影响更高,未来发电和生态效益的冲突依然存在;气候变化导致的水文变率增强可加剧发电与生态效益间的冲突,导致保持现有发电效益的同时增大对河道生态的影响。

关键词:气候变化;梯级电站;生态调度;多目标最优化;澜沧江水电基地

生态水文学:生态需水及其与流速因素的相互作用

刘昌明1,2,门宝辉3,赵长森1

(1.北京师范大学水科学研究院,北京 100875;2.中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101;3.华北电力大学水利与水电工程学院,北京 102206)

摘要:本文研究涉及生态水文学中生态需水问题的一般认知。探讨了生态系统动态变化与水流驱动力因素之间的关系,重点探讨水流驱动因素中的关键指标——流速,通过分析流速与生态系统相互作用,从生态水文学动力因素出发估算生态需水;基于生态流速和水力半径,提出考虑河道内生态需水与水力因素关系的生态水力半径法,充分利用水生生物信息(鱼类产卵洄游流速)与河道信息(水位、流速、糙率等)估算河道内生态需水;归纳生态水力半径法在生态需水计算中的初步应用:考虑污染物降解耦合水量水质的生态需水计算、考虑鱼类等生物对流速要求的生态需水计算、考虑河道冲淤平衡的输沙需水量计算等方面。本文提出的生态流速研究既包括生物生长发育适宜的流速,又包括流速大小变化所涉及的许多动力因素,旨在延伸与扩展生态水文学的内涵与应用。

关键词:生态水文学;生态需水;生态水力半径法;生态流速

广义生态水利的内涵及其过程与维度

邓铭江1,2,黄  强1,畅建霞1,黄生志1,郭爱军1

(1.西安理工大学西北旱区生态水利国家重点实验室,陕西 西安 710048;2.寒旱区水资源与生态水利工程研究中心,新疆 乌鲁木齐 830000)

摘要:总结中国工程水利、环境水利、资源水利、生态水利发展沿革,分析国内外生态水利研究进展、发展趋势及其特点,指出生态水利是人类社会发展到生态文明时代水资源利用的一种新途径和方式,以尊重和维护生态环境为主旨,开发水利、发展经济,为人类社会可持续发展服务。阐述了广义生态水利的内涵、定义和发展模式及其过程和维度,并提出以下结论和观点:① 生态水利将水资源和水循环调控作为重要生态要素,从流域生态系统能量交换、生物链接、结构平衡、循环转化全视角开展研究,探索既能满足人类社会需求,又能兼顾水生态系统健康和良性发展的生态水利措施和方法。② 建立了水利工程“规划设计—建设管理—运行调度”全过程、全生命周期的工程安全和生态安全保障体系,特别是将生态调度纳入水利工程全“服役期”,其中“后坝工时代”实施全流域大尺度生态调度,是生态保护和恢复最有效的措施。③ 从“生态环境-社会经济-水循环调控”三个维度,在生态文明视野下的国土空间规划治理体系中,科学把控生态水利的空间定位,促进“三生空间”优化布局,保障“三生用水”合理配置,优化“三生关系”耦合协调,实现生态保护和高质量发展,推动生态水利事业创新发展。

关键词:生态水利;生态调度;三生空间;三生用水;后坝工时代;空间维度

水电工程水生态环境效应评价方法与调控措施

陈求稳1,2,张建云1,2,莫康乐3,陈宇琛3,关铁生1,王国庆1,林育青2,3

(1.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210029;2.长江保护与绿色发展研究院,江苏 南京 210098;3.南京水利科学研究院生态环境研究所,江苏 南京 210029)

摘要:围绕水电工程的水生态环境问题,重点梳理了水库运行下关键生源要素生物地球化学循环的变化及其水生态效应、底栖动物生境和鱼类生境以及鱼类洄游通道的影响、水生态环境保护工程与非工程措施等方面的研究进展,剖析了当前科学研究和工程应用中存在的难题,从理论、方法与技术角度阐明了出现这些难题的原因。提出了水电开发水生态环境保护未来需要重点开展的研究:长期系统性观测,揭示库内生源要素的滞留-转化-输送过程与机制及水生态环境累积效应;水库调控导致的鱼类性腺发育有效积温和产卵临界水温节律变化以及两者对鱼类种群繁衍的联合作用。最后特别指出当前针对鱼类保护的部分强制性措施存在的问题,并提出了高坝多环境因子调控的生态调度和支流生境替代等鱼类保护技术以及保护效果量化评价新方法。

关键词:水电开发;水生态环境效应;模拟评价;对策措施

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