知天象 2022-09-15 09:54 发表于北京
文献研读分享Sci. Total Environ 识别未来气候和土地利用覆被变化如何影响中国东部新安江流域的径流
PART 01
文章主旨
气候和土地利用覆被变化是改变水文状况的主要因素。为了了解气候和土地利用覆被变化对特定集水区内河流流量的影响，在给定多种可能性的情况下，准确量化其变化是至关重要的。本研究中提出了一个综合框架来评估未来气候和土地利用覆被变化对中国东部新安江流域径流的影响。五个偏差修正和降尺度的大气环流模型(GCM)预测用于表示三个代表性浓度路径(RCP)下的模型间不确定性。此外，三种土地利用覆被变化情景代表了生态保护(EP)和城市发展(UD)之间的一系列权衡，由细胞自动机-马尔可夫(CA-Markov)预测。然后使用校准的土壤和水评估工具(SWAT)对2021-2050年的径流进行评估，包括15种情景和75种可能性。最后，分析了月尺度和年尺度径流变化对气候和土地利用/覆盖变化的不确定性和归因。
PART 02
研究数据和方法
1研究区域
新安江是位于中国东部的钱塘江的上游部分，全长323公里，面积11503平方公里，如图1所示。三条支流，衡水河、师帅河和练江，汇入新安江的干流。新安江流域年平均气温在15.4 ℃和16.4 ℃之间，而年平均降水量在1280毫米和1700毫米之间。该流域以典型的亚热带湿润季风气候为主。
2数据收集
1976年至2005年的气象观测数据来自中国国家气象信息中心(http://data.cma.cn)。GCM气候预测由地球系统网格联合会(https://esgf-node.llnl.gov)提供，这些数据包括1976-2005年和2021-2050年的日降水量以及平均、最高和最低温度。中国地理空间数据云(http://www.gscloud.cn)提供了分辨率为90米的DEM地图，用于确定河流和子流域的边界。30弧秒土壤图最初来自兰州寒冷和干旱地区科学数据中心(http://westdc.westgis.ac.cn)。利用中国(http://www.resdc.cn)资源环境数据云平台提供的1995年、2005年和2015年分辨率为1公里的土地利用/覆被图来估算这一时期土地利用覆被变化的影响。浙江省水利水电设计院提供了新安江水库1976-2005年的月来水量。
3方法
以新安江流域为例，研究提出了一个综合系统的框架来评估未来气候和土地利用覆被变化如何影响径流。这种方法结合了1)情景设计，涉及单独的和综合的气候和土地利用覆被变化；(2)气候和土地利用覆被变化预测，通过BCSDd方法缩小GCM预测的尺度，通过CA-Markov模型模拟土地利用覆被图；3)不确定条件下的水流响应模拟；4)径流评估，包括不确定性、月度和年度属性分析。在这项研究中，基线是在1976-2005年期间，未来是在2021-2050年期间。研究假设2005年之前土地利用覆被没有重大变化，因此使用1995年的土地利用覆被作为基准期的代表性土地利用覆被。关于土地利用覆被变化情景，研究使用2025年的土地利用覆被作为未来时期的代表性土地利用覆被。
PART 03
研究结果及重要图表
表1 1976-2005年GCMs原始降尺度和BCSDd降尺度评价指标的比较。
图1 2021-2050年不同RCP下降尺度CMIP5 GCMs预测的新安江流域年平均气温和降水、月平均气温和降水。误差条表示多模型集合范围。
图2 (a)HT、(c)EP和(e) UD情景下的2025年预测土地利用覆被图，以及(b)HT、(d)EP和(f)UD情景下每种土地利用类型的面积比例。
表2 SWAT模型的参数敏感性分析和校准结果。
图3 (a)-(b)气候变化、(c)-(d)土地利用覆被变化和(e)-(f)气候和土地利用覆被变化下新安江流域2021-2050年平均年和月径流。误差条表示多模型集合范围。
图4 水流的不确定性。
图5 新安江流域气候变化、土地利用/覆盖变化以及气候和土地利用/覆盖变化综合效应引起的月径流RCA。
表3 新安江流域气候变化和土地利用/覆盖变化的年度贡献。
PART 04
文章成果
本研究实施了一个由情景设计、气候和土地利用/覆盖变化预测、径流响应建模和评估组成的系统框架，以量化和表征新安江流域未来径流变化，这些变化归因于气候和土地利用覆被变化的单独和综合影响。主要结论总结如下:
(1)与1976-2005年相比，2021-2050年目标区域的气候将更加湿润和温暖。根据预测，从1995年到2025年，在所有情景中，森林和草地面积的增长幅度最大，而城市土地面积的增长幅度最小；UD下的土地利用覆被变化与欧洲规划下的相反。HT下的土地利用覆被将随着历史趋势发生剧烈变化，但城市化程度低于UD。
(2)虽然土地利用覆被变化本身和综合变化都预测了径流的增加(相对变化:3.89-5.81%和0.32-8.72%)，但在气候变化本身下的径流变化方向上存在分歧(相对变化:-0.16-6.42%)。10月至12月的主要非汛期径流增加，使得汛期和非汛期的界限更加模糊，这可能会缓解新安江水库供水或水力发电的运行压力。
(3)气候变化和土地利用覆被变化对径流的影响是敏感的:在高温和高温条件下，当径流小时，气候变化是主导因素；而在UD条件下，当径流小时，土地利用覆被变化是主导因素。然而，年均径流量的变化主要是由土地利用覆被变化驱动的，气候变化可能会减少土地利用覆被变化对径流量的影响。气候变化对年径流量减少的贡献为-15.37-1.60%，而土地利用覆被变化对年径流量增加的贡献为101.60-115.37%。
