渭河流域降水和径流变化的多元分析外文翻译资料

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渭河流域降水和径流变化的多元分析

黄生志，黄强，常建厦，冷国勇，陈宇通

干旱区生态水利工程国家重点实验室，西安理工大学，西安，710048，中国

联合全球变化研究所，西北太平洋国家实验室，马里兰大学帕克分校，马里兰州，20740，美国

关键字：降水和径流变率；连接函数；变化点；人为活动；渭河流域

摘要：调查研究降水和径流的变化及其关系的可能变化点，对当地水资源规划和管理具有极大的价值。渭河流域(WRB)作为中国典型的干旱和半干旱地区，被选为案例研究。为探索降水变率变化的可能原因，数据选用国家环境预测中心(NCEP)再分析数据集的纬向和经向水气输送流。本文采用基于Copula的方法来检验降水和径流变率之间的变化关系，并确定其关系的可能变异点。结果表明：(1)大多数月份，特别是春季和秋季，呈现降水减少趋势，这主要受弱化的东亚夏季和冬季季风联合作用的影响; (2)类似于降水变化，WRB大多数月份的径流量显着减少趋势，与降水相关，达到95%的置信水平; (3)1972年和1996年在林家村站和1988年和1997年在张家山站分别确定了降水和径流关系的两个断点，1995年在华县站仅发现一个断点，这与广泛的人类用水和土壤保护做法密切相关。

Variations in precipitation and runoff from a multivariate perspective in the Wei River Basin, China

Shengzhi Huang, Qiang Huang, Jianxia Chang, Guoyong Leng, Yutong Chen

State Key Laboratory Base of Eco-Hydraulic Engineering in Arid Area, Xian University of Technology, Xian, 710048, China

Joint Global Change Research Institute, Pacific Northwest National Laboratory, College Park, MD, 20740, USA

Keywords:Precipitation and runoff variabilities;Copulas;Breakpoint;Anthropogenic activities;The Wei River Basin

Abstract:Investigation of the variations in precipitation and runoff and possible breakpoints of their relationship is of great value for local water resources planning and management. The Wei River Basin (WRB), as a typical arid and semi-arid region in China, was selected as the case study. The zonal and meridional moisture transport flux from the National Centers for Environmental Prediction (NCEP) reanalysis dataset were used to explore the possible causes of changes in precipitation variability. A Copula-based method was adopted to examine the changing relations between precipitation and runoff variabilities and identify possible breakpoints of their relationship. Results showed that: (1) a roughly decreasing precipitation trend was found for most months, especially in spring and autumn, which was mainly affected by the joint effects of the weakening East Asian summer and winter monsoons; (2) similar to precipitation changes, the runoff in most months in the WRB exhibited significantly decreasing trends, which are highly correlated with those of precipitation at the 95% confidence level; (3) two breakpoints of the relationship between precipitation and runoff were identified at Linjiacun station in 1972 and 1996

and at Zhangjiashan station in 1988 and 1997, whilst only one breakpoint was detected at Huaxian

station in 1995, which were well consistent with the extensive human water use and soil conservation practices.

1. 介绍

上世纪全球平均年平均气温上升了约0.74°C(IPCC，2007)，导致区域降水变率和极端事件(例如洪水和干旱)显著增加，(Easterling et al., 2000; Allen and Ingram,2002; Mirza, 2002; Alan et al., 2003; Wang et al., 2011; Xu et al.,2015; Leng et al., 2015a)。作为极其宝贵的自然资源之一，水资源在社会、经济和生态的可持续发展中发挥着重要作用。许多研究调查了气候变化和人为影响下水资源可用性和变异性的变化(Vorosmarty et al., 2010; Xu, 2011; Huuml;seyin and Saffet,2012; Zhao et al., 2012; Ling et al., 2014; Wang et al., 2015; Lenget al., 2015b; Wu et al., 2016)。例如，Zhang et al.(2011)研究了中国东北流域气候变率和人类活动对河流流量的影响; Tomer and Schilling (2009)应用一种简单的方法来区分土地利用和气候变化对美国中西部流域水文变化的影响； Yang and Tian(2009)调查了海河流域径流的突然变化及其主要驱动因素; Ye et al.(2013)利用耦合的水和能源预算分析框架，估算了中国鄱阳湖流域气候变化和人类活动对径流变化的相对影响；Xu et al.(2013)利用基于地貌的水文模型(GBHM)评估了气候变率和人类活动对中国泸江流域年径流的影响；Xu et al.(2014)在Budyko假设框架下进行了归因分析，以探测海河流域径流下降的主要原因；Yang et al.(2014)调查了随中国气候变化的径流变化弹性范围。

虽然许多研究人员已经调查了水资源对环境变化的反应，但变化的大小和方向通常在时间和空间上不同(Tomer and Schilling, 2009; Zhao et al., 2012; Jiang et al., 2014; Wang et al.,2014)。检测到变化的差异部分是因为大多数以前的研究从单变量角度研究区域水文学(Yang and Tian, 2009; Ye et al., 2013)。然而，地表水、大气、植被、土壤和地下水之间存在复杂的相互作用(Sadri and Burn,2012)，这使得用单变量分析方法研究变得非常复杂。事实上，对单个目标变量(例如降水或径流)变化的单变量分析不能完全揭示对气候变化和人类活动的水文反应。 因此，有必要以多元方式检测降水和径流的变化。

渭河流域是中国典型的干旱和半干旱地区，是黄河最大的支流。 WRB中可用的水资源非常有限，人均拥有308m³，每英亩174m³，分别约为全国平均水平的13％和9％。 有限的水资源严重限制了区域农业和工业发展。 更糟的是，WRB的径流已经呈现了显著的下降趋势(Huang et al.,2014a; Chang et al.,2015)，进一步加剧了供水与需求之间的矛盾。 因此，以多元方式全面有效地探讨降水和径流的变化是非常重要的，这有助于在气候变化和人类干扰加强的背景下促进当地水资源管理。

许多先前的研究(e.g. Su et al., 2007; Gao et al., 2012; Du and Shi, 2012; Zuo et al., 2012, 2014; Zhao et al., 2014)调查了气候变化和人类活动的作用对WRB径流变异性的影响。 然而，这些研究集中在径流变化的原因，忽略了降水变化的原因和降水与径流之间的变化关系。事实上，降水和径流之间的关系是水文和气象领域最重要的关系之一(Zhang and Lu,2009)。探索降水和径流之间关系的变化有助于了解径流变化、改善径流预测、指导当地水资源规划和管理。一旦发现降水和径流之间的关系变化点，就意味着径流产生机理已经明显改变，这对水文频率分析和水利工程建设具有重要影响。因此，迫切需要探测在不断变化的环境背景下降水和径流之间关系的可能变化点。到目前为止，没有一个人在WRB进行这样的明确调查。此外，用于确定降水和径流之间的关系的变化点的典型方法限于使用相关系数方法(Hao,2004)，然而，该方法不能完全捕获它们的非线性相关。Hyosang等人(2005)采用了一个概念模型来模拟变化的降水和径流关系。由于基础地表过程的不完全表示，水文模型通常需要大量的数据和参数校准，导致一定范围的不确定性。 在这项研究中，基于被广泛应用于金融领域Copula的方法，被引入辨别降水和径流的联合概率分布的关系的可能变化点。 虽然许多以前的研究，如Zhang et al. (2012, 2015) and Song and Singh. (2010)在水文学领域应用Copulas函数，他们对干旱风险评估在多元化角度上受到局限。 然而，据我们所知，从多变量的角度研究降水和径流变化关系是很少见的。

本研究的主要目的是：(1)调查降水的空间和时间变化，重点是引起变化的可能原因; (2)分析月径流量的变化及其与降水变化的关系; (3)确定降水和径流之间关系的可能变化点，同时探索其可能的原因。

1. 研究地区和数据
   1. 渭河流域简介

渭河流域位于103.5°E-110.5°E，33.5°N-37.5°N之间，覆盖地区总面积1.35times;10⁵km²(见图1)，在地形上，海拔从西北盆地向东南盆地减少。位于季风气候区，盆地主要特点是夏天潮湿炎热，冬天干燥寒冷。盆地年降水量近559mm，洪水季节的降水量(6〜9月)占年降水量的60％左右。

图一 渭河流域的地理位置和黄河流域水文气象站的位置

Huang et al.(2014b). 位于盆地的关中平原是重要的农业生产区，在区域经济发展中起着关键作用(Huang et al.,2014c)。此外，在这个平原上建立了许多工业园区，需水量大。农业，工业和家庭用水的需求不断增加，可用水资源的减少对WRB的可持续社会经济发展产生了巨大的风险(Huang and Fan，2013; Huang et al.,2014c)。在气候不断变化和人类活动加强的背景下，从多变量视角了解的水文反应对于当地水资源管理是有价值的，并可用于指导区域经济发展和农业实践。

• 1. 研究数据

从中国气象局(CMA)国家气候中心(NCC)收集了位于WRB及其相邻区域的21个气象站的1960-2010年的每日降水资料。通过Penman-Monteith公式(Monteith,1965)计算每日潜在蒸发系列。从美国国家环境预测中心(NCEP)再分析数据集(http://www.ncep.noaa.gov/)获得覆盖1960年至2010年的风速和特定湿度数据，并用于计算水分输送流量。从黄河水资源公报中收集了来自华西、张家山和林家村水文站的1960 - 2001年WRB中下游水文站的径流数据。 降水和径流数据的质量得到了有效保障(Chang et al.,2015)。占据小于总数据的0.01％的一些缺失数据，通过来自具有高相关性的邻近站的数据来内插得到，形成线性回归关系。此外，采用双质量曲线法检验这些数据的一致性，结果表明本文所用数据的一致性和可靠性。

1. 研究方法
   1. 改进的Mann-Kendall趋势测试方法

采用改进的Mann-Kendall(MMK)趋势测试方法(

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