降水 - 径流系列稳态 - 非稳态变化及检测与归因

姜 彤国家气候中心

2011 年 8 月 18 日

区域气候变化检测研讨会

- 气候变化影响的检测和归因方法讨论 -

内容提要

问题的提出 降水 - 径流序列稳态规律不存在

了 降水 - 径流序列的检测和归因

内容提要

问题的提出 降水 - 径流序列稳态和非稳态规律打

破 降水 - 径流序列的检测和归因

20 章（ 500页）

气候变化 的影响、适应和脆弱性（ IPCC WGII ）

AR5AR4 30 章（ 800页）

关注生态系统、人类安全，观测到影响更综合 / 未来影响更具体 , 综合运用适应和减缓

SRES 情景 RCPs-SSPs 情景应用

海洋 食物系统和安全

城市和农村 部门经济

人类安全 生存和贫困

适应（章节） 影响的检测和归因

中南美洲 公海

内容提要

问题的提出 降水 - 径流序列稳态和非稳态规律打

破 降水 - 径流序列的检测和归因

平均状态变化；离差幅度变化；平均状态与离差幅度同时变化；

气候变化观测时间序列

Generalized Gamma probability density function

尺度参数 b, 形状参数 d, 位置参数 k

Gamma distribution: d = 1Weibull distribution: k = 1

Gam

ma

dist

rib.

降水 - 径流时间序列稳态和非稳态规律：

稳定性已不适用研究气象 - 水文极端事件的发生规律、风险及其长期变

率特征，尤其是区域尺度上的形态特征及其概率，计算一定设计标准的特征值，对建设各类水利水电、土木建筑等工程，对防灾减灾和经济建设都具有重大意义 。

传统频率分析的前提条件是序列稳定性。 然而在气候变化和人类活动双重影响下，水文气象序列在某种意义上已异于原天然序列，其样本或其统计特性随着时间的推移已发生变化，序列的稳定性假设可能不再成立。

降水 - 径流时间序列稳态和非稳态规律

研究气象 - 水文极端事件的发生规律、风险及其长期变率特征，尤其是区域尺度上的形态特征及其概率，计算一定设计标准的特征值，对建设各类水利水电、土木建筑等工程，对防灾减灾和经济建设都具有重大意义 。

Milly,SCIENCE,Feb.2008

非非稳定性已经出现

流域降水 - 径流时间序列稳态和非稳态规律

降水量的四种分布形式：WAK 、 GPD 、 GEV 和经验

四季降水拟合的概率分布 ( 点线为1961-1986 年时段 , 环线为 1987-2008年时段 , 横坐标单位均为 mm)

JoHy, 2010

流域降水 - 径流时间序列稳态和非稳态规律

91 年 最 高 水 位 序 列（ 1912-2009 ）

59 年最高水位序列（ 1912-1979 ）

长江流域水位极端值函数变化

（吴淞水文站）

长江流域水位极端值函数变化

（吴淞水文站）

洪水（极端值）设计分布 （ GPD 方法） 选择珠江和淮河两个水文站

AMF, POTQ95 and POTQ99 重现期与洪水流量

JoHy, 2010

枯水设计分布 （ GPD 方法）选择珠江和淮河两个水文站

AMinQ, AM7Q and AM30Q 重现期与枯水流量

JoHy, 2010

降水 - 径流时间序列的非稳定性需要进一步研究，创建时间因变概率函数

0 10 20 30 40 50

旬降水分布特征分析：峰度与偏度 时间因变概率函数

年最大降水量

重现期 50 年一遇年最大降水量预估（ Wakeby 分布函数 ）

(2001-2040 相对 1961-2000)

周期增长 （频率减缓） 最大降水 50 年一遇 .

周期减小（频率加大）

• 96 个站年最大降水量分析表明 70% 个站点Wakeby 分布排序为第 1

• 50 年重现期年最大降水量（ Wakeby ）

CC, 2011

珠江流域

内容提要

问题的提出 降水 - 径流序列稳态和非稳态规律打

破 降水 - 径流序列的检测和归因

IPCC AR4 WGII 中的影响的归因和检测

海平面和风暴IPCC AR4, 2007

经济损失与适应关系

波士顿城市地区 :

Adaptation Investment – A $390 million protective infrastructure.

Internal Rate Date of Return 2010 2.0% 2015 3.8% 2020 4.2% 2025 5.2% 2030 6.4% 2035 8.4%

IPCC AR4, 2007

滦河案例： 3 个流域分析

年地表径流

Change of annual discharge at two stationsof haihe river basin during 1960-2007

LuanxianMK=-4.18

BeizhongshanMK=-3.68

Ai’xinzhuangMK=-3.5

滦河流域

滦河流域气温与降水

6

6. 5

7

7. 5

8

8. 5

9

9. 5

10

1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

300

400

500

600

700

800

900

1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

-3

-2

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0

1

2

3

4

1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

99%（ + ）

<90%(-)

1993

滦河流域年径流

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

runo

ff (

mm)

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

99%（ - ）

1996-1997

滦河流域 HBV模拟结果（年径流）

　效率系数 相对差异

率定期 验证期 率定期 验证期1960-1964 87.56% 　 -3.42% 　

1965-1969 　 77.71% 　 15.89%

1960-1979 75.80% 9.71%

滦河流域径流突变： 5-10月

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

-5

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-2

-1

0

1

2

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4

1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

-4

-3

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-1

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1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

-5

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-2

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1

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1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

-5

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-1

0

1

2

3

4

1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

-6

-5

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-2

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0

1

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3

4

1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

1997

1991

1997

1997

1973

1980

99%(+)

99%(-) 99%(-)

99%(-)

99%(-)

滦河水系与大型水库

滦河水系与大型水库

滦河流域面积： 44750km2 ；主要控制性水利工程有：潘家口水库：控制面积 33700km2 （ 1980 年蓄水运用）大黑汀水库： 35100km2 （ 1980 年蓄水运用）桃林口水库： 5060km2 （ 1998 年竣工）

0

50

100

150

200

250

1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

si mul ated

observed

人类活动影响分析：归因

　precipitation

observed runoff

simulated runoff

human-induced

Totalchange

Human activity 　

1960-1979538.815

7 104.8602 115.04485 　 　 　

1980-1993511.0065

71 46.18685714 88.66578571 -42.47892857 -58.67 27.6%

1997-2007494.912

182 18.16154545 79.41763636 -61.25609091 -86.70 29.3%

谢 谢 ！