探究水文循环的研究

(1)水文循环要素研究。

1)降水研究。5年来我国降水研究在以下几方面取得了显著进展。加强了降水宏观背景研究,即在全球气候背景下探讨我国大范围降水发生与发展的物理气候成因。我国气象学者饶有兴趣地研究厄尔尼诺和南方涛动(ElNin～o and South Oscillation,ENSO)对我国降水时空分布的影响,揭示了在不同ENSO 位相下我国不同地区四季雨量丰枯变化(金祖辉等,大气科学,1999;龚道溢,自然灾害学报,1998)。气象学家和海洋学家们通过分析海温异常所造成的大气物理量场的变化,揭示了海洋-大气关系对我国降水时空分布影响的许多重要科学事实,例如张庆云等探讨了夏季东亚热带副热带季风的强弱对中国东部夏季降水的影响,指出江淮流域的降水与热带季风槽、副热带梅雨峰的强度密切相关,当热带季风槽偏弱,梅雨峰偏强时,江淮流域的降水偏多(张庆云等,应用气象学报,1998);朱平盛等就北太平洋海温异常对我国降水影响的数值试验,结果表明,中纬度北太平洋大范围海温降低将造成东北夏季降水偏多,而40°N 以南广大地区降水将比正常年偏少(朱平盛等,气象,2000);郭艳君等的研究指出,我国西太平洋对流活动异常与我国夏季江淮地区的降水有密切关系(郭艳君等,气象,1998)。魏凤英等分析了太平洋、大西洋和印度洋海温变化并在特定配置时与我国西北地区夏季降水有显著统计相关(魏凤英等,应用气象学报,1998)。由于海洋-大气-陆地水体关系的复杂性,这方面的研究还是初步的。

大暴雨个例研究显著加强,不仅对当年大暴雨大多进行了个例研究,对历史大暴雨的个例研究也有进一步深入。在暴雨个例研究中一般均从雨情、致洪特点和天气学成因三方面进行分析,但诊断水平未见明显提高。暴雨时空分布统计特征研究出现一些有价值的新成果,例如:“中国降水与暴雨的季节变化”(王家祁等,水科学进展,1997)、“黄土地区小流域降雨空间变化特征分析”(李长兴等,水科学进展,1995)、“长江三角洲区域性暴雨的统计分析”(邹进上等,水科学进展,1995)。关于致洪暴雨中期预报研究取得新的进展并在实际应用中取得了一定成效(章淹等,水科学进展,1995)。在描述降水时空分布特征方面的一项显著进展是,引进熵的概念和方法揭示降水时空分布的空间结构特征,得到了一些符合实际的结论,显示利用熵分析水文水资源中的不确定性是一种有效的方法(张学文,新疆气象,2000)。

在国家开发西部战略推动下,对西北降水时空分布多年变化的研究取得了重要进展,揭示了西北地区在20世纪60年代多雨,70年代少雨,80年代又多雨,90年代少雨的变化规律(丁永健等,冰川冻土,1999;韦志刚等,气象学报,2000)。另一项研究指出,长江流域的严重旱涝不仅与降水量有关,而且与降水时空分布关系密切,在黄河中游也得到类似的结论,是长江、黄河旱涝成因研究的一项新进展(李吉顺,中国减灾,1999;康玲玲等,人民黄河,1999)。

在设计暴雨方面,为了反映城市效应对暴雨的影响,开展了城市设计暴雨型研究,建立了城市雨型新公式(岑国平等,水科学进展,1998)。1997年水利部水文司组织进行全国暴雨统计参数等值线图修编,使80年代初编绘的全国暴雨参数等值线图资料增加了20年,并以光盘出版,反映了中国设计暴雨的新水平;王家祁撰写的专著《中国暴雨》总结了我国50年来设计暴雨研究成果。

2)径流研究。在流域产流理论和计算方法研究中,由于垂向土壤中入渗的研究取得了新成果(唐海行等,水科学进展,1995),因而推动了超渗产流机制和模型的研究,但对产流计算精度并未有实质性提高。在汇流研究方面的进展主要表现在两个方面:①主要由于长江与洞庭湖相互关系的研究和淮河水位预报研究的推动,使水力学方法和水文学方法相结合的河道汇流研究取得显著进展,并已开发出在实际问题中应用良好的软件(胡四一等,水科学进展,2002)。②数值地貌学的理论和方法被应用于流域汇流研究取得一定成果,但对改进流域汇流计算方法和提高计算精度尚未见成效(谢平等,水利学报,1997)。此外,城市化地区的汇流问题开始引起较多的注意。

在径流研究方面,续20世纪60～70年代着重于汇流曲线研究(例如Nash单位线研究等),80～90年代中期着重于水文模型研究(例如中国开发的新安江径流模型等)之后,在20世纪90年代下半叶以来侧重于河川径流对气候变化的响应、人类活动对径流进而对水资源的影响、西北径流形成机理及现代技术在径流计算中的应用等方面。在河川径流对气候变化的响应研究方面,主要进行了在不同气候情景下径流量可能的变化,从而阐述气候变化对水资源的可能影响,其中康尔泗等关于中国西北干旱区内陆河流域出山径流变化趋势对气候变化响应研究(康尔泗等,中国科学D 辑,1999)和刘潮海等提出的中国西北干旱区冰川变化及其径流效应研究(刘潮海等,中国科学D 辑,1999)是具有代表性的。由于华北平原地下水的开采,地下水位大幅度下降,降雨入渗增加,径流减少,一些作者根据野外实测资料研究了地下水埋深对降雨径流的影响,提出了不同地下水埋深和不同P+Pa时的降雨径流深和径流系数(袁光耀,农田水利与小水电,1992)。

在人类活动对径流形成的影响方面,主要进行了人类活动影响下入渗及产流规律方面的探讨。例如,刘贤赵等揭示的黄土区坡地降雨入渗过程中的滞后效应(刘贤赵等,水科学进展,2001),顾慰祖利用同位素示踪技术揭示安徽滁州径流实验站降雨径流滞后效应(顾慰祖,水科学进展,1999),陈力等进行的坡面降雨入渗产流规律的数值模拟等(陈力等,泥沙研究,2001)都是近年来有新意的成果。许多新技术被应用于径流计算和预报中使中国径流分析计算水平有了长足进步,例如,人工神经网络技术在径流预报中的应用研究(张小峰等,水科学进展,2001),遥感和GIS技术支持下的暴雨产流模型研究(邓儒儒等,水文,1999),遗传算法在径流计算中的应用(金菊良等,水科学进展,1999)等是有代表性的成果。上述这些研究的工作平台大多选在我国西北干旱地区,从而推动了我国西北地区径流研究的发展。这是得益于我国实行的西部大开发战略的推动。

3)蒸发研究。土地沙漠化已成为中国西部严重的生态环境问题,并已影响到北京、天津和华北、东北地区。国家正采取有效措施防治土地沙漠化。为满足防治土地沙漠化的需要,我国西部干旱及半干旱地区蒸发研究取得了长足进展。重要的进展之一是,建立了一些位于西北干旱半干旱地区的蒸发试验站并进行了实验研究。例如,在新疆天山北坡平原昌青吉地区建立的20m2 水面蒸发站,利用近年观测资料给出了北疆地区E601蒸发器和20m2 蒸发器的水面蒸发系数并建立了水面蒸发计算经验公式(周金龙等,干旱区研究,1999);在内蒙古毛乌素沙漠进行的沙地和沙地植物蒸散发观测实验,揭示了沙丘水分蒸发的机制和计算模型。该项观测结果同时显示,沙地植物日蒸腾量(夏季)是同期沙地蒸发量的5倍,日均蒸发量达5.0mm。这些观测实验结果为西北地区沙漠化治理提供了依据(周金龙等,干旱区研究,1999;李品芳等,水利学报,2000)。

为了进行全国旱情监测,开展了利用实时接受的气象资料进行面蒸发能力计算的研究,并利用研究成果制作逐日全国干旱等级分布图,在实时旱情监测中发挥了作用(周国良等,水文,1998)。

为满足水资源规划和利用的需要,水面蒸发和土壤蒸发研究得到了加强。其中,高原咸水湖泊水面蒸发从观测实验到规律性分析和估算都取得了重要成绩,例如首次给出了西藏高原兹格塘措多年平均蒸发量为925.1mm,最大蒸发量为1111.5mm(1975),最低仅为791.9mm(1987)。并且指出其存在多年变化和蒸发量总体呈增大趋势(李万春等,湖泊科学,2001)。在水面蒸发的研究方面,除少数学者对全国水面蒸发系数进行一些对比研究外,无新的进展。大面积区域总蒸发的研究与计算仍然是亟待研究的薄弱方面。

(2)水文循环与水量平衡研究。在水文循环理论的基础上,刘国纬从事了与之密切相关领域中若干问题的探索,提出了多水转化与水量转换子系统间的耦合与演绎的系统理论,细化了水循环过程推演、水分传输系统的行为、物质携带以及各种水系统之间的界面概念体系,提出界面上的水分、溶质与能量的交换模式;刘昌明拓宽了区域尺度的水量平衡内涵,从径流形成、水量转换、农业水文水资源、水与环境、森林水文效应、生态水文学、比较水文学、气候变化以及全球增暖的区域水文效应等方面,构建了地理水文学的理论体系。(www.xing528.com)

土壤-植物-大气界面水分输移过程(SPAC)研究。水文循环界面过程研究近年来受到国际水文科学界广泛注意,是一个研究前沿和热点。我国水文界在这方面的研究也比较活跃并取得新的成果。代表性成果有:“土-根界面行为对单根吸水的影响研究”(黄明斌等,水利学报,1997),“土壤水势-植物叶面水势-蒸腾速率关系研究”(黄明斌等,水利学报,1996),“SPAC系统中水热输移的耦合迭代计算方法研究”(吴擎龙等,水利学报,1996),“麦田能量转化和水分传输特征研究”(莫兴国等,地理学报,1997),“土壤-植物-大气系统水分运移界面过程研究”(刘昌明等,水科学进展,1999)等。上述研究尚主要局限于小区实验,其成果应用于大中水文循环研究尚有较长距离要走。

水文循环大气过程研究。水文循环大气过程指从海洋和陆地蒸发进入大气的水分,在大气中输移、辐散辐合和陆地-大气水分交换等过程,是水文循环全过程中的重要环节。我国在中国大陆尺度和流域与区域尺度水文循环大气过程研究方面,作了系统的研究,并于1997年出版了该领域第一部专著《水文循环的大气过程》(刘国纬,1997)。此外,对区域水分内循环过程的研究也取得了重要成果,揭示出在我国自然条件下,当地蒸发的水分通过再循环形成的降水约占当地总降水量的10%等新事实,并建立了水文内循环模型(刘国纬、伊兰等,水科学进展,1997)。

在大尺度水文循环过程研究方面,张家诚论述了El Ni n～o与全球变暖等气候变化对中国大陆尺度水分循环的复杂过程。他同时阐述了水资源状况与水文循环陆地过程的关系,指出人类能够调整自身与自然的关系,保证正常的水分循环,从而减轻各种水旱灾害和水资源时空分布的不均匀性问题,张家诚的见解为开拓水文循环的研究提出了新的思路(张家诚,水科学进展,1999),邢如南阐述了大尺度海气相互作用对水文循环过程的影响,是近年来我国在这一领域有代表性的成果(邢如楠,水科学进展,1999)。

在区域尺度水文循环与水量平衡研究方面,张顺利与陶诗言等研究了长江中上游雅鲁藏布江流域陆地-大气系统水文循环和水量平衡,他们建立了基于区域网格化的水文内循环模型,求出了各网格的水文内循环系数,并给出了区域水文内循环和水量平衡分量的计算值。是继刘国纬于1997年所撰写的专著《水文循环的大气过程》之后在这一领域具代表性的最新进展(张顺利、陶诗言等,水科学进展,2000)。

张光辉等将熵的概念和方法应用于水文循环演化研究中,并试图找到水文循环结构由常态转入突变或灾变时的判据(阈值)(张光辉,水科学进展,2000;勘测科学技术,2000),为预测水文循环演化趋势提供了新的思维。

(3)全球变化研究。由世界科学联合会制定的国际地圈生物圈计划(IGBP),推动了全球变化研究,其宗旨是研究和预测人类生存环境未来的变化,为实现人类可持续发展作出贡献。我国成立了全球变化中国国家委员会,设在中国科学院,我国全球变化研究在以下方面取得较大进展:

中国气候变化研究。通过对近20万年来古气候研究(李彬等,地球科学进展,1998),特别是通过对青藏高原海拔7000m 冰层取样研究(姚檀栋等,冰川冻土,1998)、青藏高原积雪对全球变暖研究(李培基等,地理学报,1996)、青藏高原冻土退化研究(王绍令等,中国沙漠,1998),揭示出我国百年尺度平均气温变化大约为1～2℃,相当于小冰期变幅。相反地,农业植被可能变动若干纬度。此外,对中国旱涝变化趋势也有初步估计,即华北和西北可能出现暖干化的趋势,而长江以南地区降水量会稍有增加,而气温无明显变化趋势。

气候变化对中国水文及水资源影响的研究。这是中国在全球变化研究应用方面开展最多的研究工作。研究工作的基本思路与方法是,设定各种气候变化情景,例如设定降水与气温的各种组合,然后利用年或月径流模型推求径流、蒸发的可能变化,从而判断水资源情况的未来变化(刘春蓁,水科学进展,1997;陈家琦,水科学进展,1996;王建生,水利规划与设计,1998)。

采用GCMs输出的气温和降水作为流域水文模型的输入,然后推求径流的变化趋势也是常用的方法之一(刘新仁,河海大学学报,1996),但由于GCMs与流域模型的尺度匹配问题和模型参数化问题尚存在较大困难,所以实际应用中精度较差。这也是当前国内外研究的一个热点和难点。

全球变化研究的其他方面。在下列方面,中国也进行了积极的工作:中纬度海-气相互作用的研究(赵永平等,地球科学进展,1997);北半球冰川物质平衡变化的若干特征及其气候意义(丁永建等,地球科学进展,1996);中国陆地生态系统对全球变化的反映模式(周广胜等,地球科学进展,1997);中国全球变化研究能力评价(孙成权等,地球科学进展,1997)。但是,就总体而言,中国对全球变化研究的参与程度仍然是不够的,其主要原因是国家资金投入不足。