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《华南理工大学》 2015年
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气候变化对北江流域典型洪涝灾害高风险区防洪安全的影响研究

武传号  
【摘要】:气候变暖改变了水循环的时空变化过程,导致陆地降雨时空分布不均,进一步加剧了极端水文事件发生的概率与强度。随着经济的发展,我国因洪涝灾害导致的经济损失有逐年上升的趋势,20世纪90年代以来,全国年均洪涝灾害损失达1100多亿元,相当于同期GDP的1%~2%。基于洪涝灾害所产生的严重影响,全球变暖的背景下极端洪水事件发生的频率、强度等如何变化,是近年来气候变化研究中普遍关注的问题。研究气候变化下未来极端洪涝事件的趋势及强度变化,可以在理论上完善气候变化影响的评价体系和方法,对指导防灾减灾的决策等方面具有重要意义。本文以中国南方洪涝灾害高风险区北江流域内的重要大型水库(飞来峡水库)和典型重大城市(广州)为研究对象,深入开展气候变化对重点水利工程和城市防洪的影响研究,主要研究工作和结论如下:(1)从气候变化检测、监测和指标专家组(ETCCDMI)定义的气候指标中,筛选出符合飞来峡水库上游(简称飞来峡流域)气候特点的极端气候指标体系,基于Mann-Kendall(M-K)趋势检验方法提出了该流域极端气候指标趋势稳定性的判别条件,系统深入地分析了流域1969~2011年极端气候事件趋势的时空变化规律。结果表明,在过去的43年里流域极端低温事件显著减少,高温极值事件显著增加,流域呈现出较稳定的变暖趋势,极端强降水事件呈现出弱的不稳定的上升趋势。(2)基于长系列的水文气象观测资料,揭示了飞来峡流域暴雨洪水的变化规律以及气候变化和人类活动对流域洪水的影响。研究结果显示,在过去的43年里(1969~2011年)流域内极端强降雨和洪水强度总体上呈现出弱的上升趋势,无显著的突变现象。汛期4月、5月和8月的降雨和洪水呈下降趋势,6~7月呈上升趋势。总体上看,降雨仍然是影响极端洪水变化的主要因素,但人类活动已逐渐对洪峰流量变化产生影响。(3)提出了气候变化对流域洪水风险影响的评价方法和计算途径。基于VIC(Variable Infiltration Capacity)水文模型和Dag Lohmann汇流模型构建了飞来峡流域的区域水循环洪水模型,在统计降尺度的基础上,利用8种不同的气候模式数据预估了未来时期(2020~2050)4种排放情景下(A1B、RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5)飞来峡流域气温和极端降水变化,通过与大尺度VIC水文模型耦合,预估了未来时期飞来峡水库极端入库洪水的趋势和强度变化。结果表明,基于VIC构建的区域水循环洪水模型在飞来峡流域具有较高的模拟精度。未来时期(2020~2050)飞来峡流域各月份均呈现出继续变暖的态势,极端降雨呈上升态势,年最大径流深趋势的预测存在较大的不确定性,气候模式与排放情景是主要的不确定性来源。与历史时期(1970~2000)相比,未来时期(2020~2050)不同情景下飞来峡流域年最大日流量和年最大3d、7d和15d洪量均表现出以上升为主要特征的变化,但不同模式的预估结果相差较大。总体来看,极端入库洪水的强度和频率增加的可能性较大,水库防洪形势将变得更加严峻。(4)基于观测站点资料揭示了广州市极端强降雨、气温以及沿海相对海平面的历史变化特征,利用8种不同的气候模式数据集预估了未来时期(2020~2050)不同排放情景下广州市气温和极端降雨变化,并结合半经验海平面预测模型预估了未来时期广东沿海相对海平面变化。研究结果显示,过去几十年广州市城区气温呈显著上升趋势,城区短历时暴雨和暴雨频次也均有不同程度的上升趋势,广东沿海相对海平面呈显著上升趋势;2020~2050年广州市城区气温和强降雨将继续呈现出上升态势,沿海相对海平面也将继续上升,且排放情景越高,上升幅度越大。(5)提出了气候变化情景下广州市城区内涝风险概率模型。基于8种不同的气候模式数据集,利用Copula函数构建了历史与未来时期广州市城区雨潮遭遇风险概率模型,分析了未来时期不同排放情景下雨潮遭遇风险概率的变化趋势。结果表明,与历史时期(1970~2000)相比,未来时期(2020~2050)所有排放情景下强降雨与高潮位遭遇的风险概率均呈现出不同程度的上升趋势,暴雨与高潮位遭遇的概率增大,将会增加广州市城市防洪工作的难度。
【关键词】:气候变化 气候模式 VIC模型 洪水 组合风险概率 飞来峡水库 广州
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TV87
【目录】:
  • 摘要5-7
  • ABSTRACT7-14
  • 第一章 绪论14-31
  • 1.1 论文研究的背景和意义14-16
  • 1.1.1 论文研究背景14-16
  • 1.1.2 论文研究意义16
  • 1.2 极端气候事件研究方法综述16-18
  • 1.2.1 频率分析法16-17
  • 1.2.2 指标分析法17-18
  • 1.3 气候变化对洪水影响研究方法综述18-28
  • 1.3.1 气候情景生成技术19-20
  • 1.3.2 耦合模式比较计划(CMIP)20-23
  • 1.3.3 降尺度方法23-26
  • 1.3.4 流域水文模型26-28
  • 1.3.5 存在问题及未来发展趋势28
  • 1.4 多变量水文频率研究方法综述28-29
  • 1.5 本文主要研究内容29-31
  • 第二章 北江飞来峡水库上游极端气候事件时空变化特征研究31-49
  • 2.1 引言31
  • 2.2 研究区域和数据31-33
  • 2.2.1 研究区域概况31-33
  • 2.2.2 资料数据33
  • 2.3 研究方法33-36
  • 2.3.1 极端气候指标33-35
  • 2.3.2 Mann-Kendall趋势检验35-36
  • 2.3.3 趋势稳定性判别条件36
  • 2.4 极端气候事件的趋势强度分析36-39
  • 2.4.1 趋势强度百分比36-38
  • 2.4.2 趋势强度空间分布38-39
  • 2.5 极端气候事件的趋势稳定性分析39-42
  • 2.5.1 极端气温指标趋势稳定性39-41
  • 2.5.2 极端降水指标趋势稳定性41-42
  • 2.6 极端气候事件的趋势量级分析42-45
  • 2.6.1 极端气温指标趋势量级42-44
  • 2.6.2 极端降水指标趋势量级44-45
  • 2.7 极端气候指标时间序列分析45-48
  • 2.7.1 极端气温指标序列45-47
  • 2.7.2 极端降水指标序列47-48
  • 2.8 本章小结48-49
  • 第三章 北江飞来峡水库上游历史降雨与洪水变化特征研究49-73
  • 3.1 引言49
  • 3.2 资料数据49
  • 3.3 研究方法49-51
  • 3.3.1 突变检验49-50
  • 3.3.2 小波分析50-51
  • 3.3.3 双累积曲线法51
  • 3.4 强降雨变化分析51-59
  • 3.4.1 年最大降雨变化分析51-53
  • 3.4.2 汛期降雨变化分析53-59
  • 3.5 历史洪水变化分析59-66
  • 3.5.1 径流和洪峰的年内分布特征59
  • 3.5.2 年最大洪峰和洪量变化分析59-63
  • 3.5.3 汛期洪水变化分析63-66
  • 3.6 气候变化和人类活动对历史洪水影响分析66-71
  • 3.6.1 相关性分析66-67
  • 3.6.2 降雨对洪水影响分析67-70
  • 3.6.3 人类活动影响分析70-71
  • 3.7 本章小结71-73
  • 第四章 飞来峡水库上游区域水循环洪水模型与方法研究73-85
  • 4.1 引言73
  • 4.2 VIC模型简介73-76
  • 4.2.1 蒸发计算74-75
  • 4.2.2 融雪和冻土计算75
  • 4.2.3 土壤含水量及产流计算75-76
  • 4.3 VIC模型数据及参数标定76-80
  • 4.4 汇流模型80-81
  • 4.5 飞来峡水库上游洪水模型评估81-84
  • 4.5.1 模型参数率定结果81
  • 4.5.2 模拟评估81-84
  • 4.6 本章小结84-85
  • 第五章 气候变化情景下北江飞来峡水库极端入库洪水预估85-123
  • 5.1 引言85
  • 5.2 研究方法85-88
  • 5.2.1 降尺度方法85-87
  • 5.2.2 评估结果不确定描述方法87-88
  • 5.3 气候模式介绍88-91
  • 5.3.1 CMIP3 多模式集合降尺度数据88-89
  • 5.3.2 CMIP5 多模式集合降尺度数据89-90
  • 5.3.3 区域气候模式RegCM4.090-91
  • 5.3.4 CMIP5 单模式数据91
  • 5.4 气候模式适应性评估91-97
  • 5.4.1 月气温与降雨评估91-93
  • 5.4.2 日气温与降雨评估93-97
  • 5.5 未来情景飞来峡水库上游气温和降雨预估97-103
  • 5.5.1 未来月气温变化97-99
  • 5.5.2 未来月降雨变化99-101
  • 5.5.3 未来极端降雨变化101-103
  • 5.6 历史与未来时期飞来峡水库日流量模拟103-108
  • 5.6.1 日流量模拟103-105
  • 5.6.2 月流量变化105-108
  • 5.7 极端洪水对未来气候变化的响应108-121
  • 5.7.1 未来极端洪水趋势变化108-110
  • 5.7.2 未来极端洪水强度变化110-114
  • 5.7.3 未来极端洪水频率变化114-121
  • 5.8 本章小结121-123
  • 第六章 气候变化背景下广州市水文气象要素历史变化特征研究123-134
  • 6.1 引言123
  • 6.2 研究区域和数据123-125
  • 6.2.1 研究区域概况123-124
  • 6.2.2 资料数据124-125
  • 6.3 小时暴雨变化125-126
  • 6.3.1 小时暴雨序列统计分析125
  • 6.3.2 小时暴雨频次统计分析125-126
  • 6.3.3 小时暴雨趋势分析126
  • 6.4 日强降雨变化126-128
  • 6.4.1 序列统计分析126-127
  • 6.4.2 强降雨频次统计分析127-128
  • 6.5 气温变化128-131
  • 6.5.1 日气温变化128-129
  • 6.5.2 极端气温事件变化129-131
  • 6.6 沿海相对海平面变化131-132
  • 6.7 本章小结132-134
  • 第七章 广州市城区雨潮遭遇风险概率模型研究134-145
  • 7.1 引言134
  • 7.2 数据和方法134-138
  • 7.2.1 资料数据134-135
  • 7.2.2 研究方法135-138
  • 7.3 Copula优选138-140
  • 7.3.1 参数估计138
  • 7.3.2 拟合优度检验138-140
  • 7.4 雨潮联合分布计算140-141
  • 7.5 雨潮组合风险概率模型构建141-143
  • 7.6 本章小结143-145
  • 第八章 气候变化对广州市城区内涝风险概率影响评估145-165
  • 8.1 引言145
  • 8.2 数据和方法145-147
  • 8.2.1 气候模式数据145-146
  • 8.2.2 研究方法146-147
  • 8.3 未来气候情景预估147-152
  • 8.3.1 月气温变化147-148
  • 8.3.2 月降雨变化148-150
  • 8.3.3 极端降雨变化150-152
  • 8.4 海平面对未来气候变化的响应152-153
  • 8.5 雨潮遭遇风险概率对未来气候变化的响应153-163
  • 8.5.1 Copula函数选择154-155
  • 8.5.2 未来雨潮遭遇风险概率变化155-163
  • 8.6 本章小结163-165
  • 结论与展望165-168
  • 结论165-167
  • 展望167-168
  • 参考文献168-182
  • 攻读博士学位期间取得的研究成果182-185
  • 致谢185-187
  • 附件187

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10 赵艳霞;;加强部门间的合作和资料、成果共享[A];新观点新学说学术沙龙文集6:未来几年气候变化研究向何处去[C];2007年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 吴贤纬;气候变化与金融业(下)[N];中国气象报;2005年
2 赵艳红;我国将设最高气候应对指挥部[N];北京商报;2007年
3 张静;适应和缓解气候变化战略与行动项目将启动[N];中国财经报;2007年
4 战雪雷;《中国应对气候变化国家方案》今起实施[N];中国财经报;2007年
5 中和;我国颁布应对气候变化国家方案[N];中国改革报;2007年
6 记者 赵庆国;国家为应对气候变化提供科技支撑[N];中国改革报;2007年
7 黄勇;驱散气候变化梦魇[N];中国环境报;2007年
8 黄勇;中国需积极应对气候变化危机[N];中国环境报;2007年
9 柳艳菊;应对全球气候变化中国迈出坚实步伐[N];中国环境报;2007年
10 本报记者 黄勇;联大首次举行气候变化专题辩论[N];中国环境报;2007年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王璟珉;全球气候变化问题的认知比较研究[D];中国海洋大学;2007年
2 王伟男;欧盟应对气候变化的基本经验及其对中国的借鉴意义[D];上海社会科学院;2009年
3 张乾红;论应对气候变化的适应制度选择[D];武汉大学;2010年
4 武传号;气候变化对北江流域典型洪涝灾害高风险区防洪安全的影响研究[D];华南理工大学;2015年
5 李琦;渭河流域地下水对气候变化的响应研究[D];长安大学;2015年
6 张修宇;气候变化下水资源动态承载力计算方法及应用研究[D];郑州大学;2015年
7 傅聪;欧盟应对气候变化治理研究[D];中国社会科学院研究生院;2010年
8 王原;城市化区域气候变化脆弱性综合评价理论、方法与应用研究[D];复旦大学;2010年
9 孙宁;气候变化对制造业的经济影响研究[D];南京信息工程大学;2011年
10 孙芳;农业适应气候变化能力研究—种植结构与技术方向[D];中国农业科学院;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 许张衡;气候变化问题的环境伦理研究[D];北京化工大学;2010年
2 杨启国;气候变化对区域社会经济可持续发展的影响及适应性对策研究[D];兰州大学;2008年
3 李倩;论中美在全球气候变化问题上的博弈[D];燕山大学;2011年
4 张琳;南非应对气候变化问题的政策研究[D];华中师范大学;2013年
5 陈亚兰;农村居民气候变化认知与行动意愿关系研究[D];南京信息工程大学;2014年
6 张盼峰;基于公众人地观的气候变化适应性研究[D];东北师范大学;2015年
7 叶海瑞;内蒙古牧区气候变化和牧民对气候变化影响的适应性措施研究[D];内蒙古大学;2015年
8 陈方远;京津冀地区主要城市气候变化及其原因分析[D];南京信息工程大学;2015年
9 董京奇;应对气候变化:走向环境、发展与公平的统一[D];南京信息工程大学;2015年
10 杜宁;气候变化认知、社会责任感与公众减排行为[D];南京信息工程大学;2015年
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