專利名稱：一種定量區(qū)分水循環(huán)演變過程中不同因素貢獻的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種定量區(qū)分水循環(huán)演變過程中不同因素貢獻的方法，是一種定量區(qū)分水循環(huán)演變過程中包括自然因素和人類活動在內(nèi)的不同因素貢獻的方法，是一種利用氣象氣候學中的統(tǒng)計技術和水文水資源學中的二元水循環(huán)模型來定量區(qū)分水循環(huán)演變過程中自然因素和人類活動貢獻的技術方法。
背景技術：
水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基，作為一種可再生性資源，水資源的數(shù)量是非常有限的，在很大程度上依賴于水循環(huán)系統(tǒng)。由于水資源開發(fā)利用和水利工程建設等人類活動的不斷增強，流域水循環(huán)過程已經(jīng)從原來的“自然”模式占主導逐漸轉變?yōu)椤白匀?人工”二元耦合模式。自然水循環(huán)過程由降水、植被冠層與洼地截留、蒸發(fā)蒸騰、入滲、地表徑流、土壤中徑流、地下徑流和河道匯流等構成，其驅動力是太陽輻射、重力和風力等自然驅動力?！白匀?人工”二元水循環(huán)不僅包括上述自然水循環(huán)過程，而且包括取水、輸水、配水、用水、耗水和排水等人工側支水循環(huán)過程，其驅動力既有自然驅動力，又有社會經(jīng)濟驅動力。分布式水文模型從20世紀80年代以來得到很大發(fā)展及應用(賈仰文等，2006;田富強等，2008 ；楊大文等，2004)，其優(yōu)勢是對自然水循環(huán)過程進行分布式模擬，但本身沒有水資源的配置調(diào)度功能，在模擬人工側支水循環(huán)過程方面受到限制。水資源配置模型近年也得到廣泛研究與應用(翁文斌等，2004;左其亭等，2005)，其優(yōu)勢在于對水資源的供需平衡分析和水庫調(diào)度，但研究內(nèi)容僅限于徑流性水資源，缺少對包括蒸發(fā)蒸騰在內(nèi)的自然水循環(huán)全要素的平衡分析。為了更好地模擬高強度人類活動地區(qū)的“自然-人工” 二元水循環(huán)過程，為流域水資源綜合管理提供技術支撐和決策支持，需要將兩類模型耦合起來。在此背景下，賈仰文和王浩等將分布式水文模型和水資源配置模型耦合起來開發(fā)形成了流域二元水循環(huán)模型，并在黃河、海河等流域進行了成功應用(賈仰文等，2006，2010)。近年來以全球變暖為主要特征的氣候變化對水循環(huán)系統(tǒng)的影響日益凸顯，加劇了水循環(huán)系統(tǒng)的復雜性，致使對變化環(huán)境下的水循環(huán)系統(tǒng)進行模擬和預測的難度也在不斷加大。盡管國內(nèi)外學者針對二元水循環(huán)模擬開展了大量工作，其中最具代表性的是王浩院士及其科研團隊基于二元水循環(huán)理論研發(fā)的流域二元水循環(huán)模型，為高強度人類活動地區(qū)的水循環(huán)模擬提供了強有力的工具，但由于在氣候變化對水循環(huán)影響機理方面認識的不足和相關技術的不成熟，現(xiàn)有模型和方法尚不能科學辨識水循環(huán)演變過程中溫室氣體排放導致的氣候變暖、取用水和下墊面改變等人類活動因素以及自然因素的作用，給未來變化環(huán)境下的水資源預測和水資源綜合管理增加了難度和不確定性。隨著經(jīng)濟社會發(fā)展和全球氣候變暖，人類活動對流域水循環(huán)的影響日益加劇。影響水循環(huán)演變的因素有許多，除了氣候系統(tǒng)中降水等要素的自然變異、太陽活動和火山爆發(fā)等自然因素外，還有溫室氣體排放導致的氣候變暖、取用水和下墊面改變等人類活動因素，以及其它一些未知和不確定因素，如何科學識別水循環(huán)演變的驅動因素并定量區(qū)分水循環(huán)演變過程中自然因素和人類活動的貢獻，已成為現(xiàn)代水文水資源學研究的關鍵科學問題之一。國內(nèi)尚無統(tǒng)一和成熟的方法，目前的分項調(diào)查法和水文模型法主要以統(tǒng)計、還原和修正等作為基本手段，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代“自然-人工”二元驅動力作用下流域水循環(huán)演變過程中的人類活動效應研究。國外在該方面的研究最具代表性的是美國加州大學在美國西部流域開展的相關工作，2008年Barnett等人在國際權威學術期刊《科學》上發(fā)表了題為“美國西部人類活動導致的水文變化”的論文，該研究基于實測資料、氣候模式和水文模型，采用氣象氣候學中的指紋識別技術得出“人類活動導致的氣候變暖在美國西部過去50年冬季氣溫、徑流量達到年徑流總量一半的時間、積雪量等變量變化中的貢獻為60%”的結論(Barnett等， 2008)。此項研究是國際上有關水文要素演變的定量歸因研究的首次探索，但其所關注的變量都是對溫度變化比較敏感的變量，而沒有考慮蒸發(fā)、徑流、水資源量等水文水資源學中所關心的要素；另外，美國的流域與我國高強度人類活動影響的流域在水循環(huán)特性和對氣候變化的響應機制上可能有所不同，該研究只考慮了氣候變化一個因素的影響，而沒有考慮取用水以及由于人類經(jīng)濟社會發(fā)展所致的對地表水體的開發(fā)和重塑、局地微地貌的改變、 土地覆蓋的改變和建筑物的修建造成的下墊面改變等人類活動因素的影響，無法定量區(qū)分自然因素和人類活動在流域水循環(huán)演變過程中的貢獻，不能滿足科學識別變化環(huán)境下高強度人類活動流域水循環(huán)演變驅動因素的需求。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術的問題，本發(fā)明提出了一種定量區(qū)分水循環(huán)演變過程中不同因素貢獻的方法，所述的方法將氣象氣候學中的指紋識別技術與水文水資源學中的二元水循環(huán)模型相結合，提出了一種定量區(qū)分水循環(huán)演變過程中自然因素和人類活動貢獻的技術方法。基于設置的不同情景，利用流域二元水循環(huán)模擬技術、氣候模式與水文模型耦合技術、 蒙特卡羅統(tǒng)計方法以及指紋識別技術，通過對比不同條件下水循環(huán)要素演變情況的定量評價指標，可以定量區(qū)分自然變異、太陽活動和火山爆發(fā)等自然因素以及溫室氣體排放導致的氣候變暖、包括取用水和下墊面改變在內(nèi)的人類活動等因素在水循環(huán)各要素演變過程中的貢獻。本發(fā)明豐富了變化環(huán)境下流域水循環(huán)演變驅動因素識別的理論和研究方法，為科學識別水循環(huán)演變的驅動因素和定量區(qū)分自然因素和人類活動在水循環(huán)演變過程中的貢獻提供了一種新的方法。本發(fā)明所采用的二元水循環(huán)模擬技術、氣候模式與水文模型耦合技術、蒙特卡羅統(tǒng)計方法以及指紋識別技術均為目前各自研究領域中比較成熟的技術方法，可以為本發(fā)明中的模型方法構建奠定基礎。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種定量區(qū)分水循環(huán)演變過程中不同因素貢獻的方法，所述的方法的步驟如下
二元水循環(huán)模型建立的步驟用于利用二元水循環(huán)模擬技術，基于水文、氣象、數(shù)字高程模型(DEM)、土地利用、土壤、植被、人口、國內(nèi)生產(chǎn)總值(⑶P)、取用水多源信息，建立包括流域分布式水文模型和水資源配置模型在內(nèi)的二元水循環(huán)模型，并利用實測數(shù)據(jù)資料對模型的模擬效果進行驗證；
判斷不同因素作用下水循環(huán)要素的演變情況的步驟通過互聯(lián)網(wǎng)獲取自然變異、太陽活動和火山爆發(fā)等自然因素以及溫室氣體排放導致的氣候變暖條件下氣候模式輸出的降水和溫度數(shù)據(jù)，基于氣候模式與水文模型耦合技術將氣候模式輸出數(shù)據(jù)處理為水文模型所要求的數(shù)據(jù)格式，通過運行水文模型，判斷自然變異、太陽活動和火山爆發(fā)等自然因素以及溫室氣體排放導致的氣候變暖、包括取用水和下墊面改變在內(nèi)的人類活動因素作用下水循環(huán)要素的演變情況；
計算不同情景下水循環(huán)要素演變的定量評價指標的步驟用于計算自然因素和人類活動分別作用下以及實際情況下水循環(huán)要素演變的定量評價指標一信號強度，其中自然因素作用下水循環(huán)要素演變的信號強度的計算是在基于指紋識別技術計算出多個信號強度值的基礎上采用蒙特卡羅統(tǒng)計方法給出一定置信水平下的數(shù)值，太陽活動和火山爆發(fā)、溫室氣體排放導致的氣候變暖、包括取用水和下墊面改變在內(nèi)的人類活動因素作用下水循環(huán)要素演變的信號強度則是直接基于指紋識別技術計算得到的具體數(shù)值；
定量區(qū)分不同因素在水循環(huán)演變過程中的貢獻的步驟用于將自然因素和人類活動分別作用下水循環(huán)要素演變的信號強度與實際水循環(huán)要素演變的信號強度進行對比，定量區(qū)分自然因素和人類活動在水循環(huán)各要素演變過程中的貢獻。本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是將氣象氣候學中的指紋識別技術與水文水資源學中的二元水循環(huán)模型相結合，提出了一種定量區(qū)分水循環(huán)演變過程中自然因素和人類活動貢獻的技術和方法?；谠O置的不同情景，利用分布式流域水循環(huán)模擬技術、氣候模式與水文模型耦合技術、蒙特卡羅統(tǒng)計方法以及指紋識別技術，通過對比不同情景下水循環(huán)要素變化情況的定量評價指標，可以定量區(qū)分自然因素和人類活動在水循環(huán)演變過程中的貢獻。本發(fā)明豐富了變化環(huán)境下流域水循環(huán)演變驅動因素識別的理論和研究方法，為科學識別水循環(huán)演變的驅動因素和定量區(qū)分自然因素和人類活動在水循環(huán)演變過程中的貢獻提供了一種新的方法。本發(fā)明所采用的蒙特卡羅統(tǒng)計方法、分布式水循環(huán)模擬技術、氣候模式與水文模型耦合技術以及指紋識別技術均為目前各自研究領域中比較成熟的技術方法，可以為研究中的模型方法構建奠定基礎，本發(fā)明只需將現(xiàn)有模型方法聯(lián)合應用，避免了整體性模型開發(fā)，技術風險較小，可以保障該發(fā)明的順利實現(xiàn)。


下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。圖1是本發(fā)明所述方法的流程圖。
具體實施例方式本實施例是一種定量區(qū)分水循環(huán)演變過程中不同因素貢獻的方法。所述方法的流程圖如圖1所示。本實施例的基本思路是建立二元水循環(huán)模型，獲取自然變異、太陽活動和火山爆發(fā)等自然因素以及溫室氣體排放導致的氣候變暖影響下的氣候模式輸出，判斷自然變異、 太陽活動和火山爆發(fā)等自然因素以及溫室氣體排放導致的氣候變暖、包括取用水和下墊面變化在內(nèi)的人類活動等因素作用下水循環(huán)要素的演變情況，將自然因素和人類活動分別作用下的水循環(huán)要素變化情況的定量評價指標與實際的水循環(huán)要素變化情況的定量評價指標進行對比，定量區(qū)分自然因素和人類活動在水循環(huán)演變過程中的貢獻。
本實施例所述方法的具體步驟如下
首先，二元水循環(huán)模型的建立。利用二元水循環(huán)模擬技術，基于水文、氣象、數(shù)字高程模型(DEM)、土地利用、土壤、植被、人口、國內(nèi)生產(chǎn)總值(⑶P)、取用水等多源信息，建立包括流域分布式水文模型和水資源配置模型在內(nèi)的二元水循環(huán)模型，并利用實測數(shù)據(jù)資料對模型的模擬效果進行驗證。所述二元水循環(huán)模型的建立是基于二元水循環(huán)模擬技術，建立由分布式水文模型 WEP-L (Water and Energy transfer Process in Large river basins)(JIA 等，2006)禾口水資源配置模型 R0WAS(Rules-based Objected-oriented Water Allocation Simulation Model) (YOU等，2005)耦合而成的二元水循環(huán)模型。1)本實施例所述的水文模型WEP-L模型是在WEP (Water and Energy transfer Process)(賈仰文等，2006)模型的基礎上開發(fā)研制而成，和國內(nèi)外同類模型如MIKE SHE、 SWAT、T0PM0DEL等相比具有如下優(yōu)點綜合了分布式水文模型和陸面過程模型各自的優(yōu)勢；模擬對象為“自然-人工”二元水循環(huán)系統(tǒng)；針對大型或超大流域，采用“子流域內(nèi)等高帶”為計算單元，并用“馬賽克”法考慮計算單元內(nèi)土地植被的多樣性，避免了采用過粗網(wǎng)格單元產(chǎn)生的模擬失真問題；針對水循環(huán)各要素過程時間尺度不同的特點，采用變時間步長進行模擬計算，既保證了水循環(huán)動力學機制的合理表達又提高了計算效率；計算速度較快。 WEP-L模型包括分布式流域水文模塊和地下水數(shù)值計算模塊兩個子模塊，分布式流域水文模塊主要用來模擬水分在地表、土壤、地下、河道以及人工水循環(huán)系統(tǒng)中的運動過程，并為地下水數(shù)值計算模塊提供降水入滲補給和人工入滲補給輸入；地下水數(shù)值計算模塊用來對平原區(qū)地下水進行精細模擬，并為分布式流域水文模塊提供地下水計算結果的檢驗。該模型的模擬步驟包括收集水文氣象、自然地理及社會經(jīng)濟等各類基礎數(shù)據(jù)，建立基礎數(shù)據(jù)庫， 按模型文件格式要求準備輸入的數(shù)據(jù)，水系生成、流域劃分和編碼，降水等氣象要素的時空展布，模型物理參數(shù)(植被、土壤、含水層、河道和水庫等)的確定，建立河道與子流域屬性表、基本計算單元屬性表，基于實測徑流數(shù)據(jù)和地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)對模型進行校驗。TOP-L 模型的參數(shù)主要分為4類下墊面與水系參數(shù)，植被參數(shù)，土壤參數(shù)以及含水層參數(shù)。所有參數(shù)均具有物理意義，可根據(jù)觀測實驗數(shù)據(jù)或遙感數(shù)據(jù)來估算。有關該模型及其應用的詳細介紹見文獻(賈仰文等，2005)。2)本實施例所述的水資源模型R0WAS模型是以對水資源系統(tǒng)的概化為基礎， 將復雜水資源系統(tǒng)轉化為滿足數(shù)學描述的框架。和國內(nèi)外同類模型如MIKEBASIN、IQM、 Waterware等相比，該模型可以將自然水循環(huán)和人工側支水循環(huán)結合為一個整體進行研究， 針對水資源系統(tǒng)涉及的主要元素和過程，建立一套通過規(guī)則控制的模擬計算流程，基于規(guī)范和決策程序設計系統(tǒng)供水、用水、耗水、排水以及水利工程的運行調(diào)度，并通過參數(shù)控制各個環(huán)節(jié)。ROWAS模型以系統(tǒng)概化得到的點線概念來表達實際中與水相關的各類元素和相互關聯(lián)過程，識別系統(tǒng)主要過程和影響因素，并對系統(tǒng)的水源和用水戶進行分類。水源包括本地蓄水、本地河網(wǎng)水、再生水、外調(diào)水等地表水源，以及淺層、深層等地下水源；用水戶包括農(nóng)業(yè)、工業(yè)、三產(chǎn)、城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活、生態(tài)等河道外用水戶，及發(fā)電、航運及河道內(nèi)生態(tài)用水等。通過配置模擬計算，可以從時間、空間和用戶三個層面上模擬水源到用戶的分配， 并且在不同層次的分配中考慮各種因素的影響。ROWAS模型的參數(shù)主要包括渠系利用系數(shù)、 污水處理率、各類水源供水優(yōu)先級等規(guī)劃決策信息，各類用水戶需水量及年內(nèi)分配過程等需水過程參數(shù)，以及各類用水戶供水結構、耗水率、農(nóng)業(yè)用水下滲率等用水耗水信息，這些參數(shù)大部分都可以從統(tǒng)計資料中獲取。有關該模型及其應用的詳細介紹見文獻(You等， 2005 ；游進軍等，2005)。3)在應用TOP-L分析自然水循環(huán)過程的基礎上，采用ROWAS模型處理水資源配置和水庫調(diào)度，二者的具體耦合方式為=WEP-L為ROWAS提供各節(jié)點及規(guī)劃單元的地表水資源量和地下水補排狀況(補給量和排泄量)；而ROWAS的輸出結果在時間和空間尺度上合理展布后，提供給WEP-L并作為指導WEP-L水庫調(diào)度和水量供給分配的依據(jù)。有關二元模型的開發(fā)及應用請參考文獻(賈仰文等，2006，2010)。其次，判斷不同因素作用下水循環(huán)要素的演變情況。通過互聯(lián)網(wǎng)獲取自然變異、太陽活動和火山爆發(fā)等自然因素以及溫室氣體排放導致的氣候變暖條件下氣候模式輸出的降水和溫度數(shù)據(jù)，基于氣候模式與水文模型耦合技術將上述氣候模式輸出數(shù)據(jù)處理為水文模型所要求的數(shù)據(jù)格式，通過運行水文模型，判斷自然變異、太陽活動和火山爆發(fā)等自然因素以及溫室氣體排放導致的氣候變暖、包括取用水和下墊面改變在內(nèi)的人類活動等因素作用下水循環(huán)要素的演變情況。自然因素和人類活動分別作用下水循環(huán)要素的演變情況本步驟首先通過互聯(lián)網(wǎng)獲取自然變異、太陽活動和火山爆發(fā)等自然因素以及溫室氣體排放導致的氣候變暖條件下氣候模式輸出的降水和溫度數(shù)據(jù)，然后基于氣候模式與水文模型耦合技術將氣候模式輸出數(shù)據(jù)處理為水文模型所要求的數(shù)據(jù)格式，通過運行水文模型，得到自然變異、太陽活動和火山爆發(fā)等自然因素以及溫室氣體排放導致的氣候變暖、包括取用水和下墊面改變在內(nèi)的人類活動等因素作用下水循環(huán)要素的演變情況。1)氣候模式數(shù)據(jù)的獲取本實施例選用的氣候模式為PCM (Parallel Climate Mode 1) (Washington，2000 )，和其它氣候模式如加拿大氣候模式(CGCMA3)、德國氣候模式(MPI-ECHAiK)等相比，該模型在海洋和海冰模擬方面具有更高的分辨率，并且模擬的物理過程也更加符合實際，能較好地模擬實際氣候情景以及氣候的自然變異情況(Barnett 等，2008)。本發(fā)明分別選用PCM的三個強迫試驗來反映自然變異、太陽活動和火山爆發(fā)等自然因素以及溫室氣體排放導致的氣候變暖條件下的降水和溫度情況。有關PCM及上述強迫試驗的詳細信息可以從如下網(wǎng)址獲取http://WWW. earthsystemgrid. org/.
2)氣候模式與水文模型的耦合技術氣候模式考慮了氣候系統(tǒng)內(nèi)部各種復雜的物理過程，在大陸和半球尺度上的氣候模擬方面取得了良好的模擬效果。但由于研究目的和設計框架的限制，氣候模式的分辨率較粗，通常在2° X2°以上，而流域尺度的水文模型分辨率較高，在耦合氣候模式和水文模型時存在著空間尺度的不匹配問題。解決這一問題的方法一般包括動力降尺度和統(tǒng)計降尺度兩大類，兩種方法各有優(yōu)劣。動力降尺度通常是指把一個高精度的有限面積模型或者區(qū)域氣候模型完全嵌套進一個全球氣候模式中，同時使用全球氣候模式提供的邊界條件，這樣運行之后就可以得到局地尺度的氣候變化信息。統(tǒng)計降尺度則是指在局地變量和大尺度表面或者自由對流層變量平均值之間建立一種統(tǒng)計關系，然后通過這種關系來模擬局地氣候變化情景。動力降尺度方法具有較強的物理機制， 但花費較高且耗時較長；統(tǒng)計降尺度方法雖然基于統(tǒng)計關系，但簡單靈活、計算快捷。而多種動力和統(tǒng)計降尺度方法的比較研究表明在某些季節(jié)和某些區(qū)域，動力降尺度和統(tǒng)計降尺度的具體方法各有優(yōu)劣，基本上都可以捕捉到當前預報量的季節(jié)變化特征，總體效果
8差不多(褚健婷，2009)。因此，本實施例中，為方便起見，選用統(tǒng)計降尺度方法來進行氣候模式數(shù)據(jù)的降尺度處理，使之滿足水文模型的數(shù)據(jù)要求，具體選用統(tǒng)計降尺度模型SDSM (Statistical Down-Scaling Model)。SDSM模型基于多元回歸和隨機天氣發(fā)生器相耦合的原理，首先建立大尺度氣候因子與局地變量之間的統(tǒng)計關系，之后模擬局地變化信息或獲得未來氣候變化情景，是目前國際上應用較為廣泛的一個統(tǒng)計降尺度模型。近年來，許多方法比較的文章表明，SDSM模型性能優(yōu)越，使用簡單，其應用越來越廣泛(Fowler等， 2007)。有關該模型原理及應用的詳細介紹請參考文獻(Wilby等，2002)。3)通過運行分布式水文模型，得到自然變異、太陽活動和火山爆發(fā)等自然因素以及溫室氣體排放導致的氣候變暖、包括取用水和下墊面改變在內(nèi)的人類活動等因素作用下水循環(huán)要素的演變情況。對于自然變異、太陽活動和火山爆發(fā)等自然因素以及溫室氣體排放導致的氣候變暖條件下的水循環(huán)演變，根據(jù)氣候模式輸出的相應條件下的降水和溫度， 利用統(tǒng)計降尺度模型對其進行降尺度后作為天然產(chǎn)流條件下的分布式水文模型的輸入，進而評估這三個條件下水循環(huán)的演變情況。對于取用水和下墊面改變等人類活動影響下的水循環(huán)演變，通過在分布式水文模型中設置有無取用水條件和分別采用下墊面改變前后時期的下墊面狀況來評估這兩個條件下水循環(huán)的演變情況。第三，計算不同情景下水循環(huán)要素演變的定量評價指標。計算自然因素和人類活動分別作用下以及實際情況下水循環(huán)要素演變的定量評價指標一信號強度，其中自然因素作用下水循環(huán)要素演變的信號強度的計算是在基于指紋識別技術計算出多個信號強度值的基礎上采用蒙特卡羅統(tǒng)計方法給出一定置信水平下的數(shù)值，其它因素作用下水循環(huán)要素演變的信號強度則是直接基于指紋識別技術計算得到的具體數(shù)值。計算不同情景下水循環(huán)要素演變的定量評價指標基于指紋識別技術，計算自然因素和人類活動分別作用下以及實際情況下的水循環(huán)要素演變情況的定量評價指標一信號強度。1)指紋識別技術指紋識別技術是氣象氣候學中一種對變量的變化進行檢測與歸因分析的技術方法，采用指紋和信號強度作為變量變化的定量評價指標。某個變量變化的指紋就是對該變量的一系列觀測值或不同情景下的模擬值進行經(jīng)驗正交函數(shù)(EOF， Empirical Orthogonal Function)分解后的第一分量，亦即在解釋數(shù)據(jù)方差變異的所有分量中貢獻最大的分量。根據(jù)計算得出的變量變化的指紋，將該變量的實測系列或者不同條件下的模擬系列投影到該“指紋”方向，采用最小二乘法計算得出的擬合直線的斜率就稱為 “信號強度”。信號強度的正負反映變量的增加或減少，信號強度的大小反映變量變化程度的強弱。該技術的基本思想是對數(shù)據(jù)進行降維處理，即將原來的多維問題降為低維或者單變量的問題(Hegerl等，1996)，在得到的低維空間中，通過指紋和信號強度兩個指標，就可以將變量實際變化的信號強度與自然變異以及特定氣候強迫類型(溫室氣體排放、太陽活動和火山爆發(fā)等)下的信號強度進行對比，進而進行歸因分析若計算的某條件下變量變化的信號強度與實際變化的信號強度符號不一致，則該條件不是導致實際的變量變化的原因；若計算的某條件下變量變化的信號強度與實際變化的信號強度符號一致，則說明該條件是導致實際的變量變化的原因之一，其貢獻為該條件下的信號強度與導致變量實際變化的所有條件下的信號強度之和的比值。有關該技術的詳細介紹，請參考文獻Hegerl(1996) 和 Barnett (2001)。
2)自然因素作用下水循環(huán)要素演變的信號強度計算水循環(huán)要素包括降水、溫度、 蒸發(fā)、徑流等。對于降水和溫度，僅僅用幾十年的實測資料來評估其自然變異是遠遠不夠的，受實測資料所限，本實施例選用氣候模式的長系列控制試驗來評估降水和溫度的自然變異，基于其近千年的控制試驗模擬數(shù)據(jù)，利用指紋識別技術計算出若干個信號強度值的樣本集合，采用蒙特卡羅方法確定降水和溫度在自然變異條件下變化的信號強度的概率分布，進而在統(tǒng)計意義上給出特定置信水平下(如95%)降水和溫度在自然因素作用下變化的信號強度；對于蒸發(fā)、徑流等其它水循環(huán)要素，基于上述特定置信水平下的降水和溫度數(shù)據(jù)，通過運行天然產(chǎn)流條件下的水文模型，利用指紋識別技術來計算自然因素作用下各要素變化的信號強度。3)其它因素作用下水循環(huán)要素變化的信號強度計算對于降水和溫度，考慮溫室氣體排放導致的氣候變暖以及太陽活動和火山爆發(fā)兩個因素的影響，直接基于氣候模式輸出的相應條件下的降水和溫度數(shù)據(jù)利用指紋識別技術來計算降水和溫度變化的信號強度； 對于蒸發(fā)、徑流等其它水循環(huán)要素，考慮溫室氣體排放導致的氣候變暖、太陽活動和火山爆發(fā)、取用水和下墊面改變等人類活動因素的影響，其中，對于溫室氣體排放導致的氣候變暖以及太陽活動和火山爆發(fā)兩個情景，水文模型所需的降水和溫度數(shù)據(jù)采用氣候模式相應條件下的輸出數(shù)據(jù)，通過運行天然產(chǎn)流條件下的水文模型得到相應條件下水循環(huán)要素的演變情況，進而利用指紋識別技術計算相應的信號強度，而對于取用水和下墊面改變等人類活動因素影響的條件下，水文模型所需的降水和溫度數(shù)據(jù)采用自然因素作用下特定置信水平下的降水和溫度數(shù)據(jù)，通過在水文模型中設置有無取用水條件和對比下墊面改變前后時期的水循環(huán)狀況，利用指紋識別技術來計算相應的信號強度。4)實際情況下水循環(huán)要素變化的信號強度計算在實測數(shù)據(jù)基礎上直接利用指紋識別技術計算各要素實際變化的信號強度。第四，定量區(qū)分不同因素在水循環(huán)演變過程中的貢獻。將自然因素和人類活動分別作用下水循環(huán)要素演變的信號強度與實際水循環(huán)要素演變的信號強度進行對比，定量區(qū)分自然因素和人類活動在水循環(huán)各要素演變過程中的貢獻。定量區(qū)分自然因素和人類活動在水循環(huán)演變過程中的貢獻自然因素包括自然變異、太陽活動和火山爆發(fā)兩個因素，人類活動包括溫室氣體排放導致的氣候變暖、取用水和下墊面變化三個因素。根據(jù)計算的實際和不同條件下水循環(huán)要素演變的信號強度，借鑒氣象氣候學中檢測與歸因研究的思想，定量區(qū)分自然因素和人類活動在水循環(huán)要素演變過程中的貢獻若計算的某條件下水循環(huán)要素變化的信號強度與實際變化的信號強度符號不一致，則該條件不是導致實際的水循環(huán)要素變化的原因；若計算的某條件下水循環(huán)要素變化的信號強度與實際變化的信號強度符號一致，則說明該條件是導致實際的水循環(huán)要素變化的原因之一，其貢獻為該條件下的信號強度與導致實際水循環(huán)要素變化的所有條件下的信號強度之和的比值，并采用如下公式進行計算
權利要求
1. 一種定量區(qū)分水循環(huán)演變過程中不同因素貢獻的方法，其特征在于所述的方法的步驟如下二元水循環(huán)模型建立的步驟用于利用二元水循環(huán)模擬技術，基于水文、氣象、數(shù)字高程模型DEM、土地利用、土壤、植被、人口、國內(nèi)生產(chǎn)總值⑶P、取用水多源信息，建立包括流域分布式水文模型和水資源配置模型在內(nèi)的二元水循環(huán)模型，并利用實測數(shù)據(jù)資料對模型的模擬效果進行驗證；判斷不同因素作用下水循環(huán)要素的演變情況的步驟通過互聯(lián)網(wǎng)獲取自然變異、太陽活動和火山爆發(fā)自然因素以及溫室氣體排放導致的氣候變暖條件下氣候模式輸出的降水和溫度數(shù)據(jù)，基于氣候模式與水文模型耦合技術將氣候模式輸出數(shù)據(jù)處理為水文模型所要求的數(shù)據(jù)格式，通過運行水文模型，判斷自然變異、太陽活動和火山爆發(fā)等自然因素以及溫室氣體排放導致的氣候變暖、包括取用水和下墊面改變在內(nèi)的人類活動因素作用下水循環(huán)要素的演變情況；計算不同情景下水循環(huán)要素演變的定量評價指標的步驟用于計算自然因素和人類活動分別作用下以及實際情況下水循環(huán)要素演變的定量評價指標一信號強度，其中自然因素作用下水循環(huán)要素演變的信號強度的計算是在基于指紋識別技術計算出多個信號強度值的基礎上采用蒙特卡羅統(tǒng)計方法給出一定置信水平下的數(shù)值，太陽活動和火山爆發(fā)、溫室氣體排放導致的氣候變暖、包括取用水和下墊面改變在內(nèi)的人類活動因素作用下水循環(huán)要素演變的信號強度則是直接基于指紋識別技術計算得到的具體數(shù)值；定量區(qū)分不同因素在水循環(huán)演變過程中的貢獻的步驟用于將自然因素和人類活動分別作用下水循環(huán)要素演變的信號強度與實際水循環(huán)要素演變的信號強度進行對比，定量區(qū)分自然因素和人類活動在水循環(huán)各要素演變過程中的貢獻。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的水文模型是WEP-L模型。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的水資源配置模型是ROWAS模型。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的氣候模式為PCM模式。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的氣候模式與水文模型的耦合技術采用統(tǒng)計降尺度模型SDSM。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的不同情景下水循環(huán)要素演變的定量評價指標的計算技術為指紋識別技術。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的自然因素作用下水循環(huán)要素演變的信號強度的計算是基于氣候模式近千年的長系列控制試驗模擬數(shù)據(jù)采用蒙特卡羅方法在統(tǒng)計意義上給出的特定置信水平下的值。
8.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的太陽活動和火山爆發(fā)、溫室氣體排放導致的氣候變暖、包括取用水和下墊面改變在內(nèi)的人類活動因素作用下水循環(huán)要素演變的信號強度計算，水循環(huán)要素包括降水、溫度、蒸發(fā)、徑流，對于降水和溫度的演變，考慮溫室氣體排放導致的氣候變暖以及太陽活動和火山爆發(fā)兩個因素的影響，直接基于氣候模式輸出的相應條件下的降水和溫度數(shù)據(jù)利用指紋識別技術來計算降水和溫度變化的信號強度；對于蒸發(fā)、徑流等其它水循環(huán)要素的演變，考慮溫室氣體排放導致的氣候變暖、太陽活動和火山爆發(fā)、取用水和下墊面改變等人類活動因素的影響，其中，對于溫室氣體排放導致的氣候變暖以及太陽活動和火山爆發(fā)兩個情景，水文模型所需的降水和溫度數(shù)據(jù)采用氣候模式相應條件下的輸出數(shù)據(jù)，通過運行天然產(chǎn)流條件下的水文模型得到相應條件下水循環(huán)要素的演變情況，進而利用指紋識別技術計算相應的信號強度，而對于取用水和下墊面改變等人類活動因素影響的條件下，水文模型所需的降水和溫度數(shù)據(jù)采用自然因素作用下特定置信水平下的降水和溫度數(shù)據(jù)，通過在水文模型中設置有無取用水條件和對比下墊面改變前后時期的水循環(huán)狀況，利用指紋識別技術來計算相應的信號強度。
9.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的定量區(qū)分自然因素和人類活動在水循環(huán)各要素演變過程中的貢獻，其中自然因素包括自然變異、太陽活動和火山爆發(fā)兩個因素，人類活動包括溫室氣體排放導致的氣候變暖、取用水和下墊面變化三個因素；根據(jù)計算的實際和不同條件下水循環(huán)要素演變的信號強度，采用如下方法定量區(qū)分自然因素和人類活動在水循環(huán)要素演變過程中的貢獻若計算的某條件下水循環(huán)要素變化的信號強度與實際變化的信號強度符號不一致，則該條件不是導致實際的水循環(huán)要素變化的原因；若計算的某條件下水循環(huán)要素變化的信號強度與實際變化的信號強度符號一致，則說明該條件是導致實際的水循環(huán)要素變化的原因之一，其貢獻為該條件下的信號強度與導致實際水循環(huán)要素變化的所有條件下的信號強度之和的比值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種定量區(qū)分水循環(huán)演變過程中不同因素貢獻的方法，所述的方法的步驟包括二元水循環(huán)模型建立的步驟；判斷不同因素作用下水循環(huán)要素的演變情況的步驟；計算不同情景下水循環(huán)要素演變的定量評價指標的步驟；定量區(qū)分不同因素在水循環(huán)演變過程中的貢獻的步驟。本發(fā)明將氣象氣候學中的指紋識別技術與水文水資源學中的二元水循環(huán)模型相結合，提出了一種定量區(qū)分水循環(huán)演變過程中自然因素和人類活動貢獻的技術和方法。利用分布式流域水循環(huán)模擬技術、氣候模式與水文模型耦合技術、蒙特卡羅統(tǒng)計方法以及指紋識別技術，通過對比不同情景下水循環(huán)要素變化情況的定量評價指標，可以定量區(qū)分自然因素和人類活動在水循環(huán)演變過程中的貢獻。
文檔編號G06F19/00GK102567635SQ20111043787
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月23日 優(yōu)先權日2011年12月23日
發(fā)明者丁相毅, 仇亞琴, 周祖昊, 牛存穩(wěn), 王浩, 賈仰文 申請人:中國水利水電科學研究院