Variation characteristics of meteorological and hydrological factors and attribution analysis of runoff variation in Qinhuai River Basin

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2023)-01-0054

Abstract

Abstract:

Studying the variation characteristics of meteorological and hydrological factors and attribution of runoff variation in the Qinhuai River Basin has important guiding significance for the prevention of flood and drought disasters in the basin. Based on the meteorological and hydrological observation data and remote sensing data, the β-z-h three parameters comprehensive indicator method was used to study the spatiotemporal variation trend of meteorological and hydrological elements, and joint mutation detection method was used to determine the variation points and variability of meteorological and hydrological elements. The elasticity coefficient method based on Budyko hypothesis was used to quantitatively evaluate the contribution rate of climate change and human activities to runoff change. The results showed that: (1) The annual average temperature and annual runoff depth in the Qinhuai River Basin show a significant increasing trend and will continue to increase in the future; the annual precipitation and reference crop evapotranspiration did not increase significantly and will continue to increase slightly in the future; but the annual average relative humidity showed a significant downward trend, and the significant downward trend will continue in the future. The precipitation did not have a alteration, the annual average temperature had a strong alteration in 1994, the annual average relative humidity had a giant alteration in 2004, the reference crop evapotranspiration had a moderate alteration in 2003, and the runoff depth had a weak alteration in 2002. (2) There was a significant positive correlation between runoff depth and precipitation in the base period (1981-2002) and change period (2003-2019), and there was a negative correction between runoff depth and reference crop evapotranspiration, underlying surface index. During the change period, the elasticity coefficient of reference crop evapotranspiration and underlying surface index increased, while the elasticity coefficient of precipitation decreased. The main factor contributing to the increase of runoff was the underlying surface index (91.20%) change, which indicated that the change of underlying surface caused by human activities was the main factor of runoff increase and played a positive role in the increase of runoff. In the process of urban development, the hydrological effects of land use and cover change should be fully considered, farmland and woodland with strong detention capacity should be protected, moreover, the flood control pressure brought by climate change should be paid attention to.

Key words: the Qinhuai River Basin, hydro-meteorological, trend analysis, joint mutation test, elasticity coefficient, attribution analysis

摘要：

研究秦淮河流域气象水文要素变化特征及径流变化归因对该流域水旱灾害防御工作具有重要指导意义。利用秦淮河流域气象水文观测数据和遥感资料，采用β-z-h三参数综合指示法、联合突变检测法等分析该流域气象水文序列时空变化趋势、变异点和变异度，采用弹性系数法定量评估气候变化和人类活动对径流变化的贡献率。结果表明：（1）秦淮河流域年平均气温和年径流深呈显著增加趋势，且未来仍将保持显著增长趋势；年降水量和参考作物蒸散量呈不显著增加趋势，且未来仍将维持微弱上升；年平均相对湿度呈显著减少趋势，且未来仍将维持显著减少。年降水量未发生变异，年平均相对湿度在2004年发生巨变异，年平均气温在1994年发生强变异，年参考作物蒸散量在2003年发生中变异，年径流深在2002年发生弱变异。（2）基准期（1981—2002年）和变化期（2003—2019年）秦淮河流域径流深与降水量呈显著正相关，与参考作物蒸散量、下垫面指数呈负相关；变化期较基准期参考作物蒸散量和下垫面指数弹性系数增大，而降水量弹性系数减小，下垫面指数的变化对径流增加贡献量较大（91.20%），表明人类活动引起的下垫面变化是径流增加的主要因素，起正贡献作用。秦淮河流域城市发展应充分考虑土地利用和覆被变化的水文效应，一方面保护滞蓄能力较强的耕地和林地，另一方面关注气候变化带来的防洪压力。

关键词: 秦淮河流域, 气象水文, 时空变化, 联合突变检测, Budyko假设, 归因分析

CLC Number:

P339
P42

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Figures/Tables 11

Fig.1 Distribution of meteorological and hydrological stations in the Qinhuai River Basin

Tab.1 Indicative functions of the β-z-h three parameter comprehensive analysis

β	z	h-0.5	演变特征
<0	≥1.96	>0	过去减少，趋势显著，未来将持续减少
<0	≥1.96	<0	过去减少，趋势显著，未来趋势可能逆转
<0	<1.96	>0	过去减少，趋势不显著，未来将持续减少
<0	<1.96	<0	过去减少，趋势不显著，未来趋势可能逆转
>0	≥1.96	>0	过去增加，趋势显著，未来将持续增加
>0	≥1.96	<0	过去增加，趋势显著，未来趋势可能逆转
>0	<1.96	>0	过去增加，趋势不显著，未来将持续增加
>0	<1.96	<0	过去增加，趋势不显著，未来趋势可能逆转

Tab.2 The table of variability classification

Hurst系数	变异度
0.5≤h<h_α	无变异
h_α≤h<h_β	弱变异
h_β≤h<0.839	中变异
0.839≤h<0.924	强变异
0.924≤h≤1.0	巨变异

Fig.2 Inter-annual variation of mean temperature （a）， precipitation （b）， reference crop evapotranspiration （c）， mean relative humidity （d） during 1961-2019 and runoff depth during 1981-2019 （e） in the Qinhuai River Basin

Tab.3 Calculation result of β-z-h three parameters in the Qinhuai River Basin

要素	β	z	h-0.5	要素演变特征
年平均气温	0.03	5.70	0.42	过去增加，趋势显著，未来将持续增加
年降水量	2.77	1.74	0.08	过去增加，趋势不显著，未来将持续增加
年参考作物蒸散量	0.50	1.16	0.26	过去增加，趋势不显著，未来将持续增加
年平均相对湿度	-0.11	-5.46	0.45	过去减少，趋势显著，未来将持续减少
年径流深	14.25	4.09	0.20	过去增加，趋势显著，未来将持续增加

Fig.3 The M-K （a）， Pettitt （b）， sliding t （c） and Yamamoto （d） mutation test of annual mean temperature in the Qinhuai River Basin duing 1961-2019

Tab.4 Mutation test and variation point， Hurst coefficient and variation degree of hydro-meteorological factors in the Qinhuai River Basin

要素	不同方法突变点				变异点	Hurst系数	变异度
要素	M-K	Pettitt	滑动t	Yamamoto	变异点	Hurst系数	变异度
年平均气温	1999年	1994年	1994年	1994年	1994年	0.92	强变异
年降水量	—	—	—	—	无变异	0.58	无变异
年参考作物蒸散量	2004年	2000年	2003年	2003年	2003年	0.76	中变异
年平均相对湿度	1999年，2000年	1992年	2004年	2004年	2004年	0.95	巨变异
年径流深	2005年	2002年	2002年	2002年	2002年	0.70	弱变异

Tab.5 Calculation process and result of elastic coefficient of Hydro-meteorological factors in Qinhuai River Basin

时间	P/mm	R/mm	ET₀/mm	C_r	I_d	n	弹性系数
时间	P/mm	R/mm	ET₀/mm	C_r	I_d	n	$ε P$	$ε E T 0$	$ε n$
1981—2002年	1 114.6	322.9	951.2	0.29	0.85	2.72	2.49	-1.49	-0.60
2003—2019年	1 207.1	634.6	1 008.3	0.53	0.84	1.06	1.49	-0.49	-0.58
1981—2019年	1 154.9	458.8	976.1	0.40	0.85	1.66	1.86	-0.86	-0.62

Tab.5 Calculation process and result of elastic coefficient of Hydro-meteorological factors in Qinhuai River Basin

时间	P/mm	R/mm	ET₀/mm	C_r	I_d	n	弹性系数
时间	P/mm	R/mm	ET₀/mm	C_r	I_d	n	$ε P$	$ε E T 0$	$ε n$
1981—2002年	1 114.6	322.9	951.2	0.29	0.85	2.72	2.49	-1.49	-0.60
2003—2019年	1 207.1	634.6	1 008.3	0.53	0.84	1.06	1.49	-0.49	-0.58
1981—2019年	1 154.9	458.8	976.1	0.40	0.85	1.66	1.86	-0.86	-0.62

Fig.4 Inter-annual variation of elasticity coefficient of each factor in the Qinhuai River Basin

Fig.5 Land use type change in the Qinhuai River Basin during 1980-2018

Fig.6 Vegetation coverage change in the Qinhuai River Basin during 1998-2018

References 38

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