代表性研究工作进展

1、应对气候变化的水资源脆弱性和适应性管理的理论与方法

针对气候变化影响下我国东部季风区水资源脆弱性评估和适应管理与对策的科学问题与关键内容，围绕陆地水文-区域气候耦合模式系统研构建与应用开展研究，发展了气候变化背景下水资源脆弱性与适应性管理的理论方法和评估-决策模型，提出了我国东部季风区应对气候变化影响的适应性对策与建议。主要进展包括：

① 构建了考虑地表水地下水相互作用、取水用水、农业灌溉与跨流域调水、作物生长过程等人类活动影响的陆地水循环模拟系统CLM-DTVGM与陆地水文-区域气候耦合模式，揭示了气候变化与人类活动对水循环变化的影响与机理，为研究应对气候变化的水资源脆弱性和适应性管理提供模式平台。

② 气候变化下水资源脆弱性函数分析方法尚为空白、无同类研究先例。本团队提出了变化环境下水资源脆弱性多元函数分析新的理论与方法，集成了水资源影响的敏感性、抗压性以及暴露度和水旱灾害风险等关键因子，提高了变化环境下水资源脆弱性评估的科学性和实用性。

③ 水资源脆弱性评价与适应性管理多为分离，相互联系的研究较薄弱。本团队提出的水资源脆弱性与适应性互联和互动的体系方法，为应对气候变化影响和适应能力建设与适应性方式，提供了新的理论与途径，为国内外创新。成果重点体现在发展了水资源适应性管理的理论与决策方法，通过水资源脆弱性的抗压性函数，建立了水资源脆弱性评估与适应性管理之间的联系与多目标决策模型，为变化环境下适应性水管理提供了新的途径。

④ 针对东部季风区水资源安全需求，从“区域-流域-农户”相互联系和多层次系统，提出了气候变化影响下我国水资源格局和脆弱性的变化、南水北调（中线）工程影响、东北和华北水资源与粮食安全以及社会农户面向水旱灾害的适应性管理与对策建议，产出了对实际应用和决策有重要价值和意义的季风区水资源脆弱性与适应性图集和流域规划修改编导则等成果，产生了重要影响。

⑤ 成果在本学科国际上知名期刊GEC、HESS、JGR和WI发表，与生产实际结合，产出了气候变化影响下水资源脆弱性与适应性管理决策支持系列成果图集和相关专著，完成了《中国水情分析报告》、系列咨询报告与《水资源规划与工程设计适应性水管理导则》，促进了水资源规划修编和应对气候变化支撑能力的提升。

以上成果主要在以下论著中体现：

Chen J., Xia J., Zhao C.S., Zhang S.F., 2014. The mechanism and scenarios of how mean annualrRunoff varies with climate change in Asian monsoon areas. Journal of Hydrology, 517, 595-606.

Du H., Xia J., Zeng S.D., She D.X., Liu J.J., 2014. Variations and statistical probability characteristic analysis of extreme precipitation events under climate change in Haihe River Basin, China. Hydrological Processes, 28(3), 913-925.

Zhan C.S., Jiang S.S., Sun F.B., Jia Y.W., Niu C.W., Yue W.F., 2014. Quantitative contribution of climate change and human activities to runoff changes in the Wei River basin, China, Hydrol. Earth Syst. Sci., 18, 1–9.

Mo, X.G., Liu, S.X., Meng, D.J, Lin, Z.H., 2014. Exploring the interannual and spatial variations of ET and GPP with climate by a physical model and remote sensing data in a large basin of Northeast China. International journal of climatology, 34(6), 1945-1963.

2、稀缺资料区土壤水分预测

稀缺资料区水文预测是刘昌明院士等水文学家自1960s就开始研究的方向，是国际水文科学协会(IAHS）启动的PUB十年研究计划（2003-2012)的主题，是我国四部委2007年联合确认的“10000个科学难题”之一。土壤水分因其显著的空间分异、地面实测资料稀缺、遥感观测资料仅反映表层且空间分辨率低等特点，制约着人们对水循环全过程的认识及相关过程的调控和管理。研究小组自1995年至今，依托国家“973”、国家自然科学基金重点、面上、部委、所135重点和国际合作等项目，一直致力于稀缺资料区土壤水分的预测研究。近年来在稀缺资料区水文预测三元方法论体系建立、实测土壤水分数据库的更新和应用、基于遥感数据-模型融合的土壤剖面水分预测三方面取得重要成果。

稀缺资料区水文预测三元方法论体系建立：创新性地利用“无米之炊”和“缺资料预测”的简洁类比，构建了一个资料稀缺条件下通过“借（B）”、 “替（S) ”、“种 (G) ”三条路径、之下又细分三层进行水文预测的三元方法论体系（见下图）。通过该体系，清晰地展示了国内外在攻克PUB难题时采用的研究方法的历史和未来趋势的异同。发现从个别到一般的以“替”中的S2-2法为代表的达尔文式研究思路一直是PUB研究的主流。而近年来，借助于遥感技术、地理信息系统等先进技术，从一般到个体，以“替”中的S1法为代表的牛顿式研究方法也正在变成研究热点。这两种思路齐头并进的研究势头将进一步在IAHS下一个水文十年计划（Panta Rhei, 2013~2022）中充实和推进。呼吁今后加强从“种”和“替”中的S3挖掘代用资料研究途径开展预测研究。稀缺资料区水文预测三元方法论体系是对PUB里程碑总结专著(Bloschl 等,2013)的补充完善，受到包括Bloschl在内的历任PUB国际主席和其他国内外同行的认同。

实测土壤水分数据库的更新和应用: 通过多渠道集成实测土壤水分及相关的土壤、植被、地下水位等多源资料，前瞻性地建成了中国第一个统一时间间隔、统一测量深度的实测土壤水分及参数数据库。该数据库涵盖中国主要区域，集表层和深层土壤水分为一体，自建成以来逐年更新，现已融入国际土壤水分网络（ISMN，https://ismn.geo.tuwien.ac.at/networks/china/)。该数据库已被广泛用于全球遥感观测和陆表模型的验证和改进，为提高天气预报精度、洪水预报精度、农业干旱预测、水资源管理提供了支撑。

基于遥感数据-模型融合的土壤剖面水分预测：包括两方面成果。第一，针对遥感只能观测到表层土壤水分,常采用遥感表层土壤水分通过低通滤波获得的深层土壤水分的现状，量化了这样获取的深层土壤水分预测植被响应变化的能力。通过计算它与滞后时段的植被指数的互信息以及地面实测剖面土壤水分与滞后时段植被指数的互信息，发现低通滤波所获得深层土壤水分与地面实测土壤水分预测植被响应变化的能力相当，验证了由表层遥感观测值低通滤波所获得深层土壤水分对干旱监测的能力，给遥感反演深层土壤水分的研究提供了理论支撑。第二，针对目前常通过将遥感获取的表层土壤水分、或者通过滤波反演得到的遥感深层土壤水分带入集合卡尔曼滤波同化系统用以提高模型模拟土壤水分精度的现状，以VIP模型为基础，通过开展合成试验，首次展示若土壤水分数据之间存在自相关差异将对同化效果产生明显影响，并发现对水分交换缓慢的深层土层，该影响更严重，忽视这种系统差别可能导致同化系统的预测结果失真。这些成果对稀缺资料区剖面土壤水分预测提供了科学支撑。

稀缺资料区土壤水分预测成果在我国水循环领域已获得广泛应用，引领了我国稀缺资料区土壤水分研究的发展，也推动了全球研究的发展。其学术理论成果在《Geophysical Research Letters》、《International Journal of Climatology》发表、被《Nature》 climate change子刊和IPCC第五次评估报告等重要学术刊物引用。所提出的稀缺资料区水文预测三元方法论体系受到国际同行好评。成果为区域水循环模拟预测、水资源变化评估做出了重要贡献。

以上成果主要在以下论著中体现：

Liu S.X., Mo X.G., Liu C.M., Xia J., Zhao W.M., 2014. On a PUB methodology from Chinese lessons. Hydrological Science Journal, DOI:10.1080/02626667.2014.899702.

宋亚路, 刘苏峡, 马英, 胡超, 莫兴国, 2014. 土壤分层关键因子确定——以新乡实验农地为例. 地理研究, 33(11), 2115-2135.

Qiu J.X., Crow W.T., Nearing G.S., Mo X.G., Liu S.X., 2014. The impact of vertical measurement depth on the information content of soil moisture times series data. Geophysical Research Letters, 41(14), 4997-5004.

Qiu J.X., Crow W.T., Mo X.G., Liu S.X., 2014. The impact of temporal auto-correlation mismatches on the assimilation of satellite-derived surface soil moisture retrievals. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 7(8), DOI: 10.1109/JSTARS.2014.2349354.

Mo X.G., Liu S.X., Meng D.J., 2014. Climate variability impacts on evapotranspiration and primary productivity by assimilating remotely sensed data with a process-based model over Songhua River Basin. International Journal of Climatology, 34, 1945-1963.

3、长江干流河流地貌的形成及演变机理

长江干流拥有丰富的水电资源，是我国一条极为重要的黄金水道，而且生物多样性也极为丰富。认识长江干流的河流地貌的形成及演变机理对合理开发利用长江水电资源，航运和生物多样性保护都具有十分重要的意义。本研究通过与长江水利委员会长江科学院开展的多年合作，进行了长期的野外实地合作考察和具体观测，结合逐步完善的河流平衡理论，系统的开展了对长江干流河流水文地貌演变机理的分析，取得了以下几个方面的进展：

① 长江中下游河道在全新世大部分时期泥沙淤积严重，形成了广阔的长江中下游平原，但在最近100多年来，河道在三峡大坝修建之前基本保持了微冲微於的输沙平衡形态，这为检验黄河清和合作者长期以来发展的河流平衡理论在大江大河中的应用性提供了可能。本研究选取了5个河段，进行了实际观测，利用建立的河流平衡理论进行了预测，结果表明相对于其他河流挟沙力公式，由基于河流平衡理论建立的挟沙力公式得到的河流平衡形态理论预测结果与实际估测结果高度一致，表明河流平衡理论具有很好的通用性，不仅在国际上一般河流上，而且在长江这样的大江大河上也具有很好的应用性。这一结果发表在国际地貌核心期刊Earth Surface Processes and Landforms 和Geomorphology.

②相对于黄河源区发育的多类型河道型态（弯曲、分汊型和辫状），长江源区主要发育了辫状河道型态。本研究通过实地考察和具体观测，结合国际上研究河型发育的最新进展，从长江源区和黄河源区的气候、温度的差异性、冰雪融水和洪水出现的季节、植被生长的气候与环境条件等，揭示了植被发育状况是决定河流型态差异的一个极为重要的外在因素，长江源区河流型态比较单一主要是由于该地区植被发育状态较差所致。这一结果发表在国际地貌核心期刊Catena和Quaternary International。

③长江中下游河道以国际上极为典型的分汊型态为主，虽然这些分汊型态各不相同，但总体上来说具有高度的相似性。为揭示决定这些分汊型态的主要因素，本研究将由黄河清和合作者建立的适用于顺直、单一河道型态的河流平衡理论扩展到分汊型河流中，初步建立了分汊型河流平衡理论。这一理论表明，分汊型河流型态主要由进入汊道的水沙比例所决定，且水沙比例要极为接近。根据长江荆江河段江心洲型态的实际观测对河流平衡理论的分析结果进行了实际检验，结果表明理论预测的江心洲型态的主要因素长宽比与实际观测结果之间的误差为5%左右。这一研究的前期结果发表在EI收录的国内核心期刊《水科学进展》上，更为系统的结果已投递到国际地貌核心期刊。

以上成果主要在以下论著中体现：

Huang H.Q., Deng C.Y., Nanson G.C., Fan B.L.,Liu X.F.,Liu T.H.,Ma Y.X., 2014. A test of equilibrium theory and a demonstration of its practical application for predicting the morphodynamics of the Yangtze River. Earth Surface Processes and Landforms, 39, 669–675.

Huang H.Q., Liu X.F., Nanson G.C., 2014. Commentary on a “Conceptual model for complex river responses using an expanded Lane diagram by David Dust and Ellen Wohl”. Geomorphology, Volume 139-140, March 2012, Pages 109-121. Geomorphology, 209, 140-142.

Yu G.A., Brierley G., Huang H.Q., Wang Z.Y., Blue B., Ma Y.X., 2014. An environmental gradient of vegetative controls upon channel planform in the source region of the Yangtze and Yellow Rivers. Catena, 119, 143-153.

Yao Z.J., Liu Z.F., Huang H.Q., Liu G.H., Wu S.S., 2014. Statistical estimation of the impacts of glaciers and climate change on river runoff in the headwaters of the Yangtze River. Quaternary International, 336, 89–97.

刘晓芳, 黄河清, 邓彩云. 江心洲平衡形态水动力条件的理论分析. 水科学进展, 2014, 25(4), 477-483.

4、西藏资料稀缺地区HIMS水文模拟与山洪预警系统

近年来西藏山洪灾害频发、突发、重发，对人民群众的生命财产安全和基础设施建设造成极大的损害和威胁，已经成为西藏防灾减灾和生态文明建设中的突出问题，是经济社会可持续发展的重要制约因素之一。西藏突发性山洪的形成、传播和致灾过程极其复杂，预报预测难度大。在当前山洪灾害防治中山洪预报模型和山洪预警系统是最为薄弱环节，尤其在西藏高原缺资料地区（国际PUBs典型区）山洪水情预报预警更是世界性难题。在西藏自治区山洪灾害防治项目、国家自然科学基金重点项目、面上基金等支持下，基于HIMS（Hydro-Informatic Modeling System）系统，开展西藏高原缺资料地区HIMS水文过程模拟与山洪风险分析，创建了山洪水情预报预警系统，服务于西藏70个县（市区）、近700个乡镇和近6000个村的山洪灾害防治，通过系统研究获得以下四个方面成果：

（1）. 提出了一种缺资料地区临界雨量推求方法，应用于西藏高原缺资料地区临界雨量确定。使用观测、遥感和暴雨调查等多源雨量数据，准确估计了西藏自治区各县域的面雨量序列；基于水文过程模型，结合山洪灾害调查记录，推求临界雨量的上、下限；综合内插法、比拟法、灾害实例调查法、灾害与降雨频率分析等多种方法，推求缺资料区域临界雨量。

（2）. 定制开发了适应西藏高原数据环境条件的、新型嵌套耦合的分布式山洪预报模型。基于野外调查和小流域降雨入渗实验，研发具有物理机制清晰，适应西藏高原缺资料地区HIMS水文过程模型；利用新的河流编码技术，首次构建河网拓扑关系清晰的、嵌套耦合的西藏分布式山洪预报模型，为西藏突发性山洪预报提供了新的模拟技术。

（3）. 基于云计算、大数据管理，研发了西藏高原突发性山洪水情预报预警系统。基于多源数据融合、多模型集成、用户分级管理等理念，利用云计算和大数据管理等IT技术，研发西藏高原突发性山洪水情预报预警系统，实现多源数据融合、业务查询、水情预报、洪水预警等多功能集成，为西藏山洪预警与决策提供技术平台。

（4）. 发展了一种缺资料地区山洪风险图编制新方法。考虑缺资料地区数据获取性问题，开展遥感驱动的山洪模拟、洪水淹没估算和山洪易损性遥感统计、转移安置多目标评价，提出了一种面向缺资料地区山洪风险图编制新技术方法，完成了西藏52县的县、乡、村级暴雨山洪危险性、风险性和安全转移安置区的评价与制图。

研究成果的影响：通过本研究与实践，形成了西藏高原缺资料地区突发性山洪水情预报预警技术体系，在西藏不同水利部门或单位得到了应用与推广，上百次培训当地村委会、乡镇、县水利防汛职工等500多人次，提供70多套软件。进一步推广应用，将覆盖西藏山洪灾害频发区、易发区、多发区，约占10%国土面积，直接受益人口达300多万人，经济社会、生态、环境效益十分显著。其学术理论成果已在国内外顶级刊物发表了50余篇论文，其中SCI论文24 篇；软件著作权10多项。为我国水利现代化建设、山洪灾害防治做出了重要贡献，推动了我国水文科学技术的发展。

以上成果主要在以下论著中体现：

2014年度西藏自治区科技进步二等奖“西藏高原缺资料地区HIMS水文过程模拟及突发性山洪风险预警研究”。

刘昌明, 王中根, 杨胜天等. 地表物质能量交换过程中的水循环综合模拟系统(HIMS) 研究进展.地理学报, 2014, 69(5), 579-587.

Li J., Wang Z.G., Liu C.M., 2014. A combined rainfall infiltration model based on Green-Ampt and SCS-curve number. Hydrological Processes, DOI: 10.1002/hyp.10379.

Sang Y.G., Wang Z.G., Liu C.M., et al., 2014. The impact of changing environment on the runoff regimes of the arid Heihe River basin, China. Theor Appl Clinatol, 115, 187-195.

Sang, Y.F., Wang Z.G., Liu C.M., 2014. Comparison of the MK test and EMD method for trend identification in hydrologic time series. Journal of Hydrology, 510, 293-298.