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文档简介

气候变化对新安江流域水资源调度影响研究作者摘要利用大气环流模型GCM输出的9个全球气候模式结果驱动新安江月水文模型,以新安江流域19792005年水文水资源模拟结果为基准,分析未来20062099年RCP26、RCP45和RCP85气候情景下新安江流域气温、降雨、蒸发、径流的可能变化趋势,重点分析新安江流域水资源调度对气候变化的响应。结果表明,相对于基准期,未来新安江流域呈现气温升高、降雨和蒸发先减小后增大、径流主要减少的趋势,且3、4、6、7月的平均径流较基准期月均径流均有所减小。同时分析未来新安江流域水资源调度结果,未来各情景下年均水位较基准期基本均升高且变化幅度较小,年均下泄流量、发电流量、出力和发电量均以减小为主,其月均值在410月较基准期减小,其余月则增加。关键词气候变化;气候情景;新安江流域;水资源调度1引言目前,以全球持续变暖为主要特征的气候变化已成为当前国际社会公认的最主要的全球性环境问题之一,气候变化必会引起全球水文循环加剧,造成水资源在时间、空间上的重新分配以及水资源总量的改变,这将会对区域水资源的开发、利用、规划、管理等造成严重影响。因此,研究气候变化对水文水资源及水资源调度的可能影响是非常必要的,研究可为未来水资源系统的规划设计、开发利用和运行管理提供科学依据。目前,国内外学者已开展了大量气候变化对水文水资源影响的研究工作,通常是采用以流域水文模拟模型及水资源评价模型为基础,并结合构建未来气候变化情景来研究水文循环各分量发生的相应变化。其中,常用的水文模型有经验统计模型、概念性月水量平衡模型和分布式流域水文模型13。水资源调度按照调度方法可分为常规调度和优化调度46。构建未来气候变化情景的方法主要有时间类比法、空间类比法、任意情景设置法、时间序列分析法和基于全球气候模式GCM的气候情景输出法等,目前,基于GCM输出的未来气候预测已成为探讨气候变化对水文水资源影响最为常用的方法1。为了评估气候变化对新安江流域水文水资源的影响以及水资源调度对气候变化的响应,本研究基于该流域19792005年降水、蒸发、径流观测资料,收集IPCC第5次评估报告中的3种RCP气候情景模式(RCP26、RCP45、RCP85),以及各情景模式下9个全球气候模式的新安江水库未来20062099年的降水、蒸发输出值,利用新安江月水文模型对新安江流域未来94年的径流量进行预估,同时在新安江水库现状调度规则的基础上对其未来气候情景下的水资源进行调度,并对其调度结果的变化趋势进行初步分析,提出相应的水资源管理适应对策。2研究区域与数据21研究区域新安江发源于安徽省休宁县六股尖(海拔16298M)北麓,干流流经休宁、歙县,至街口入浙江省新安江水库,出库后汇入钱塘江,河长373KM。流域位于东经1173811932、北纬29113014之间,流域面积约104185KM2,属中低山丘陵区,河系发育健全,河网密度大。流域气候属亚热带季风气候,四季分明,雨量充足,年平均气温1517,年均降雨量约1670MM,平均相对湿度78,降水时空分布不均,春夏多雨易洪,秋冬少雨多旱,汛期集中在59月,枯水期为10月至翌年4月。新安江流域地理位置及河网分布如图21所示(本文研究的流域为新安江水库以上流域)。图21新安江流域地理位置及河网分布图22历史气象水文资料利用中国气象科学数据共享服务网提供的1961年至最新的中国地面水平分辨率0505的日值降水格点数据,通过面积加权平均得到流域平均降雨,本文采用19792005年逐月降水数据7。蒸发数据采用由东英格利亚大学气候研究所CRU(CLIMATICRESEARCHUNIT)发布的全球月平均地表气候要素数据集中的蒸发资料,其时间范围覆盖19012012年,空间分辨率为0505经纬网格,本文采用其中19792005年的逐月蒸发数据8。流域径流资料采用流域内水文站19792005年期间的逐月流量资料,依此进行径流量的模拟和检验。23GCM输出结果本研究所采用的全球气候模式数据为来自于PCMDIPROGRAMFORCLIMATEMODELDIAGNOSISANDINTERCOMPARISON公开发布的WCRPTHEWORLDCLIMATERESEARCHPROGRAMME项目下的CMIP5COUPLEDMODELINTERCOMPARISONPROJECTPHASE5多模式数据,包括全球40多个模式组提供的全球气候模式模拟和预估结果9。本研究采用的数据系列为其中的新安江水库以上流域20062099年的月降雨和蒸发系列,选用的气候变化情景为IPCC5提出的RCP26、RCP45、RCP85三种情景。研究运用的气候模式如表21所示。表21研究选取的全球气候模式全球气候模式机构名称(国家)CCSM4NATIONALCENTERFORATMOSPHERICRESEARCHUSCSIROMK360COMMONWEALTHSCIENTIFICANDINDUSTRIALRESEARCHORGANIZATIONINCOLLABORATIONWITHTHEQUEENSLANDCLIMATECHANGECENTEROFEXCELLENCEAUSTRALIACANESM2CANADIANCENTREFORCLIMATEMODELLINGANDANALYSISCANADAGISSE2RCCNASAGODDARDINSTITUTEFORSPACESTUDIESUSIPSLCM5ALRINSTITUTEPIERRESIMONLAPLACEFRANCEMIROC5ATMOSPHEREANDOCEANRESEARCHINSTITUTETHEUNIVERSITYOFTOKYO,NATIONALINSTITUTEFORENVIRONMENTALSTUDIES,ANDJAPANAGENCYFORMARINEEARTHSCIENCEANDTECHNOLOGYJAPANMRICGCM3METEOROLOGICALRESEARCHINSTITUTENORESM1MNORWEGIANCLIMATECENTREBCCCSM11BEIJINGCLIMATECENTER,CHINAMETEOROLOGICALADMINISTRATIONCHINA3流域水资源模拟模型31新安江月水文模型311模型原理本研究采用在逐时三水源新安江模型的基础上概化而得的新安江月水文模型,其与逐时模型的主要区别在水源划分和汇流原理上,即(1)在水源划分上,对于月时间尺度而言,地表径流和壤中流已无法区分,因此水源仅划分为地表径流和地下径流;(2)在汇流方面,一个月的时间里,对于集水面积仅几千平方公里的流域,地表径流早已完成,河道汇流时间也很短,最长也就23天,因此,不考虑这两个汇流过程。模型结构如图31所示。输入降雨P、水面蒸发EM径流R输出快速响应QS张力水蓄水体WM、B自由水蓄水体SM、EX模拟径流Q输出蒸发E慢速响应QG图31新安江月水文模型结构示意图312模型计算及其率定与验证新安江月水文模型的计算分四个层次,即(1)蒸散发计算,采用三层蒸发模型计算流域蒸发;(2)产流计算,采用蓄满产流模式计算产流量;(3)水源划分,用自由水蓄水库调蓄的方法将径流划分为快速和慢速两种径流,为简化计算,可认为地下水泄流系数KG1;(4)汇流计算快速径流可认为本时段(即当月)全部流出,慢速径流通过一个线性水库调蓄,不考虑河网汇流。本研究采用固定不敏感参数、利用遗传算法优化敏感参数的方法来率定模型参数,采用三参数K、SM、CG同时率定的方法,以确定性系数DC最大作为目标函数,其计算公式如式(31)所示,据此率定出一组最优的参数。21II31NIIQJSDC式中,QJ为预报值,M3/S;QS为实测值,M3/S;为实测值的均值,QSM3/S;N为资料系列长度。本研究采用19792005年历史降雨、蒸发资料的前20年(19791998)为率定期,后7年(19992005)为检验期,参数率定结果见表31,径流模拟结果及精度统计见表32,模拟径流与实测径流对比及其相关关系分别见图31、图32。由表32可得率定期和检验期的平均确定性系数分别为09031和09267,所有年份径流模拟的相对误差均在20以下,年产流量绝对误差小于100MM的有24次,占总数的889。根据精度统计结果、图32及图33,表明率定的参数基本是合理的,可用于对未来新安江水库径流的模拟。表31新安江流域月水文模型参数率定表层次参数参数意义月模型参数值K流域蒸散发折算系数06811UM上层张力水容量(MM)20LM下层张力水容量(MM)90蒸散发计算C深层蒸散发扩散系数015WM流域平均张力水容量(MM)150B张力水蓄水容量曲线方次04产流计算IMP不透水面积占全流域面积的比例004SM自由水蓄水容量(MM)9709水源划分计算EX自由水蓄水容量曲线方次15KG地下径流的日出流系数1汇流计算CG地下径流消退系数03125表32新安江流域月水文模型模拟结果及精度统计表降雨MM实测流量(MM计算流量MM绝对误差(MM)相对误差确定性系数率定期平均16548106251052755053809031检验期平均1582094739482428485092670RE3000RE2600RE2200RE1800RE1300RE800RE400RE100RE25019791983198719911995199920030RE3000RE1400RE2600RE800RE2200RE400RE180降雨实测流量计算流量年份流量(MM)降雨(MM)0RE3000RE1400RE2600RE800RE2200RE400RE1800RE3000RE1400RE2600RE800RE2200RE400RE180率定期检验期45线实测流量(M3/S)计算流量(M3/S图32新安江流域年径流模拟值与实测值对比图图33新安江流域实测与计算月径流相关关系图32新安江水库调度模拟模型新安江水电站是一座以发电为主,兼有防洪、灌溉、渔业、航运、旅游等综合功能的大型水电站,为多年调节电站。本文采用月常规调度模型,常规方法是以调度准则为依据,利用径流调节理论和水能计算方法,并借助于水库的抗洪能力图、防洪调度图等经验性图表实施防洪调度操作,是一种半经验、半理论的水库调度方法,包括时历法和统计法。本文重点考虑兴利调度,以水库调度图为依据进行,如图34所示。图34新安江水库调度图4气候变化情景下新安江流域水文水资源响应41未来气候变化情景在评估气候变化影响时,通常需要构建多个气候情景来对气候变化的各种趋势进行描述,目前常采用未来温室气体排放情景来反映气候变化。于2013年发布的IPCC第5次评估报告采用了全新RCP(REPRESENTATIVECONCENTRATIONPATHWAYS)气候情景模式,本研究采用的气候情景模式为其中的RCP26、RCP45和RCP85情景。42未来气温、降雨、蒸散发与径流变化分析选取19792005年为气候基准期,分析新安江水库未来20062099年气温、降雨、潜在蒸散发和径流的变化。根据上述多模式气象数据,驱动新安江月水文模型得出各模式各情景下新安江水库的径流过程。为消除模式间误差,取各情景下9个模式的平均值作为未来新安江水库气温、降雨、潜在蒸散发和径流预测值。为便于分析,将未来20062099年划分为5个时期2010S(20062020年)、2030S(20212040年)、2050S(20412060年)、2070S(20612080年)和2090S(20812099年),对各时期的气温、降雨、蒸发和径流的年际、年代际变化进行比较分析。气候变化情景下未来各时期水文循环要素相对基准期变化见表41。表41气候变化情景下未来各时期水文循环要素相对基准期变化表RCP26RCP45RCP85情景时期降雨()气温()蒸发()径流()降雨()气温()蒸发()径流()降雨()气温()蒸发()径流()2010S9181323411315787115333112177312732311222030S4011740756675341771068565391931258402050S2322162435860682462953523183072086842070S0372173143022752904217491834194110102090S007213348263276306443114078533530231基准期降雨16359MM气温1537蒸发8999MM径流10326MM421气温、降雨、蒸散发变化分析(1)未来气温变化分析由表41有,RCP26、RCP45和RCP85情景下,未来各时期平均气温较基准期年均气温均增大,且随着年代变化气温呈增加趋势。可以看出气温的变化与CO2排放量呈正相关关系,RCP26情景下气温先增大而后到21世纪50年代增加幅度趋于平稳之后略有减小,RCP45和RCP85情景下气温均呈持续增加趋势,RCP85情景下增温最显著,到2090S时期较基准期增加533,RCP45情景下次之,到2090S时期较基准期增加了306。(2)未来降雨变化分析由表41有,RCP26、RCP45和RCP85情景下,未来各时期平均降水量较基准期年均降水量均先减小而后至2090S时期增大,其趋势呈现出随时间增加的趋势。RCP26、RCP45和RCP85情景下降雨较基准期多年平均降雨最小变化率分别为007(2090S)、275(2070S)和078(2090S),可以看出,降雨变化与气温呈微弱正相关关系。(3)未来蒸散发变化分析由表41有,RCP26、RCP45和RCP85情景下未来各时期蒸发量较基准期年均蒸发均先减小而后至2050S时期增大,其趋势呈现出随时间增加的趋势。RCP26、RCP45和RCP85情景下蒸发较基准期多年平均蒸发最小变化率分别为075(2030S)、106(2030S)和125(2030S)。可以看出,蒸发较大程度上受到气温的影响,气温越高,蒸发量越大。422径流变化分析RCP26、RCP45和RCP85情景下新安江水库未来20062099年年平均、月平均径流较基准期径流均值的变化如图41所示。2000_2020_2040_2060_2080_2100_40_30_20_10_0_10_20_RCP26RCP45RCP85LINEARRCP26LINEARRCP45LINEARRCP85年份径流变化率()12345678910111250_30_10_10_30_50_70_RCP26RCP45RCP85月份径流变化率()(A)年平均径流变化(B)月平均径流变化图413种气候情景下20062099年新安江水库水位较基准期径流均值变化图由图41(A)及表41有,RCP26、RCP45和RCP85情景下未来径流较基准期平均径流基本均减小,趋势呈现出随时间增加的趋势,年增加率分别为1228、1398和1420,径流变化率范围分别为24781330、28971593和30421654。由表41可以看出,RCP26、RCP45和RCP85情景下径流较基准期多年平均径流基本均减小,最小变化率分别为263(2090S)、114(2090S)和010(2070S),由于径流主要受降雨和蒸发的影响,在同一时期,未来降雨较蒸发减小幅度大,造成径流减少。由图42(B)有,1、2、5、812月的平均径流较历史基准期月均径流有不同程度的增加,12月增加的幅度最大,RCP26、RCP45和RCP85情景下分别为4508、4133和3396;3、4、6、7月的平均径流较基准期月均径流有所减小,7月减小幅度最大,RCP26、RCP45和RCP85情景下分别为4761、4266和4528。44新安江水库响应研究新安江水库发电调度以月为计算时段,根据水库调度图进行定出力调节计算,可以得到新安江水库的逐月水位、下泄、出力和水头过程。历史径流系列为19792005年,本文以1979年10月作为起调日期,起调水位为984M(V死1/2V兴所对应的库水位),结束时间选为2005年9月,共26个水文年。同理,对前述未来20062099年RCP26、RCP45和RCP85情景下的机构平均径流系列,均采用2006年10月为起调日期,2099年9月为结束日期,共93个水文年,进行定出力调节计算。以历史发电调度结果为基准,将未来20062099年划分为5个时期,即2010S、2030S、2050S、2070S和2090S,对各时期3种情景下新安江水库水位、下泄流量、发电流量、出力和发电量进行年际和年代际变化分析。气候变化情景下未来各时期水库水位、下泄流量、发电流量、出力和发电量相对基准期变化见表42。表42未来各时期水库水位、下泄流量、发电流量、出力和发电量相对基准期变化表情景/时期水位()下泄流量(发电流量(出力()发电量()历史基准期10317(M)32958(M3/S31427M3/S2125万KW18614257万KWH2010S02619841593163716372030S10910486125245402050S11610015634694852070S134661206094113RCP262090S1336001420330602010S05117871387136013682030S10412388117277502050S1287603102082302070S1061137705622641RCP452090S1531872894293982010S01216971292132213362030S10512968727908102050S10610796455605832070S147398064194171RCP852090S124690237130157441水位变化分析RCP26、RCP45和RCP85情景下新安江水库未来20062099年年平均、月平均库前水位较基准期水位均值的变化如图42所示。20002020204020602080210080604020002040RCP26RCP45RCP85LINEARRCP26LINEARRCP45LINEARRCP85年份水位变化率()12345678910111200RE300000RE300000RE300000RE310000RE310000RE100PCR26RCP45RCP85月份水位变化率()(A)年平均水位变化(B)月平均水位变化图423种气候情景下20062099年新安江水库水位较基准期水位均值变化图由图42(A)有,RCP26、RCP45和RCP85情景下未来新安江水库水位较基准期多年平均水位基本均增加,趋势呈现出随时间增加的趋势,年增加率分别为168、107和160,水位变化率范围分别为517199、331205和554191。由表42可以看出,2010S时期,RCP26和RCP85情景下水位较基准期多年平均水位降低,变化率分别为026和012,RCP45情景下水位较基准期增加,变化率为051,其余各时期水位均较基准期增大,这是由于未来时期前期水库由984M开始起调,从而造成未来第一段时期的平均水位较低。由图42(B)有,RCP26、RCP45和RCP85情景下未来各月平均水位较历史基准期月均水位均有不同程度的增加,其中2月增幅最大,分别为138、154和133;4月增幅最小,分别为045、060和048。442下泄流量变化分析RCP26、RCP45和RCP85情景下新安江水库未来20062099年年平均、月平均下泄流量较基准期下泄流量均值的变化如图43所示。20002020204020602080210040_30_20_10_0_10_20_RCP26RCP45RCP85LINEARRCP26LINEARRCP45LINEARRCP85年份下泄流量变化率()12345678910111260_40_20_0_20_40_PCR26RCP45RCP85月份下泄流量变化率()(A)年平均下泄流量变化(B)月平均下泄流量变化图433种气候情景下20062099年新安江水库年均下泄流量较基准期下泄流量均值变化图由图43(A)有,RCP26、RCP45和RCP85情景下未来新安江水库下泄流量较基准期多年平均下泄流量基本均较小,趋势呈现随时间增加的趋势,年增加率分别为1549、1760和1608,下泄流量变化率范围分别为28081457、28551110和28451163。由表42可以看出,RCP26、RCP45和RCP85情景下下泄流量较基准期多年平均下泄流量均减小,最小变化率分别为600(2090S)、187(2090S)和398(2070S),这是由于未来径流减小而水位升高,从而导致水库下泄流小减小。由图43(B)有,RCP26、RCP45和RCP85情景下,未来各月的平均下泄流量较历史基准期月均下泄流量均有不同程度的增加和减少,2月增幅最大,分别为2639、2822和3048;6月减少增幅最大,分别为4727、4512和4003。443发电流量变化分析RCP26、RCP45和RCP85情景下新安江水库未来20062099年年平均、月平均发电流量较基准期发电流量均值的变化如图44所示。20002020204020602080210030_20_10_0_10_20_30_RCP26RCP45RCP85LINEARRCP26LINEARRCP45LINEARRCP85年份发电流量变化率()12345678910111240_20_0_20_40_PCR26RCP45RCP85月份发电流量变化率()(A)年平均发电流量变化(B)月平均发电流量变化图443种气候情景下20062099年新安江水库年均发电流量较基准期发电流量均值变化图由图44(A)有,RCP26、RCP45和RCP85情景下未来新安江水库发电流量较基准期多年平均发电流量基本均减小,趋势呈现出随时间增大的趋势,年增加率分别为1624、1843和1684,发电流量变化率范围分别为24572015、25061652和24961707。由表42可以看出,RCP26、RCP45和RCP85情景下发电流量较基准期多年平均发电流量基本均减小,最小变化率分别为142(2090S)、289(2090S)和064(2070S),其变化趋势与下泄流量变化趋势一致。由图44(B)可以看出,RCP26、RCP45和RCP85情景下,未来各月的平均下泄流量较历史基准期月均发电流量均有不同程度的增加和减少,2月增幅最大,增加幅度分别为2639、2822和3048;RCP26和RCP85情景下7月减小幅度最大,分别为2939和2941,而RCP45情景下5月减小幅度最大,为3274。发电流量变化率在6、7月与下泄流量变化率不同,是由于历史6、7月水库产生弃水,而未来时期,RCP45和RCP85情景下6月产生弃水,从而使得在6、7月发电流量变化率较下泄流量变化率小。444出力变化分析RCP26、RCP45和RCP85情景下新安江水库未来20062099年年平均、月平均出力较基准期出力均值的变化如图45所示。20002020204020602080210040_20_0_20_40_RCP26RCP45RCP85LINEARRCP26LINEARRCP45LINEARRCP85年份出力变化率()12345678910111240_20_0_20_40_PCR26RCP45RCP85月份出力变化率()(A)年平均出力变化(B)月平均出力变化图453种气候情景下20062099年新安江水库年均出力较基准期出力均值变化图由图45(A)可以看出,RCP26、RCP45和RCP85情景下未来新安江水库年均出力较基准期多年平均出力基本均减小,趋势呈现出随时间增大的趋势,年增加率分别为1783、1960和1849,出力变化率范围分别为24802220、24801861和24801894。由表42可以看出,RCP26、RCP45和RCP85情景下出力较基准期多年平均出力基本均减小,最小变化率分别为033(2090S)、208(2050S)和130(2090S),其变化趋势与发电流量变化趋势一致。由图45(B)可以看出,RCP26、RCP45和RCP85情景下,未来各月的平均出力较历史基准期月均出力均有不同程度的增大和减少,2月增加幅度最大,分别为2789、2989和3188;RCP26和RCP45情景下,5月减少幅度最大,分别为2909和3243,而RCP85情景下7月减少幅度最大,为2858。445发电量变化分析RCP26、RCP45和RCP85情景下新安江水库未来20062099年年、月平均发电量较基准期发电量均值的变化如图46所示。20002020204020602080210003_02_01_00_01_02_03_RCP26RCP45RCP85LINEARRCP26LINEARRCP45LINEARRCP85年份发电量变化率()12345678910111240_20_0_20_40_PCR26RCP45RCP85月份发电量变化率()(A)年发电量变化(B)月平均发电量变化图463种气候情景下20062099年新安江水库年均发电量较基准期发电量均值变化图由图46(A)可以看出,RCP26、RCP45和RCP85情景下未来新安江水库年发电量较基准期多年平均发电量基本均减小,趋势呈现出随时间增大的趋势,年增加率分别为0176、0194和0183,年发电量变化率范围分别为025022、025018和025018。由表42可以看出,RCP26、RCP45和RCP85情景下年均发电量较基准期多年平均发电量基本均减小,最小变化率分别为060(2090S)、230(2050S)和157(2090S),其变化趋势与出力变化趋势一致。由图46(B)可以看出,RCP26、RCP45和RCP85情景下,未来各月的平均发电量较历史基准期月均发电量均有不同程度的增大和减少,2月增加幅度最大,分别为2776、2980和3175;RCP26和RCP45情景下,5月减少幅度最大,分别为2909和3243,而RCP85情景下7月减少幅度最大,为2858。5结论与建议本文针对新安江流域,利用新安江月水文模型,采用19792005年实测资料对模型进行了率定和验证,取得了较好的模拟效果,率定期和检验期的确定性系数分别为09031和09267,年径流模拟相对误差在20以下,表明在新安江流域利用新安江月水文模型进行径流模拟是可行的。在此基础上选取19792005年作为基准期,根据WCRP的CMIP5多模式数据结果及模型预测径流,分析了RCP26、RCP45和RCP85情景下新安江流域21世纪气温、降雨、蒸发和径流的响应过程,同时对新安江水库进行水资源调度,对未来新安江水库水位、下泄流量、发电流量、出力和发电量的可能变化做了重点分析,得出以下结论(1)RCP26、RCP45和RCP85情景下,相对于基准期,新安江流域未来20062099年年平均气温均呈现出显著上升趋势,年均降水量在2060年前以减小为主此后开始增加,年均蒸发在2040年前以减小为主此后开始增大,年均径流在2090年前主要以减小为主此后略有增加,且3、4、6、7月的平均径流较基准期月均径流均有所减小,而其余月则有所增加。(2)RCP26、RCP45和RCP85情景下,相对于基准期,新安江水库年均水位均升高但变化幅度较小,在2010年前平均水位较低,约在975M1034M之间,各月平均水位较基准期月均水位均升高。(3)RCP26、RCP45和RCP85情景下,相对于基准期,新安江水库年均下泄流量、发电流量主要以减小为主,在410月月均下泄流量、发电流量较基准期减小,其余月则增加。年均出力和年发电量的变化较基准期基本均减小。在IPCC5RCP26、RCP45和RCP85情景下新安江流域21世纪气温将持续上升,年降水量、蒸发量均先减小后增加,径流先减小至2090年后略有增加,结果预示着新安江流域的水资源在21世纪末才有可能增加。同时,21世纪新安江水库年均水位先降低至2010年后升高,年均径流减少且水位升高,这是造成未来新安江水库下泄流量、发电流量、出力和发电量减少的主要原因。本研究对未来新安江流域的气候变化分析和径流预测主要取决于全球气候模式的输出产品,对

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