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可持续的水资源供应是生态系统和人类赖以生存的基础。气候和地表(或称为流域)特性(流域面积、地形、土壤特性、植被覆盖等)是流域产水量的决定因素(Zhou et al.,2015)。过去几十年来,全球气候和地表覆盖都发生了极大的变化。日益上升的全球气温促使降水量及其时空格局发生改变,同时,为维持大气二氧化碳稳定、减缓全球气温上升并促进人类社会福祉,全球范围内都开展了大规模的人工森林恢复和植被重建工作,仅在中国,过去几十年就开展了10多项国家生态工程的建设(Liu et al.,2008)。这些由人工(人工森林恢复和植被重建)或自然促进的(如气温上升、大气二氧化碳浓度上升以及氮沉降上升等)植被生长极大地增加了全球绿量和生物量(Chen et al.,2019)。这些增加的绿量和生物量必然起到缓解大气二氧化碳浓度上升的作用,但其对全球水资源的效应却并不如对碳固定的效应一样明确(周国逸等,2020)。因此,在气温上升、降水量及其格局发生改变以及绿量和生物量增加的全球背景下,水资源状况如何变化受到了广泛的担忧和关注(Prǎvǎlie et al.,2019;Zastrow,2019)。
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为此,本文收集了全球河川径流量的长期数据(1950—2012年)以分析全球水资源的长期变化趋势,并阐述极端河川径流量季节格局(全年发生最低和最高月径流量所在的月份)的变化规律。同时收集了1980—2010年30 a间与河川径流量数据一致的全球流域的植被归一化指数(Normalized Differential Vegetation Index,NDVI)、气温和降水量,试图分析全球气候变化和绿量增加对全球水资源长期变化趋势以及极端河川径流量季节格局改变的贡献。
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1 材料与方法
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1.1 数据库介绍
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“全球径流数据中心所属站网的长期月平均径流量和年特征[Long-Term Mean Monthly Discharges and Annual Characteristics of GRDC(The Global Runoff Data Centre) stations,http://www.bafg.de/GRDC/EN/01_GRDC/grdc_node.html;jsessionid=80CEAA6C8B7069F7179879ED9CA1B322.live2052]数据库来源于3 125个遍布全球的观测流域。数据库包括每年的最低月径流量(LQ)及其发生的月份,每年的月均径流量(MQ)及其用于计算MQ的数据量,每年的最高月径流量(HQ)及其发生的月份。该网站的原始数据集是按照3个原则对全球提交的数据进行归一化整理和集合的,包括:1)用于计算月径流平均值的数据缺失天数不能多于10 d;2)每年最多允许有2个月的资料缺失,否则,该年不考虑在内;3)任意一个站的有效年份数不少于5 a。本文几乎没有对网站的原始数据集进行编辑,只是增加了“任意一个站的有效年份数不少于10 a”的条件,以保证研究结果特别是有关长期趋势结果的可靠性并易于与使用该数据的其他研究进行比较。满足本文要求的全球观测流域为2 894个,图1给出了它们在全球分布情况。
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图1 提供本文数据的观测流域的全球分布
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Fig.1 Global distribution of observed watersheds providing the data in this paper
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1.2 LQ、MQ和HQ时间趋势性分析的数据处理
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为便于不同流域之间的比较,对所有2 894个流域的径流观测结果LQ、MQ和HQ都按式(1)进行了标准化处理。
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式中:为LQ或MQ或HQ的标准化值;xij为LQ或MQ或HQ的观测值;i代表径流观测点(或流域);j代表观测年份;代表径流观测点i所有年份观测值的平均值;σi代表径流观测点i所有年份观测值的标准差。
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1.3 发生极端径流LQ或HQ月份频率变化趋势的数据处理
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分别按照全球尺度、大陆尺度和纬度带尺度计算该尺度内所有径流观测点(或流域)每年各个月份发生极端径流(LQ或HQ)的频率,按照式(2)得到某尺度(全球、大陆、纬度)极端径流发生月份的频率随年份的变化系列。
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式中:i为尺度(全球尺度、大陆尺度、纬度带尺度);j为年份(1950,1951,…,2012);k为月份(1,2,…,12);l为某一尺度(全球尺度、大陆尺度、纬度带尺度)内的某一径流观测点;ni,j,k,l=1或0,如果LQ或HQ在给定的月份发生了,则ni,j,k,l=1;否则,ni,j,k,l=0。
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1.4 统计分析
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用线性回归模型分析不同空间尺度(全球、大陆、纬度)下各个变量的时间变化趋势。用Pearson相关分析(IBM SPSS Statistics v22.0)计算LQ、MQ和HQ与NDVI、气温和年降水的相关关系与相应的R2和p值。
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2 结果
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2.1 不同空间尺度下的径流量变化趋势
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在全球尺度上,过去60 a年月均径流量(MQ)没有出现统计上(表1)的显著变化趋势(p=0.502),但年最低月径流量(LQ)和年最高月径流量(HQ)却分别呈现显著的上升趋势(p <0.001)和显著的下降趋势(p=0.013)(图2)。说明全球尺度的水资源状况越来越好,表现在总量上没有显著变化,而年内变异在减小,季节分配走向平均,干旱和洪涝风险降低,水资源供应状况总体上有所改善。在不同地域之间水资源差异的趋势性变化方面,分别用MQ、LQ和HQ在不同地域间的标准差来表征, 图2显示MQ、LQ和HQ在不同地域之间标准差的时间趋势分别为显著减小(p =0.005)、显著增大(p=0.002)和显著减小(p=0.001)。表明水资源总量的地域差异在过去60 a在变小;最低月径流量的地域差异增大,即干旱的地域差异增大;最高月径流量的地域差异减小,即洪涝的地域差异变小。
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注:LQ:最低月径流量;MQ:月均径流量;HQ:最高月径流量;T:趋势;↑:上升;↓:下降;—:无显著变化.
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图2 全球年内最低月径流量(a;LQ)、年内月均径流量(b;MQ)和年内最高月径流量(c;HQ)及其标准差的变化趋势(红线表示标准化流量,蓝线表示标准差)
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Fig.2 Global trends of(a)the lowest monthly mean discharge(LQ),(b)the monthly mean discharge within the year(MQ) and(c)the highest monthly mean discharge(HQ) and their standard deviations(Red line represents the normalized discharge and blue line represents the standard deviation)
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在单个的流域尺度上,MQ呈现显著上升(p<0.05)、显著下降(p <0.05)和没有显著性变化(p >0.05)的流域数占流域总数的百分比分别为9.1%、12.4%和78.5%;相应地,LQ的百分比分别为24.1%、11.7%和64.2%,而LQ的百分比分别为6.4%、13.6%和79.9%(图3)。
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在区域尺度上,除大洋洲以外,LQ、MQ和HQ过去60 a来在5大洲(非洲、亚洲、欧洲、北美洲、南美洲)分别有显著的变化趋势。北美洲水资源有幸经历了LQ显著增加、HQ显著降低而MQ没有显著变化的时期,表明该洲水资源的季节分配走向平均。欧洲和南美洲的LQ显著上升,MQ和HQ都没有显著变化,这也在向好的方向发展。非洲和亚洲水资源状况相类似,MQ和HQ都显著下降,LQ没有显著变化(图3);虽然MQ的下降有可能是由于HQ下降引起,但水资源总量的减少是值得高度注意的。
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在纬度带尺度上给出了50°S~80°N每10个纬度的LQ、MQ和HQ在时间上的变化趋势(图4),可见,只有在40°~30°S、10°S~0°N、10°~30°N和40°~80°N这些纬度带上观察到了LQ或MQ或HQ的显著变化。过去60 a来,北半球河川径流量的改变要比南半球明显得多。南半球低纬度带(10°S~0°N)和北半球中高纬度带(40°~80°N)的广阔区域LQ都显著增加;而南半球的中纬度带(40°~30°S)和北半球的中低纬度带(10°~30°N)HQ都显著减少;只有在40°~30°S和10°~20°N两个纬度带上MQ显著减少、在70°~80°N纬度带上MQ显著增加,而在其他纬度带MQ变化不显著。
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图3 径流量发生或未发生显著变化的流域分布以及各大洲的统计结果:(a)年内最低月径流量(LQ);(b)年内月均径流量(MQ);(c)年内最高月径流量(HQ)
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Fig.3 Distribution of watersheds with or without significant discharge change and statistic results in different continents:(a)the lowest monthly mean discharge(LQ);(b)the monthly mean discharge within the year(MQ);(c)the highest monthly mean discharge(HQ)
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至此,我们阐述了不同空间尺度下LQ、MQ和HQ的长期变化趋势。在流域尺度上,虽然LQ、MQ和HQ呈现了显著上升、无显著变化和显著下降所有三种状况,但在区域尺度(大陆和纬度带尺度)和全球尺度上,并没有出现LQ显著下降和HQ显著上升的趋势。更值得欣慰的是,即使区域尺度(大陆和纬度带尺度)的MQ发生了趋势性变化,那么MQ的下降都与HQ的下降联系在一起、而MQ的上升也都与LQ的上升联系在一起。这些结果表明水资源在区域和全球尺度上基本是向好的趋势发展。
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2.2 发生极端径流的月份频率变化趋势
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与年内月极端径流量变化不同的是发生年内月极端径流量的月份在过去60多年里大多发生了显著的改变。全球尺度上,发生LQ的月份频率呈现显著变化的每年有9个月,其中,LQ发生在2—5月的频率显著下降,发生在6月、8—11月的频率显著上升;发生HQ的月份频率呈现显著变化的每年有10个月,其中,HQ发生在1—4月的频率显著增加,发生在5—10月的频率显著下降(表2)。
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在大陆尺度上,按照北美洲、亚洲、大洋洲、非洲、欧洲和南美洲的顺序,发生LQ的月份频率有显著改变的年月份数分别为5、6、8、9、9和10个月,发生HQ的月份频率有显著改变的年月份数分别为3、10、2、10、6、9(图5)。
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类似的情况也出现在纬度带尺度上。传统上发生极端径流的月份已经在很大程度上被改变了。发生改变的月份数超过全年月份数一半的纬度带如下:在0°~30°N和50°~70°N的纬度带上,每年有7~10个月发生LQ的月份频率有显著改变;在0°~10°N和50°~60°N的纬度带上,每年分别有9个月和10个月发生HQ的月份频率存在显著变化趋势。在其他纬度带上,发生极端径流的月份也有很多改变,但没有超过全年月份数的一半(图6)。
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图4 年内最低月径流量(LQ;蓝线)、年内月均径流量(MQ;红线)和年内最高月径流量(HQ;绿线)沿纬度带的变化趋势
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Fig.4 Trends of the lowest monthly mean discharge(LQ;blue line),the monthly mean discharge within the year(MQ;red line) and the highest monthly mean discharge(HQ;green line) in different latitude belts
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注:LQ:最低月径流量;HQ:最高月径流量;T:趋势;↑:上升;↓:下降;—:无显著变化;×:p>0.05;*:0.01< p<0.05; **; 0.001< p<0.01; ***; p<0.001
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2.3 年均气温、降水量及NDVI变化趋势及其与MQ、LQ和HQ的联系
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进一步分析了导致年内月均径流量(MQ)、年内月极端径流量(LQ、HQ)及其所在月份的频率产生趋势性改变的原因,试图建立MQ、LQ、HQ和年均温、年降水量、植被归一化指数之间的联系。
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表3显示无论是全球尺度还是洲尺度,MQ变化与年降水量变化无一例外地都呈现显著正相关关系、而与植被归一化指数变化无一例外地都没有显著关系。MQ变化与年均气温的关系则相对复杂:全球尺度上,与年均气温关系不显著;洲尺度上,大洋洲、欧洲和非洲的MQ变化与年均气温呈现显著的负相关关系,其他州的MQ变化与年均气温关系不显著。这些结果表明,年降水量在控制河川径流量方面无疑是最关键和直接的,其次是年均气温,植被归一化指数。
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图5 各大洲发生极端径流的月份平均频率的变化趋势(红色表示LQ,蓝色表示HQ,↓表示显著减少,↑表示显著增加,—表示无显著变化):(a)亚洲;(b)欧洲;(c)北美洲;(d)南美洲;(e)非洲;(f)大洋洲
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Fig.5 Trends of average frequency of the month associated with occurrence of extreme discharges in different continents(Red:LQ;blue:HQ;↓:significant decrease;↑:significant increase;—:no significant change):(a)Asia;(b)Europe;(c)North America;(d)South America;(e)Africa;(f)Oceania
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图6 各纬度带发生极端径流的月份平均频率的变化趋势(红色表示LQ,蓝色表示HQ,↓表示显著减少,↑表示显著增加,—表示无显著变化)
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Fig.6 Trends of average frequency of the month associated with occurrence of extreme discharges in different latitude belts(Red:LQ;blue:HQ;↓:significant decrease;↑:significant increase;—:no significant change)
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注:*:p<0.05;**:p<0.01.
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图7显示在全球尺度上,年降水量、年均气温和植被归一化指数都呈现显著性上升趋势。在洲尺度上,年降水量变化趋势在所有洲都不显著;植被归一化指数只在亚洲和南美洲存在显著上升趋势,在其他洲的变化趋势也都不显著;年均气温除了在北美洲的变化趋势不显著以外,在其他洲都是显著的。
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3 讨论与分析
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3.1 有关全球河川径流量变化趋势的相关研究
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结果显示1950—2010年期间全球尺度上的年内月平均径流量没有显著变化,但年内变异减小,季节分配走向平均,干旱和洪涝风险降低。在洲尺度上,欧洲、北美洲、南美洲的年内月最小径流量出现显著上升,亚洲和非洲的年内月平均径流量出现显著下降趋势、亚洲、北美洲和非洲年内月最大径流量下降。这与前期一些研究的结果有较大差异,Probst and Tardy(1987)和Labat et al.(2004)的研究表明尽管有着更高强度的人类耗水,20世纪洲尺度的河川径流量还是在显著增加;而我们并没有发现1950—2010年期间河川径流量上升的趋势,只是全球和各大洲的水资源供应在季节上和空间上变异减小。究其原因主要是因为本文考虑了21世纪的前10 a,时间序列不严格相同。21世纪以来,全球气候和地表覆盖发生了很大改变,全球河川径流量可能也因此确实发生了很大改变。由于前期研究(Probst et al.,1987;Labat et al.,2004;Gedney et al.,2006;Betts et al.,2007)都没有涉及年内月极端径流量的变化趋势,无法进行有关水资源供应在季节上和空间上变化趋势的比较。
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在河川径流量变化的归因上,Gedney et al(2006)和Betts et al(2007)指出20世纪河川径流量上升的驱动因素主要归结为大气二氧化碳浓度上升和降雨量增加,与土地利用(部分反映在NDVI变化中)关系不紧密。本文除了没有考虑大气二氧化碳浓度上升对河川径流量的贡献以外,与前期研究结果高度一致。这也说明本文关于河川径流量在各大洲尺度和全球尺度上的变化趋势是可靠的,图7显示年降水量在所有洲都不显著,必然导致年内月平均径流量没有显著变化。
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理论上,气候和流域特性是流域产水量的决定因素(Zhou et al.,2015)。然而,流域特性包含的内容甚广,诸如:流域面积、地形、土壤特性、植被覆盖等都是。流域特性主要决定于流域面积、地形和土壤厚度与特性,植被覆盖只是影响流域特性很小的一个方面,反映植被覆盖状况的植被绿量增加并不足以影响整个流域特性的改变。全球径流量的大量观测和结论(Probst et al.,1987;Labat et al.,2004;戴仕宝和杨世伦,2006;Gedney et al.,2006;郝绍生,2006;Betts et al.,2007;Antonio et al.,2008;Zhou et al.,2010,2015;周国逸等,2020)都表明,大流域及以上空间尺度上没必要担忧人工或自然促进的植被生长可能造成水资源减少。
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3.2 年内极端河川径流量季节格局改变所产生的社会与生态效应
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研究发现传统上发生极端径流的月份过去60 a里已经在很大程度上被改变,即水资源季节格局已被改变。这个现状虽然不会对水资源总量供应造成严重后果,甚至改善了季节间的水资源分配,但可能对社会和自然生态系统以及依靠自然节律的生产生活方式产生深远的影响。
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图7 1980—2010年在全球尺度(a—c)及洲尺度(d—f)上年降水量(a、d)、年均温(b、e)和归一化植被指数(c、f)的变化趋势
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Fig.7 Trends of(a,d)annual precipitation,(b,e)annual average temperature and(c,f)normalized differential vegetation index(NDVI) on global and continental scales from 1980 to 2010:(a—c)global scale;(d—f)continental scale
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首先,传统上发生极端径流月份的改变可能在人们的印象中形成河川径流量显著减少或增加的错觉,这个错觉经各种媒体的放大一旦影响到社会的决策则可能造成错误的行为,这是必须避免的。
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其次,长期适应河川径流量季节变化节律的自然生态系统特别是河流生态系统必然面临一系列的调整和改变,以适应新的和不断变化的河川径流量季节格局,从而改变整个生态景观。这个过程中,河川可能更容易淤积,河流生物群落组成发生改变,生态系统的功能在调整过程中可能变得脆弱等等。
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最后,年内极端河川径流量季节格局的改变还将对主要依靠自然节律的生产生活方式产生深远的影响,影响特别大的将是农业和畜牧业。中国的绝大部分国土都处于水热同季的气候与水资源格局下,这极大地提高了土地生产力潜力,保障了中国农业和畜牧业的稳产高产。如果这个格局发生改变,其影响将是深远的,值得进一步研究。
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参考文献
摘要
基于全球2894个流域的河川径流量、归一化植被指数(Normalized Differential Vegetation Index,NDVI)以及气温和降水量长期数据,发现年内月均径流量(MQ)呈上升、下降以及不显著变化趋势的流域比例分别为9.1%、12.4%和78.5%,年内最小月径流量(LQ)呈3种变化趋势的流域比例分别为24.1%、11.7%和64.2%,年内最大月径流量(HQ)呈3种变化趋势的流域比例分别为6.4%、13.6%和79.9%。在区域(大陆和纬度带)和全球尺度上,没有出现LQ下降和HQ上升变化趋势的现象,MQ下降与HQ下降联系在一起,MQ上升与LQ上升联系在一起,表明区域和全球尺度上水资源量及年内分配在过去60多年里是改善的。进一步分析发现,气候变化是导致水资源量和年内分配变化的主要因素。但与年内月极端径流量(LQ或HQ)变化不同的是,发生年内月极端径流量的月份大多发生了显著的改变,这个改变可能对社会和自然生态系统以及依靠自然节律的生产生活方式产生深远影响。
Abstract
Based on the background of rising temperature,changes in precipitation and its pattern,and increased vegetation coverage and biomass,the changes in global water resources have attracted widespread attention and concern.This paper analyzes the long-term data of river discharge,normalized differential vegetation index(NDVI),annual mean temperature and annual precipitation in 2894 watersheds around the world.Results suggest that for the monthly mean discharge within the year(MQ),the proportion of watersheds with the trend of increasing,decreasing and not significantly changing is 9.1%,12.4% and 78.5% respectively;for the lowest monthly mean discharge(LQ),the corresponding proportion is 24.1%,11.7% and 64.2% respectively;and for the highest monthly mean discharge(HQ),the corresponding proportion is 6.4%,13.6% and 79.9% respectively.On regional(continent and latitude belts) and global scales,LQ decline and HQ rise are not found,MQ decline is associated with HQ decline,and MQ rise is associated with LQ rise,which indicates that the water resources quantity and annual distribution on regional and global scales have been improved in the past 60 years.Further analysis shows that climate change is the main factor leading to changes in water resources and annual distribution.However,different from the monthly extreme discharge(LQ or HQ) changes in a year,most of the months in which the monthly extreme discharge occurs have changed significantly.This change may have a profound impact on society and natural ecosystems,as well as production and lifestyle that rely on natural rhythms.
