氣候變化對流域水資源影響評價中的不確定性問題

吳賽男，廖文根 ，隋 欣

（1.中國水利水電科學研究院，北京 100038；2.國家水電可持續(xù)發(fā)展研究中心，北京 100038）

氣候變化及其對流域水資源的影響是目前世界各國水資源管理者共同關注的話題，正確評價氣候變化背景下的流域水資源是實現(xiàn)其可持續(xù)開發(fā)利用的基礎。許多國家重視氣候變化對流域水資源的影響，采取適應性管理應對氣候變化[1]。其中的關鍵問題是，適應性管理首先需要發(fā)展一套科學評價方法，從而不斷監(jiān)測并評估氣候變化對流域水資源的影響，提出科學評估與適應性管理的對策。同時，由于多方面原因，氣候變化對流域水資源的影響評價存在很大的不確定性。本文介紹了國內(nèi)外氣候變化對流域水資源影響的一般評價方法，然后分析了影響評價結(jié)果不確定性的因素，并進一步討論了降低評價結(jié)果不確定性的方式。

1 氣候變化對流域水資源影響的評價方法

氣候變化對流域水資源影響的評價一般采取氣候情景驅(qū)動水文循環(huán)模型的方法，即所謂的What-if模式[2]：如果氣候發(fā)生某種變化，水文循環(huán)各分量將隨之發(fā)生怎樣的變化。分析過程一般包括4個步驟：①定義氣候情景；②建立流域水文循環(huán)模型；③將氣候情景作為流域水文循環(huán)模型的輸入，模擬、分析流域水文循環(huán)過程和水文變量；④評價氣候變化對流域水資源的影響，根據(jù)流域水資源的變化規(guī)律和影響程度，提出適應性對策。這其中氣候情景的選擇和流域水文循環(huán)模型的建立是影響評價的關鍵。

1.1 氣候情景與全球氣候模式

進行氣候變化影響的研究首先應該考慮的就是未來氣候狀況，目前的研究還不能準確預測未來氣候?qū)⑷绾巫兓?，只能根?jù)各種方法預測或模擬未來氣候情景，主要采用的方法有4種：①任意情景設置。假定未來氣溫上升若干度，降水減少或增加若干百分率。②時間類比。用歷史氣候資料推測未來氣候情景。③空間類比。把某區(qū)域當前的氣候狀況看作是另一區(qū)域的氣候情景。④全球氣候模式（Global Climate Models，GCMs），這是目前公認的進行氣候情景預測的唯一有效工具。

常用的GCMs包括：日本氣候系統(tǒng)研究中心模式 （CCSR），加拿大氣候中心模式（CCC），澳大利亞聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織大氣研究所模式（CSIRO），德國馬普氣象研究所模式（DKRZ），美國普林斯頓大學地球物理流體動力學實驗室模式（GFDL），美國國家大氣科學研究中心模式 （NCAR），英國氣象局哈德萊中心模式 （HADL）[3]。 由于空間分辨率低，GCMs不能提供地面局部尺度氣候要素變化信息，因此需將 GCMs輸出結(jié)果進行降尺度分析（Downscaling）。

政府間氣候變化專業(yè)委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change， IPCC）先后于 1990年、1996年、2001年和2007年完成了4次具有權(quán)威性的氣候評估報告。IPCC第三次評估報告中使用了35個GCMs，利用GCMs的模擬結(jié)果生成未來的氣候情景[4]。對未來全球和區(qū)域氣候變化的預測是在一系列驅(qū)動因子（包括人口增長率、經(jīng)濟發(fā)展速度，技術(shù)進步水平，環(huán)境條件，全球化情況和公平原則等）的假設組合下，在計算未來溫室氣體和硫化物氣溶膠排放情景基礎上進行大氣濃度計算，然后得到響應的輻射強迫，再輸入GCMs中驅(qū)動氣候的變化。

IPCC共發(fā)展了兩套排放情景，一套是IS92情景，主要用于第二次評估報告中氣候預測；另一套是SRES情景，以代替IS92用于第三次評估報告中的氣候預測。SRES排放情景是由A1、A2、B1和B2四種不同情節(jié)構(gòu)成的情景族。其中，A1描述了經(jīng)濟高速發(fā)展，全球人口在21世紀中達到峰值，高排放情景的世界；A2描述了人口持續(xù)增長，人均經(jīng)濟增長和技術(shù)變化有明顯地方性，全球化不明顯的世界；B1強調(diào)從全球角度解決經(jīng)濟、社會和環(huán)境可持續(xù)性問題的低排放情景的世界；B2側(cè)重于從局地解決經(jīng)濟、社會和環(huán)境可持續(xù)性問題的世界[5-7]。

1.2 流域水文循環(huán)模型

近幾十年來，水文學家建立和發(fā)展了各種各樣的水文模型，根據(jù)不同的分類標準，水文模型可分為連續(xù)的和分散的，集總式的和分布式的，動態(tài)的和靜態(tài)的，統(tǒng)計性的和概念性的，隨機性的和確定性的等等。當選擇和使用流域水文模型來評價氣候變化對水文水資源的影響時，應考慮下列幾個因素：①模型要具有一定的模擬精度；②盡可能使用結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)較少的模型；③現(xiàn)有的資料及其精度；④模型的通用性和地域適應性；⑤與GCMs之間的兼容性。隨著人們對水文過程認識和研究的不斷深入和計算存儲等條件的不斷發(fā)展，水文模型在描述水文過程的機理上經(jīng)歷了 “黑箱子”模型、概念性模型、物理性模型的發(fā)展過程，同時在降雨和下墊面條件空間變異性的處理上也從集總式模型走向分布式模型[8]。

概念性水文模型一般以中小流域為空間尺度（10～100km2）， 遠 小 于 GCMs的 空 間 尺 度（105km2）；模型中的參數(shù)從歷史資料率定出來，參數(shù)間的不獨立性和不確定性問題無法解決。采用集總式處理方法，無法描述變化環(huán)境（如土地利用，氣候變化等）中的陸地表面過程等缺陷，分布式水文物理模型是目前研究的主要趨勢，它能夠較好的反映不同下墊面條件下（如土壤、植被、土地利用等）產(chǎn)匯流機制。而且這種分布式模型建立在GCMs網(wǎng)格上，因而能與GCMs聯(lián)結(jié)耦合。

2 氣候變化影響評價不確定性的影響因素

由于目前的氣候變化預測結(jié)果給出的只是一種可能的變化趨勢和方向，加之水文循環(huán)過程的復雜性，使得氣候變化的影響評價結(jié)果帶有很大的不確定性[9]。

2.1 氣候情景的不確定性

絕大部分的氣候變化影響評價都是以定量的氣候和非氣候情景 （包括社會經(jīng)濟和環(huán)境情景）作為輸入?yún)?shù)，因而，氣候變化影響評價的最主要不確定性來源之一就是各種氣候情景假設的不確定性。影響氣候情景不確定的主要因素包括3個方面：氣候模式不完善、排放情景的預測和降尺度分析的不確定性。

2.1.1 氣候模式的不完善

由于影響氣候變化的自然因素很多，加之大氣—海洋—陸地—冰雪等系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用和反饋，構(gòu)成了氣候變化的復雜性、多樣性和計算分析的困難性。在IPCC第三次氣候變化評估報告中，第一工作組給出的各GCMs預測的SRESA1、A2、B1、B2四種社會經(jīng)濟情景下，21世紀末全球氣候變暖1.4～5.8℃，利用不同的氣候模式的評價結(jié)果存在較大的差異。盡管氣候模式在不斷改進，但當前的氣候模式所能模擬的氣候狀況與真實情況還是存在很大差距。

2.1.2 排放情景預測的不確定性

溫室氣體排放情景預測的不確定性主要來源于不能準確地描述和預測未來社會經(jīng)濟、環(huán)境、土地利用和技術(shù)進步等非氣候情景的變化。非氣候情景對于準確表述系統(tǒng)對氣候變化的敏感性、脆弱性及適應能力是非常重要的，但比較準確地預測未來幾十年的非氣候情景是評估氣候變化面臨的最大挑戰(zhàn)。

2.1.3 降尺度分析的不確定性

全球氣候模式的輸出尺度較大，而為了解決流域下墊面條件的不均勻性，流域水文模型尺度一般較小，因此很難直接應用全球氣候模式輸出結(jié)果進行區(qū)域水資源未來情勢的評價。這就是全球氣候模式尺度大、區(qū)域氣候模式小、水文模型尺度更小，在應用中尺度不相匹配的問題。區(qū)域氣候變化是全球氣候模式輸出通過降尺度處理得到的，因此全球氣候模式輸出結(jié)果的不確定性直接衍生了區(qū)域氣候變化的不確定性。另外，相同的GCMs預測結(jié)果，采用不同的降尺度分析技術(shù)，也會得到不同的區(qū)域氣候情景。即使相同的降尺度分析技術(shù)，用GCMs的結(jié)果驅(qū)動不同的區(qū)域氣候模式（RCM），也會得到不同的區(qū)域氣候情景結(jié)果。

2.2 水文循環(huán)模型的不確定性

當氣候情景確定時，一般采用氣候情景驅(qū)動流域水文模型的途徑計算分析氣候情景下流域的水資源情勢和流域水文狀況。因而，水文循環(huán)模型的不確定性也是氣候變化影響評價的不確定性來源之一。水文循環(huán)模型的不確定性主要來自模型結(jié)構(gòu)、模型參數(shù)等方面。

2.2.1 模型結(jié)構(gòu)的不確定性

水文循環(huán)過程復雜，對于不同的流域，下墊面條件千差萬別，流域產(chǎn)、匯流特性也不一樣。如世界氣象組織（WMO）和我國水文部門曾對一些水文模型就洪水模擬效果及地區(qū)適應性做過對比分析[9-11]，結(jié)果表明，對于濕潤半濕潤地區(qū)，大多數(shù)模型均可以得到十分滿意的模擬效果，而對于干旱半干旱地區(qū)，流域水文模擬效果卻不十分理想。流域水文模型是對陸面水文循環(huán)過程的物理概化和數(shù)學描述，反映了流域產(chǎn)匯流的一般性規(guī)律，因此，選擇的評價模型是否適用于所研究的流域、能否客觀仿真模擬該流域的陸面水文過程等，即模型結(jié)構(gòu)本身所帶來的誤差，將不可避免地影響到預測評價結(jié)果的確定性。

2.2.2 模型參數(shù)的不確定性

評價模型都是通過模型參數(shù)的變化來反映流域的特性，評價模型參數(shù)的不確定性是影響評價結(jié)果的重要方面。模型參數(shù)的不確定性主要來自4個方面：①用于模型參數(shù)率定的資料常常采用簡化或粗估的方法確定；②模型參數(shù)識別和優(yōu)化方法不合理；③參數(shù)區(qū)域化時常常用相似流域的參數(shù)移植方法來確定；④模型參數(shù)的確定很大程度上依賴于時間尺度和人為因素。

3 降低評價結(jié)果不確定性的方式

降低氣候變化對流域水資源影響評價結(jié)果不確定性的主要方式是提高流域氣候情景預測精度和完善影響評價模型[12]。

3.1 提高流域氣候情景預測精度

通過完善全球氣候模式、改進排放情景和降尺度技術(shù)來提高流域氣候情景預測精度。

3.1.1 完善全球氣候模式

全球氣候系統(tǒng)由大氣圈、水圈、巖石圈、冰凍圈和生物圈組成。全球氣候系統(tǒng)內(nèi)部和外部的大量因子影響著全球氣候變化。增強對自然和人類活動引起氣候變化過程的了解，需要認識在全球氣候系統(tǒng)中涉及到的全球變暖與氣候變化的機理、大氣和陸面水文過程之間的相互作用和相互反饋的過程。通過對全球氣候系統(tǒng)的認識，完善和提高現(xiàn)有GCMs的性能。

3.1.2 改進排放情景

如何估計未來人類活動的狀態(tài)和情景是IPCC多年來的一個研究重點。降低排放情景不確定性首先要構(gòu)建溫室氣體各種排放情景下氣候變化的情景，在影響評價中考慮采用不同模式的氣候變化情景，并綜合分析未來氣候變化的最可能發(fā)生的情景。要考慮發(fā)展中國家經(jīng)濟社會發(fā)展的特殊要求，研究和提出適合發(fā)展中國家的排放情景。

3.1.3 改進降尺度分析技術(shù)

降尺度分析技術(shù)的改進一方面需要正確認識氣候變化的物理機制，考慮物理參數(shù)化的選擇、區(qū)域大小和分辨率、大尺度氣象條件的同化技術(shù)，以及與邊界強迫無關的非線性動力學引起的內(nèi)部變率。另一方面需要正確認識氣候要素的時空分布特性，提高氣候觀測資料的質(zhì)量及加強多種信息的同化分析。

3.2 完善氣候變化影響評價模型及評價過程

通過完善評價模型、充分考慮其他因素對流域水文的影響，降低評價模型及評價過程中的不確定性。

3.2.1 改進和完善評價模型

一是進一步研究和改進模型結(jié)構(gòu)，開發(fā)和選擇更適用于流域特性的流域水文模型，從而提高模型的適應性和模擬分析能力；二是提高模型參數(shù)識別和優(yōu)化的可靠性，進一步提高模型的模擬分析精度；三是研究無資料和資料質(zhì)量較差地區(qū)的陸面過程水文模擬技術(shù)，進一步分析和建立流域水文模型參數(shù)與地理信息等要素的關系，降低水文模型在無資料地區(qū)應用的不確定性；四是在評價模型中充分考慮陸面過程對大氣過程的影響，增強評價模型與氣候模型之間的雙向耦合能力。

3.2.2 充分考慮未來環(huán)境變化對流域水文的可能影響

在未來的氣候變化條件下，不僅氣候條件變化，流域也因受到人類活動的影響而發(fā)生下墊面的變化，如土地利用的變化、都市化的發(fā)展、水利工程的修建、用水結(jié)構(gòu)的調(diào)整等，這些變化都會影響模型中參數(shù)的定量取值，進而對流域水文循環(huán)產(chǎn)生一定的影響。因此，要評價未來氣候變化條件下的水資源狀況，不僅要求模型能夠適用于未來的氣候變化情勢，而且需要研究不同人類活動對流域模型參數(shù)的定量影響，進而進一步提高模擬的確定性。

結(jié)語

研究氣候變化的目的是為了對可能的全球變暖做出相應決策，盡管氣候變化及其對流域水資源的影響評價研究存在著眾多的不確定性，但特定的氣候情景仍是幫助確定未來可能發(fā)生的氣候變化的基本途徑，將有助于開發(fā)潛在的未來適應性對策。

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