氣候變化對區(qū)域水循環(huán)系統(tǒng)影響的研究進展

趙曉慎，周 海，王文川

(華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州 450011)

氣候變化對區(qū)域水循環(huán)系統(tǒng)影響的研究進展

趙曉慎，周 海，王文川

(華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州 450011)

簡述了國內(nèi)外在氣候變化給水文水資源系統(tǒng)帶來影響這一問題上的研究進展，著重分析了研究氣候變化對水資源影響的幾類模擬方法及各模型的優(yōu)缺點，并指出了研究、模擬過程中亟待解決的一些問題.

氣候變化;水文;水資源;影響

國內(nèi)外的研究表明，全球氣候在過去的百年時間里經(jīng)歷著以加速變暖為主要特征的變化［1－2］.全球氣候變化必然會引起全球水循環(huán)現(xiàn)狀變化，導(dǎo)致全球水資源在時間、空間上的重新分配和質(zhì)量、數(shù)量上的改變，從而對世界生態(tài)系統(tǒng)、社會生產(chǎn)和人民生活安全等產(chǎn)生重大影響.目前，氣候變化已成為當(dāng)今世界的重大環(huán)境問題之一，因此研究氣候波動，分析水文水資源系統(tǒng)對氣候變化的響應(yīng)機理并進行模擬實驗研究，顯得尤為迫切和重要.

1 國外研究進展

美國國家研究理事會早在1977年就針對氣候、氣候變化與給水三者之間的相互關(guān)系及影響進行了探討［3］，但是卻未能引起國際上的重視.直到1985年，一些國際水文組織才開始意識到研究氣候變化對水資源系統(tǒng)影響的重要性，進而開展了大量的研究工作.首先是世界氣象組織分析了水資源系統(tǒng)對氣候變化的反饋與敏感性問題，總結(jié)了檢驗和評價氣候影響水文水資源系統(tǒng)的方法［4］.1987年8月，國際水文科協(xié)組織了“氣候變化和氣候波動對水文水資源影響”的專題學(xué)術(shù)研討會.1988年，世界氣象組織和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署聯(lián)合組建設(shè)立了政府間氣候變化專門委員會，作為氣候變化問題評估的專門機構(gòu).該委員會分別在1990年，1995年，2001年，2007年先后4次對氣候變化問題進行了深入的探討和科學(xué)的評估［1，5－7］;其第 5 次評估工作已于2010年11月正式開始，將于2014年完成評估報告.這些研究成果已經(jīng)成為國際社會建立共同應(yīng)對機制的重要科學(xué)基礎(chǔ)，同時也為各國政府為應(yīng)對氣候變化而制定政策和采取措施提供主要的科學(xué)支撐.人類活動與全球氣候變化影響下的水資源時空演變規(guī)律、循環(huán)過程研究將成為研究未來水資源的重點.

2 國內(nèi)研究進展

在我國，關(guān)于氣候變化對水資源的影響研究起步較晚且早期進展緩慢，直到1985年的Villach會議后才得到迅速發(fā)展.“七五”期間，在國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院的共同支持下，設(shè)立了重點研究項目“中國氣候與海面變化及其趨勢和影響研究”.“八五”期間，水利部、國家科委共同組織開展了科技攻關(guān)重點項目“氣候變化對水文水資源的影響及適應(yīng)對策研究”.“九五”期間，中國國家科學(xué)委員會設(shè)立了國家重中之重科技攻關(guān)項目“氣候異常對我國水資源及分布循環(huán)的影響評估模型研究”.“十五”期間，設(shè)立了國家重大科技攻關(guān)重點項目“氣候異常對我國淡水資源的影響閾值及綜合評價”［8－10］.“十一五”期間，設(shè)立了國家科技支撐計劃重大項目“典型脆弱區(qū)域氣候變化適應(yīng)技術(shù)示范”，同時開展了國家“973”項目“氣候變化對我國東部季風(fēng)區(qū)陸地水循環(huán)與水資源安全的影響及適應(yīng)對策”等［11］.2011 年“十二五”規(guī)劃綱要中，把積極應(yīng)對全球氣候變化作為一項重要的任務(wù).

3 研究方法

研究氣候變化對水文水資源的影響機理，主要是通過研究因氣候變化引起的流域水文要素(蒸發(fā)、降水、徑流等)的變化來預(yù)測對整個流域水資源系統(tǒng)的影響及其未來的變化趨勢.目前，國內(nèi)外關(guān)于氣候變化對水文水資源的影響研究，通常是假設(shè)氣候發(fā)生某種變化，然后分析區(qū)域水文循環(huán)過程中各要素會發(fā)生的變化.其主要步驟為:①未來氣候變化情景的設(shè)定或生成;②流域水文水資源研究模型的創(chuàng)建與檢驗;③把氣候變化情景輸入到水文模型中，模擬并分析區(qū)域水文變量和水循環(huán)過程;④根據(jù)模擬的結(jié)果，評估氣候變化對水文水資源的影響，并提出應(yīng)對的辦法和措施［10，12－13］.其中的關(guān)鍵內(nèi)容是水文模型的創(chuàng)建和未來氣候情景的設(shè)計［10－13］.

3.1 未來氣候變化情景的設(shè)計方法

歸納目前已有的研究成果，未來氣候情景生成技術(shù)主要分為5類.

1)任意情景法.根據(jù)研究區(qū)域未來氣候可能變化的范圍，通過隨意給定降水、輻射、氣溫等氣候要素定量的變化值，得到未來氣候情景的水文模擬.其實質(zhì)屬于敏感性分析和模式的性能檢驗，并不具有氣候、水文預(yù)測的功能［9，14］.

2)時間類比法.根據(jù)氣候變化歷史資料，選擇具有典型代表意義的天氣進行對比分析，然后設(shè)計和創(chuàng)建未來氣候變化情景.

3)空間類比法.把研究區(qū)域與空間上某一區(qū)域進行對比，如果兩個區(qū)域情況相似，則可把該區(qū)域的當(dāng)前氣候狀況視為研究區(qū)域的未來氣候變化情景.

時間類比法和空間類比法都是類比情景［14］，不確定因素很多，并且過去的氣候變化更多的是自然變化，而現(xiàn)在人類活動的影響在不斷增強，所以單純的類比在一定的程度上可能會導(dǎo)致完全不同的氣候情景，從而得出異樣的結(jié)果.所以類比法在使用時有一定的限制，但可以將其作為氣候模式預(yù)測的驗證或補充.

4)時間序列分析法.根據(jù)同一時期的氣溫、降水、蒸發(fā)等氣候資料，運用統(tǒng)計分析法推測未來氣候變化情景，進而預(yù)測未來氣候變化對區(qū)域水文循環(huán)系統(tǒng)的影響［14］.此方法注重考察十至數(shù)百年時間尺度的氣候變化情況，在將氣候變化趨勢進行外延時可能會放大未來氣候變化的程度，所以不太適合于中長期的氣候預(yù)測.

5)大氣環(huán)流模式.利用計算機三維網(wǎng)格技術(shù)來模擬大氣循環(huán)過程，運用物理定律計算大氣和環(huán)境變量，通過模擬大氣中粒子、氣體和能量的傳輸來預(yù)測未來氣候變化情景［15］.這種方法的空間分辨率相對比較低，且大多數(shù)實際應(yīng)用中都假定氣候模型三維網(wǎng)格中的土壤、植被在水平方向上是均勻的，所以較適合大尺度范圍如區(qū)域尺度和全球尺度的氣候研究;對局地性氣候變化的研究，只能采用其他方法來提高它的分辨率.大氣環(huán)流模式雖然存在這樣的缺陷，但卻是目前研究未來氣候變化情景最有效的方法之一.目前廣泛使用的大氣環(huán)流模式主要有:美國國家大氣研究中心的地球系統(tǒng)模式和全球模式、美國地球物理流體動力學(xué)實驗室模式、美國科羅拉多州立大學(xué)模式、英國氣象局模式、加拿大氣象中心模式等［16］.在應(yīng)用大氣環(huán)流模式預(yù)測未來氣候時，一般不直接采用其預(yù)估的結(jié)果，而采用其預(yù)測的趨勢.這是因為氣候變化過程極其復(fù)雜，各預(yù)測模型結(jié)構(gòu)具有不確定性，使得不同模型的預(yù)測結(jié)果不可能全部相同，但預(yù)測的趨勢卻基本一致［17］.

3.2 大氣環(huán)流模式與水文模型耦合技術(shù)

要研究未來氣候變化對水循環(huán)系統(tǒng)的影響，就必須進行大氣環(huán)流模式與水文模型的耦合.這就需要知道未來情景下氣溫、降水、蒸發(fā)等在流域上的時空分布，但目前的大氣環(huán)流模式無法完美給出中、小尺度網(wǎng)格上年平均氣溫及年降水量的變幅，因此必須通過降尺度方法把大氣環(huán)流模式輸出的大尺度、低分辨率的信息轉(zhuǎn)化為局部尺度、高分辨率的氣候變化信息［17］.目前，降尺度方法主要有以下3種.

1)動力降尺度法.即利用與大氣環(huán)流模式耦合的區(qū)域氣候模式來預(yù)估區(qū)域未來氣候的變化情景.其優(yōu)點在于物理意義明確，能較好地表示地形、地貌狀況，可應(yīng)用于不同的分辨率.其缺點是受大氣環(huán)流模式所提供的邊界條件影響較大，有很強的區(qū)域依賴性.因此在不同區(qū)域應(yīng)用區(qū)域耦合模式時，就需要對模型的參數(shù)和動力條件進行反復(fù)調(diào)試，使得計算量較大，花費時間較多［18－20］.

2)統(tǒng)計降尺度法.根據(jù)多年的氣象觀測資料，應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)方法建立區(qū)域氣候要素因子和大尺度氣候因子之間的統(tǒng)計關(guān)系，并利用獨立的觀測資料進行檢驗;然后再把這種統(tǒng)計關(guān)系應(yīng)用到大氣環(huán)流模式輸出的大尺度氣候信息中，來預(yù)估區(qū)域未來的氣候變化情景(如氣溫、輻射、降水等).其優(yōu)點在于能夠?qū)⒋髿猸h(huán)流模式輸出中物理意義較好、模擬較準(zhǔn)確的氣候信息應(yīng)用于系統(tǒng)理論模式中;與動力降尺度法相比，不用考慮邊界條件對預(yù)測結(jié)果的影響，大大減少了計算量，節(jié)約了時間，而且還能模擬非氣候要素場.此方法的缺陷在于觀測資料必須充足，不能應(yīng)用于大尺度氣候場與區(qū)域氣候要素場統(tǒng)計關(guān)系不明顯的區(qū)域.

3)統(tǒng)計－動力相結(jié)合的方法.將大氣環(huán)流模式和區(qū)域氣候模式用統(tǒng)計的方法聯(lián)系起來，建立更長區(qū)域地面氣場的時間序列［21］.此方法的優(yōu)點在于集合了動力降尺度法和統(tǒng)計降尺度法的優(yōu)點;缺點在于區(qū)域模式限制了其空間分辨率，同時因為有限的環(huán)流分型，使得其時間變率也降低了.

3.3 水文模擬技術(shù)

水文模擬從20世紀(jì)50年代后期發(fā)展至今，已被廣泛應(yīng)用于水文預(yù)報、水資源規(guī)劃與管理、水文分析與計算等領(lǐng)域［22］.目前，主要有3類模型應(yīng)用于評估氣候變化對水文過程的影響.

1)系統(tǒng)理論模型，也叫黑箱模型［23］.在早期的水文研究中使用比較多，主要根據(jù)同一時期的水文要素(蒸發(fā)、徑流和降水等)的觀測資料，利用系統(tǒng)理論建立他們之間的相互關(guān)系，以此來推測在氣溫和降水發(fā)生變化時流域內(nèi)徑流的變化情況，從而建立水文模型.此種模型不涉及水文循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部的物理機制，且不適用于資料系列較短的區(qū)域.

2)概念性水文模型.以水文現(xiàn)象的物理概念為基礎(chǔ)，把流域的物理基礎(chǔ)進行概化，再結(jié)合水文經(jīng)驗公式，對流域水文進行模擬的過程.此種模型既具有一定的物理基礎(chǔ)，又具有統(tǒng)計模型的特點，操作比較簡便，對數(shù)據(jù)的要求也不太嚴(yán)格.其適用于氣候和水資源的因果關(guān)系以及流域水資源在給定氣候變化條件下的敏感性等方面的研究.其缺陷主要表現(xiàn)為:雖然具有一定的物理基礎(chǔ)，但都是經(jīng)驗性的概述，而且經(jīng)常會忽略流域地形地貌、土壤、生物要素、人類活動等特征在空間分布上的差異性，因此模擬結(jié)果有時不夠理想［24］.著名的概念模型有斯坦福(Stanford)模型，薩克拉門托(Sacramento)模型，國內(nèi)的有新安江水文模型.

3)分布式水文模型.它是依據(jù)整個流域水文循環(huán)影響因素(地形、土壤、生物要素、人類活動、輻射以及降水、蒸發(fā)和徑流分布等)的不同，將研究流域劃分為若干個水文模擬單元(柵格單元、坡面單元、自然子流域單元)，用一組參數(shù)來表示每個水文模擬單元，從而反映出該部分流域的特征.其優(yōu)點在于只要深刻了解了各種水文過程的物理機制，并對流域的下墊面參數(shù)進行了測量，那么就可以用它對無觀測站點的流域進行徑流模擬和預(yù)測;它還可以對具有多源影響的流域水文過程進行模擬和預(yù)測，極大方便了水文過程數(shù)值模擬和計算.分布式水文模型將是未來水文模擬研究工作的一個重點和趨向［25］.目前應(yīng)用比較成熟的分布式水文模型主要有SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型、Mike－SHE(System Hydrologic European)模型、ModFlow(Modular Three-dimensional Finite-difference Groundwater Flow Model)模型、VIC(Variable Infiltration Capacity)模型等.

4 亟待解決的問題

到目前為止，國內(nèi)外關(guān)于氣候變化對水循環(huán)系統(tǒng)影響方面的研究已經(jīng)取得了很大的成就，但是在研究工程中，仍然存在著許多亟待解決的問題與缺陷，主要有以下幾個方面.

1)一直以來，在研究氣候變化對水文水資源系統(tǒng)的影響時，采用的都是氣候變化模式與水文模型單向路徑耦合的技術(shù).因為水文科學(xué)工作者一直把氣候系統(tǒng)和水文循環(huán)系統(tǒng)看作是靜態(tài)的、相互獨立的過程和在某種統(tǒng)計意義上的平衡，這是一種被動的“what－if”反饋型模式.在研究氣候變化模式時，很少對流域水文循環(huán)動力機制與反饋作用進行研究，一般只是設(shè)置一些參數(shù)來代替流域水資源空間分布和水文過程變化.此種做法與實際情況不符，應(yīng)該加強雙向耦合技術(shù)的研究，改進目前氣候模型和水文模型中的參數(shù)化方案和物理過程描述，努力提高時空分辨率及模擬精度.

2)大部分耦合模式?jīng)]能很好地模擬出大尺度特征的強度和量值，模擬出來的溫度和降水存在系統(tǒng)性偏差.經(jīng)過反復(fù)的實驗分析表明，通過進一步完善和改進區(qū)域氣候模式的物理過程參數(shù)化方案及動力框架，可以改善模擬效果.至于如何去改善，有待進一步研究.

3)隨著社會的不斷發(fā)展，土地的利用和覆蓋情況必然會發(fā)生變化，進而會導(dǎo)致水文循環(huán)過程發(fā)生變化.但在研究氣候變化對水文水資源系統(tǒng)的影響時，卻假定土地利用和覆蓋不發(fā)生變化，這與實際情況不符.在以后的研究工作中應(yīng)當(dāng)充分考慮這一點，使模型更接近于真實情景.

4)加強耦合技術(shù)的研究，發(fā)展統(tǒng)計－動力相結(jié)合的方法.目前大多采用國外的技術(shù)，不能很好地適應(yīng)我國復(fù)雜的氣象、地形特征，因此應(yīng)盡快探索出一種適用于我國的模型技術(shù).

5)目前國內(nèi)在自然氣候變率和人為氣候強迫對區(qū)域徑流變化的影響方面的研究還是空白.

6)當(dāng)前氣候變化對水資源系統(tǒng)的影響研究主要集中在對流域徑流平均變化的影響上，而對供水系統(tǒng)、需水量、水質(zhì)、農(nóng)業(yè)灌溉、水文極端事件、航運等方面的影響研究開展較少.因此，有待進一步加強氣候變化對水資源系統(tǒng)影響的綜合研究，并需不斷完善其研究方法.

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Research Progresses of Impacts of the Climate Change on the Regional Hydrological Cycle System

ZHAO Xiao-shen，ZHOU Hai，WANG Wen-chuan
(North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China)

Domestic and overseas research progresses on the impacts of the climate change on hydrology and water resources are overviewed in the paper.Several simulation methods of studying impacts of the climate change on water resources and the advantages and disadvantages of each model are analyzed，and some problems to be solved in the process of studying and simulating are pointed out at the end of the paper.

climate change;hydrology;water resources;impact

1002－5634(2012)02－0046－04

2011－11－03

河南省教育廳自然科學(xué)研究計劃項目(2010B570002);華北水利水電學(xué)院高層次人才科研啟動基金(200821).

趙曉慎(1959—)，女，河北任丘人，副教授，主要從事水文水資源方面的研究.

(責(zé)任編輯:陳海濤)