人類活動對長江流域尺度降水變化 的可能影響研究

陳旭坤 回曉瑩 季穎

摘 要：近年來，受全球變暖趨勢所影響，我國極端天氣逐漸增多，尤其是極端降水。本文以長江流域為例，利用CAM5.1-ldegree模式對長江流域在All-Hist情景和Nat-Hist情景下的降水數(shù)據(jù)進行評估，以此分析人類活動對流域尺度降水變化的影響。

關(guān)鍵詞：人類活動;流域尺度降水變化;影響;長江流域

中圖法分類號：P421? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2021.0118

氣候變化研究是熱點課題之一，相關(guān)部門在開展該項研究時，加大對氣候系統(tǒng)模式的創(chuàng)新力度，CAM5.1-ldegree模式屬于氣候變化研究工具的一種，對氣候變化因素及人類活動對流域尺度降水變化的可能影響進行分析，獲得準確和具有利用價值的氣候變化預測結(jié)果，為相關(guān)決策方案的制定以及控制活動的開展提供有利的參考依據(jù)。

1? 研究方法與評估結(jié)果

1.1? 研究方法

CAM5.1-ldegree模式是PCC第五次報告中提出的42個氣候模式之一，其是CESM1地球系統(tǒng)模式中最為重要的組成部分。從PCC第五次報告利用該模式對13個氣候變量的模擬效果評估結(jié)果來看，該模式對降水量模擬效果的RMSE值為0.1，其評估的精確性和可信度較為明顯。為了進一步驗證該模式的應用優(yōu)勢以及模式模擬偏差對研究結(jié)果的可能影響，本文主要采用統(tǒng)計顯著性檢驗及相對均方根誤差等方法來評估CAM5.1-ldegree模式對長江流域在All-Hist情景和Nat-Hist情景下的降水數(shù)據(jù)的分析能力。

1.2? 評估結(jié)果

從圖1、圖2來看，CAM5.1-ldegree模式模擬的年降水量相對于基準期的變化趨勢在2010年之前與觀測結(jié)果都呈現(xiàn)降水減少的趨勢，對比自然強迫影響的Nat-Hist情景的年降水量模擬結(jié)果可知：人類活動對長江流域平均降水時空變化特征產(chǎn)生一定影響，長江流域的年降水量呈現(xiàn)出逐年減少的變化與人類活動有一定關(guān)系。

2? 影響分析

2.1? 人類活動對長江流域平均降水量變化空間分布的可能影響

從圖3所示的結(jié)果來看，在All-Hist情景下，長江上游中東部年降水量呈現(xiàn)逐年減少趨勢，上游中央地帶減少趨勢最為明顯，已達到-72.23 mm/10a減少幅度。上游西部和東部年降水量相對豐富，呈逐年增加趨勢，但流域內(nèi)的增幅卻要小于減幅很多。

在Nat-Hist情景下，長江流域年降水量的變化趨勢的空間分布情況雖然完全不同，但流域內(nèi)空間差異在逐漸縮小，下游東南部變化情況要明顯一些，達到18.52 mm/10a的差異。從兩種情景下長江流域年降水量年代際趨勢值的空間分布情況對比差異來看，長江流域的年降水量逐年減少，與人類活動有著密不可分的關(guān)系。長江上游中部和下游東南部地區(qū)人類活動比較頻繁，導致該區(qū)域出現(xiàn)長年干旱現(xiàn)象，需要有關(guān)部門及時采取措施。

為進一步探究人類活動對流域不同時段內(nèi)平均年降水量空間分布變化的影響，在完整時段及五個不同時段內(nèi)，對All-Hist情景相對于Nat-Hist情景的年降水量平均值變化分布情況進行了分析。

從圖4分析結(jié)果來看，從20世紀60年代到該世紀初，各時段的分布情況基本相似，除了長江源區(qū)之外，大部分地區(qū)的降水都呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢，尤其是上游東南部區(qū)域在這十年間降水減少幅度最大，已達到-27.75%/10a的減少幅度。主要原因可能為長江流域的工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、信息化及農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展速度所致，長江流域?qū)ξ覈鳪DP的增長有著較大的貢獻。由此可見，人類活動推進了社會經(jīng)濟水平快速提升，但對于長江流域的降水量的影響與日俱增。

2.2? 人類活動對長江流域極端降水量時間變化的可能影響

為了深入探究人類活動對長江流域極端降水時間變化的影響，從圖5兩條曲線的差別可以看出，人類活動給當?shù)貥O端強降水量的時間變化造成很大影響。從評估結(jié)果來看，兩種情景下一般強降水量（R99p）年際變率曲線的波動形態(tài)基本一致，所有數(shù)值都由負變正，這說明在人類活動的影響下，長江流域極端強降水量是按照先減少后增多的規(guī)律發(fā)生變化。但從兩種情景下的曲線圖可以看出，All-Hist情景的距平百分率要遠遠小于Nat-Hist情景的距平百分率。尤其在兩種情景的距平百分率呈現(xiàn)出逐年減少變化后，這種距平百分率減少差異要更加明顯，說明人類活動對極端降水的增加有削弱作用。

為了進一步研究人類活動是否會對不同程度的極端降水量造成巨大影響，從圖6分析結(jié)果來看，All-Hist情景相對于Nat-Hist基準期R90p平均值的年際變率值始終為負數(shù)，并且始終小于Nat-Hist情景，這證明長江流域降水量的減少與人類活動因子有著很大的關(guān)系。而圖中兩曲線間距變化越來越明顯，則說明受人為強迫因素所影響，R90p減少的程度也在日漸加劇，與R99p變化情況相比，不僅年際間的波動要更為平緩，而且人類活動的影響所導致的降水量也在逐步、持續(xù)的減少。

2.3? 人類活動對長江流域極端降水量空間分布的可能影響

從圖7可以得知，在Nat-Hist情景下，長江流域大部分地區(qū)R90p和R99p的年代際趨勢值都呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。上游中部的增加趨勢最為明顯，而上游西部和流域北側(cè)邊界地區(qū)的增加幅度則要相對偏弱一些。對比這兩個年代際趨勢值的變化差異，可以發(fā)現(xiàn)R90p集中增加趨勢在長江中下游東南部地區(qū)最為明顯。

在All-Hist情景下，長江流域大部分地區(qū)R90p和R99p的年代際趨勢值都呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢，這其中，R90p的減少幅度要遠遠大于R99p，且集中地區(qū)主要位于長江流域上游中部，基本每十年就減少39.56mm，但上游西部和中下游東部地區(qū)的減少幅度卻并不明顯，甚至以每十年12.48mm的幅度在逐步增加。

另外，從圖7顯示的兩種情景的模擬結(jié)果來看，與其他研究中使用觀測數(shù)據(jù)分析的結(jié)果想比，All-Hist情景下的每十年的變化趨勢的空間分布基本一致，特別是變化趨勢顯著的地區(qū)，位置分布幾乎百分百相同。由此可見，All-Hist情景模擬結(jié)果的準確性和可靠性要大于Nat-Hist情景。與此同時，在Nat-Hist情景下，長江流域大部分地區(qū)

的R90p和R99p的年代際趨勢值都呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，基本每十年就增加12.62mm，只有上游西部和東北部及下游東側(cè)小部分地區(qū)變化幅度不明顯。

在All-Hist情景下，上游中東部及中游地區(qū)的大面積區(qū)域都呈現(xiàn)出減少趨勢，只有上游西部和下游東部地區(qū)呈現(xiàn)出增加趨勢。由此可以證明，人類活動對于長江流域極端降水量空間分布的可能影響大多都集中在長江流域上游地區(qū)，這其中，對于上游中東部大部分地區(qū)的影響會導致極端降水減少，而對于上游西南部地區(qū)的影響會導致極端降水增加。

3? 結(jié)論分析

從CAMS.1-ldegree模式下All-Hist情景與Nat-Hist情景的模擬結(jié)果來看，兩種模擬情景下，相對變化百分率的年際變化曲線與空間分布之間有較大的偏差。通過兩種情景分析長江流域平均降水和極端降水受人類活動影響而發(fā)生的時空變化結(jié)果得知，在不同時段、不同季節(jié)里，人類活動對流域整體降水變化的影響十分明顯，具體分析如下。

CAM5.1-ldegree模式中，通過人類活動和自然強迫影響的All-Hist情景對長江流域降水時空變化的影響進行模擬，得知最終的模擬結(jié)果與實際觀測數(shù)據(jù)之間無任何偏差。并且從All-Hist情景下的多試驗集合平均結(jié)果來分析，對長江流域年降水量空間變化的模擬能力和對2010年之前年降水量年際變化的模擬能力，都要高于Nat-Hist情景。

與僅考慮自然強迫的Nat-Hist情景相比，包括人類活動和自然強迫共同影響的All-Hist情景在對長江流域年降水量進行模擬時，降水量不僅呈現(xiàn)出明顯減少的趨勢，而且減少的幅度及人類活動的頻繁度也在逐漸增加，說明長江流域平均降水的減少與人類活動的影響有著十分緊密的聯(lián)系，尤其在2000—2009年之間，這種影響關(guān)系最為顯著。

目前，長江流域絕大部分地區(qū)的年降水量都會隨著人類活動日益減少，這種現(xiàn)象在長江上游東南部地區(qū)最為明顯。但是也有少部分區(qū)域的平均降水影響較小，如長江上游西北部地區(qū)。盡管近年來，長江流域極端降水呈小幅增加的趨勢，但人類活動的增多卻會對極端降水起到一定的抑制作用，且隨著時間的推移，這種作用也在逐步的加強。

對于長江流域極端降水而言，人類活動的影響具有一定的空間差異性。即極端降水的強度越高，空間差異性越明顯。從兩種情景下距平百分率的空間分布狀況可以得知，這種明顯的差異主要集中在長江上游西南部，需全面加強當?shù)氐暮闈愁A防工作，避免對當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展及百姓生活造成不良影響。

通過對人類活動影響下，長江流域極端降水量空間分布、長江流域極端降水量時間變化以及長江流域平均降水量變化空間分布所產(chǎn)生的變化分析，可以得知，降水極端程度越高，受人類活動影響而發(fā)生的相對變化的空間差異和年際差異就越明顯，這樣就會導致人類影響活動越來越頻繁。

CAM5.1-ldegree模式下，All-Hist情景與Nat-Hist情景都無法對人類活動影響下的季風強度年際變化與夏季長江流域的降水量年際變化間的關(guān)聯(lián)性充分模擬出來，這也使得兩種情景分析模式不能呈現(xiàn)出明顯的關(guān)聯(lián)性，進而也無法順利開展人類活動對季風強度的影響與長江流域降水量變化間關(guān)系的研究。

4? 結(jié)語

綜上所述，人類活動是影響氣候變化的關(guān)鍵因素，只有對這種因素所產(chǎn)生的具體影響和原因進行全面了解，才能為相關(guān)部門對重點流域進行防災減災指導以及制定溫室氣體減排方案等提供可靠依據(jù)。本文采用了CAMS.1-ldegree模式模擬的包含人類活動和自然強迫共同影響的All-Hist及只考慮自然強迫的Nat-Hist情景來對人類活動對尺度流域降水變化的可能影響進行了全面的分析，從最終的分析結(jié)果可以看出，該模式下的模擬結(jié)果準確率較高。隨著我國氣候變化研究工作的不斷深入，該研究模式還存在很多提升空間。

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