气候变化对区域水循环系统影响的研究进展

赵晓慎，周 海，王文川

(华北水利水电学院，河南 郑州 450011)

气候变化对区域水循环系统影响的研究进展

赵晓慎，周 海，王文川

(华北水利水电学院，河南 郑州 450011)

简述了国内外在气候变化给水文水资源系统带来影响这一问题上的研究进展，着重分析了研究气候变化对水资源影响的几类模拟方法及各模型的优缺点，并指出了研究、模拟过程中亟待解决的一些问题.

气候变化;水文;水资源;影响

国内外的研究表明，全球气候在过去的百年时间里经历着以加速变暖为主要特征的变化［1－2］.全球气候变化必然会引起全球水循环现状变化，导致全球水资源在时间、空间上的重新分配和质量、数量上的改变，从而对世界生态系统、社会生产和人民生活安全等产生重大影响.目前，气候变化已成为当今世界的重大环境问题之一，因此研究气候波动，分析水文水资源系统对气候变化的响应机理并进行模拟实验研究，显得尤为迫切和重要.

1 国外研究进展

美国国家研究理事会早在1977年就针对气候、气候变化与给水三者之间的相互关系及影响进行了探讨［3］，但是却未能引起国际上的重视.直到1985年，一些国际水文组织才开始意识到研究气候变化对水资源系统影响的重要性，进而开展了大量的研究工作.首先是世界气象组织分析了水资源系统对气候变化的反馈与敏感性问题，总结了检验和评价气候影响水文水资源系统的方法［4］.1987年8月，国际水文科协组织了“气候变化和气候波动对水文水资源影响”的专题学术研讨会.1988年，世界气象组织和联合国环境规划署联合组建设立了政府间气候变化专门委员会，作为气候变化问题评估的专门机构.该委员会分别在1990年，1995年，2001年，2007年先后4次对气候变化问题进行了深入的探讨和科学的评估［1，5－7］;其第 5 次评估工作已于2010年11月正式开始，将于2014年完成评估报告.这些研究成果已经成为国际社会建立共同应对机制的重要科学基础，同时也为各国政府为应对气候变化而制定政策和采取措施提供主要的科学支撑.人类活动与全球气候变化影响下的水资源时空演变规律、循环过程研究将成为研究未来水资源的重点.

2 国内研究进展

在我国，关于气候变化对水资源的影响研究起步较晚且早期进展缓慢，直到1985年的Villach会议后才得到迅速发展.“七五”期间，在国家自然科学基金、中国科学院的共同支持下，设立了重点研究项目“中国气候与海面变化及其趋势和影响研究”.“八五”期间，水利部、国家科委共同组织开展了科技攻关重点项目“气候变化对水文水资源的影响及适应对策研究”.“九五”期间，中国国家科学委员会设立了国家重中之重科技攻关项目“气候异常对我国水资源及分布循环的影响评估模型研究”.“十五”期间，设立了国家重大科技攻关重点项目“气候异常对我国淡水资源的影响阈值及综合评价”［8－10］.“十一五”期间，设立了国家科技支撑计划重大项目“典型脆弱区域气候变化适应技术示范”，同时开展了国家“973”项目“气候变化对我国东部季风区陆地水循环与水资源安全的影响及适应对策”等［11］.2011 年“十二五”规划纲要中，把积极应对全球气候变化作为一项重要的任务.

3 研究方法

研究气候变化对水文水资源的影响机理，主要是通过研究因气候变化引起的流域水文要素(蒸发、降水、径流等)的变化来预测对整个流域水资源系统的影响及其未来的变化趋势.目前，国内外关于气候变化对水文水资源的影响研究，通常是假设气候发生某种变化，然后分析区域水文循环过程中各要素会发生的变化.其主要步骤为:①未来气候变化情景的设定或生成;②流域水文水资源研究模型的创建与检验;③把气候变化情景输入到水文模型中，模拟并分析区域水文变量和水循环过程;④根据模拟的结果，评估气候变化对水文水资源的影响，并提出应对的办法和措施［10，12－13］.其中的关键内容是水文模型的创建和未来气候情景的设计［10－13］.

3.1 未来气候变化情景的设计方法

归纳目前已有的研究成果，未来气候情景生成技术主要分为5类.

1)任意情景法.根据研究区域未来气候可能变化的范围，通过随意给定降水、辐射、气温等气候要素定量的变化值，得到未来气候情景的水文模拟.其实质属于敏感性分析和模式的性能检验，并不具有气候、水文预测的功能［9，14］.

2)时间类比法.根据气候变化历史资料，选择具有典型代表意义的天气进行对比分析，然后设计和创建未来气候变化情景.

3)空间类比法.把研究区域与空间上某一区域进行对比，如果两个区域情况相似，则可把该区域的当前气候状况视为研究区域的未来气候变化情景.

时间类比法和空间类比法都是类比情景［14］，不确定因素很多，并且过去的气候变化更多的是自然变化，而现在人类活动的影响在不断增强，所以单纯的类比在一定的程度上可能会导致完全不同的气候情景，从而得出异样的结果.所以类比法在使用时有一定的限制，但可以将其作为气候模式预测的验证或补充.

4)时间序列分析法.根据同一时期的气温、降水、蒸发等气候资料，运用统计分析法推测未来气候变化情景，进而预测未来气候变化对区域水文循环系统的影响［14］.此方法注重考察十至数百年时间尺度的气候变化情况，在将气候变化趋势进行外延时可能会放大未来气候变化的程度，所以不太适合于中长期的气候预测.

5)大气环流模式.利用计算机三维网格技术来模拟大气循环过程，运用物理定律计算大气和环境变量，通过模拟大气中粒子、气体和能量的传输来预测未来气候变化情景［15］.这种方法的空间分辨率相对比较低，且大多数实际应用中都假定气候模型三维网格中的土壤、植被在水平方向上是均匀的，所以较适合大尺度范围如区域尺度和全球尺度的气候研究;对局地性气候变化的研究，只能采用其他方法来提高它的分辨率.大气环流模式虽然存在这样的缺陷，但却是目前研究未来气候变化情景最有效的方法之一.目前广泛使用的大气环流模式主要有:美国国家大气研究中心的地球系统模式和全球模式、美国地球物理流体动力学实验室模式、美国科罗拉多州立大学模式、英国气象局模式、加拿大气象中心模式等［16］.在应用大气环流模式预测未来气候时，一般不直接采用其预估的结果，而采用其预测的趋势.这是因为气候变化过程极其复杂，各预测模型结构具有不确定性，使得不同模型的预测结果不可能全部相同，但预测的趋势却基本一致［17］.

3.2 大气环流模式与水文模型耦合技术

要研究未来气候变化对水循环系统的影响，就必须进行大气环流模式与水文模型的耦合.这就需要知道未来情景下气温、降水、蒸发等在流域上的时空分布，但目前的大气环流模式无法完美给出中、小尺度网格上年平均气温及年降水量的变幅，因此必须通过降尺度方法把大气环流模式输出的大尺度、低分辨率的信息转化为局部尺度、高分辨率的气候变化信息［17］.目前，降尺度方法主要有以下3种.

1)动力降尺度法.即利用与大气环流模式耦合的区域气候模式来预估区域未来气候的变化情景.其优点在于物理意义明确，能较好地表示地形、地貌状况，可应用于不同的分辨率.其缺点是受大气环流模式所提供的边界条件影响较大，有很强的区域依赖性.因此在不同区域应用区域耦合模式时，就需要对模型的参数和动力条件进行反复调试，使得计算量较大，花费时间较多［18－20］.

2)统计降尺度法.根据多年的气象观测资料，应用统计学方法建立区域气候要素因子和大尺度气候因子之间的统计关系，并利用独立的观测资料进行检验;然后再把这种统计关系应用到大气环流模式输出的大尺度气候信息中，来预估区域未来的气候变化情景(如气温、辐射、降水等).其优点在于能够将大气环流模式输出中物理意义较好、模拟较准确的气候信息应用于系统理论模式中;与动力降尺度法相比，不用考虑边界条件对预测结果的影响，大大减少了计算量，节约了时间，而且还能模拟非气候要素场.此方法的缺陷在于观测资料必须充足，不能应用于大尺度气候场与区域气候要素场统计关系不明显的区域.

3)统计－动力相结合的方法.将大气环流模式和区域气候模式用统计的方法联系起来，建立更长区域地面气场的时间序列［21］.此方法的优点在于集合了动力降尺度法和统计降尺度法的优点;缺点在于区域模式限制了其空间分辨率，同时因为有限的环流分型，使得其时间变率也降低了.

3.3 水文模拟技术

水文模拟从20世纪50年代后期发展至今，已被广泛应用于水文预报、水资源规划与管理、水文分析与计算等领域［22］.目前，主要有3类模型应用于评估气候变化对水文过程的影响.

1)系统理论模型，也叫黑箱模型［23］.在早期的水文研究中使用比较多，主要根据同一时期的水文要素(蒸发、径流和降水等)的观测资料，利用系统理论建立他们之间的相互关系，以此来推测在气温和降水发生变化时流域内径流的变化情况，从而建立水文模型.此种模型不涉及水文循环系统内部的物理机制，且不适用于资料系列较短的区域.

2)概念性水文模型.以水文现象的物理概念为基础，把流域的物理基础进行概化，再结合水文经验公式，对流域水文进行模拟的过程.此种模型既具有一定的物理基础，又具有统计模型的特点，操作比较简便，对数据的要求也不太严格.其适用于气候和水资源的因果关系以及流域水资源在给定气候变化条件下的敏感性等方面的研究.其缺陷主要表现为:虽然具有一定的物理基础，但都是经验性的概述，而且经常会忽略流域地形地貌、土壤、生物要素、人类活动等特征在空间分布上的差异性，因此模拟结果有时不够理想［24］.著名的概念模型有斯坦福(Stanford)模型，萨克拉门托(Sacramento)模型，国内的有新安江水文模型.

3)分布式水文模型.它是依据整个流域水文循环影响因素(地形、土壤、生物要素、人类活动、辐射以及降水、蒸发和径流分布等)的不同，将研究流域划分为若干个水文模拟单元(栅格单元、坡面单元、自然子流域单元)，用一组参数来表示每个水文模拟单元，从而反映出该部分流域的特征.其优点在于只要深刻了解了各种水文过程的物理机制，并对流域的下垫面参数进行了测量，那么就可以用它对无观测站点的流域进行径流模拟和预测;它还可以对具有多源影响的流域水文过程进行模拟和预测，极大方便了水文过程数值模拟和计算.分布式水文模型将是未来水文模拟研究工作的一个重点和趋向［25］.目前应用比较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 亟待解决的问题

到目前为止，国内外关于气候变化对水循环系统影响方面的研究已经取得了很大的成就，但是在研究工程中，仍然存在着许多亟待解决的问题与缺陷，主要有以下几个方面.

1)一直以来，在研究气候变化对水文水资源系统的影响时，采用的都是气候变化模式与水文模型单向路径耦合的技术.因为水文科学工作者一直把气候系统和水文循环系统看作是静态的、相互独立的过程和在某种统计意义上的平衡，这是一种被动的“what－if”反馈型模式.在研究气候变化模式时，很少对流域水文循环动力机制与反馈作用进行研究，一般只是设置一些参数来代替流域水资源空间分布和水文过程变化.此种做法与实际情况不符，应该加强双向耦合技术的研究，改进目前气候模型和水文模型中的参数化方案和物理过程描述，努力提高时空分辨率及模拟精度.

2)大部分耦合模式没能很好地模拟出大尺度特征的强度和量值，模拟出来的温度和降水存在系统性偏差.经过反复的实验分析表明，通过进一步完善和改进区域气候模式的物理过程参数化方案及动力框架，可以改善模拟效果.至于如何去改善，有待进一步研究.

3)随着社会的不断发展，土地的利用和覆盖情况必然会发生变化，进而会导致水文循环过程发生变化.但在研究气候变化对水文水资源系统的影响时，却假定土地利用和覆盖不发生变化，这与实际情况不符.在以后的研究工作中应当充分考虑这一点，使模型更接近于真实情景.

4)加强耦合技术的研究，发展统计－动力相结合的方法.目前大多采用国外的技术，不能很好地适应我国复杂的气象、地形特征，因此应尽快探索出一种适用于我国的模型技术.

5)目前国内在自然气候变率和人为气候强迫对区域径流变化的影响方面的研究还是空白.

6)当前气候变化对水资源系统的影响研究主要集中在对流域径流平均变化的影响上，而对供水系统、需水量、水质、农业灌溉、水文极端事件、航运等方面的影响研究开展较少.因此，有待进一步加强气候变化对水资源系统影响的综合研究，并需不断完善其研究方法.

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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

河南省教育厅自然科学研究计划项目(2010B570002);华北水利水电学院高层次人才科研启动基金(200821).

赵晓慎(1959—)，女，河北任丘人，副教授，主要从事水文水资源方面的研究.

(责任编辑:陈海涛)