淮河流域气候变化与淮河干流径流量变化特征研究

张正涛， 高 超， 翟建青， 金高洁， 刘 青



淮河流域气候变化与淮河干流径流量变化特征研究

张正涛， 高 超， 翟建青， 金高洁， 刘 青

根据淮河流域1958-2007年观测气温、降水量、径流量数据和NCAR-CCM3、CSIRO_MK3和ECHAM5/MPI-OM三个气候模式数据对该流域气候变化和淮河干流径流量进行预估分析。结果表明：1)淮河流域平均气温，在20世纪90年代以前以降温为主，90年代中后期增温显著；季节上，春秋两季气温呈现波动增加趋势，冬季增暖速率较高，夏季则呈下降趋势；年降水量1958-2007年无突变性的增加或减少趋势，季节变化上，流域夏季降水量变幅较大。2)预估表明，淮河流域未来气温增幅明显，2011-2060年间三模式平均增温相对1961-1990年距平达2.61℃，降水相对1961-1990年距平变幅达-84.6 至168.0mm之间波动，相对1958-2007年观测期淮河径流量没有明显变化，2011-2060年淮河径流量可能存在上升趋势。

气候变化；预估变化趋势；淮河流域；径流量

气候变化及其对人类环境的影响已成为全球科学界日益重视的重大科学问题。科学研究以及政府间气候变化专门委员会(IPCC)第四次评估报告表明：气候系统变暖的客观事实不容置疑[1]。我国的气候变化国家评估报告亦指出：中国近100年来年平均地表气温也已明显上升，升高幅度在0.5-0.8℃，增温速率比同期全球平均略强；近100年来的年降水量没有出现明显的趋势性变化。引发学者对于气候变化及其未来趋势预估的热点关注，已有不少学者对国内各大流域开展这方面的研究[2-6]。

淮河是我国一条重要的自然地理界线，淮河流域介于长江和黄河两大流域之间，对于该流域气候变化方面的研究，多以整个江淮地区或者对淮河流域单个气象现象(如梅雨)等的研究为主[7,8]，或研究淮河流域气候变化对水资源等的影响[9,10]，而对淮河流域过去气候变化事实和未来情景以及径流量变化特征研究不多[11,12]。

在中国乃至全球气候变化的背景下，淮河流域气候是否有相应的变化，变化规律如何、未来趋势如何？这些问题尚未得到系统的研究。本文对淮河流域1958-2007年的观测气温和降水量进行分析，识别该流域气温和降水量的变化事实，同时借助ECHAM5/ MPI-OM模式、NCAR-CCM3模式和CSIRO-MK3等全球海-气耦合模式分析淮河流域未来气候变化特征并输入到SWIM水文模型预估淮河干流径流量变化趋势。

一、研究区概况

淮河以北属暖温带, 以南属北亚热带，为重要的自然地理界线。淮河流域总面积约27万km2, 以废黄河为界分为淮河和沂沭泗河两大水系，淮河流域年均气温在11-16℃之间, 最高月均气温25℃左右, 出现在7月份; 极端最高气温可达40℃以上。最低月均气温在0℃左右, 出现在1月份, 极端最低气温可达-20℃左右。流域多年平均年降水量883mm , 年降水量的地区变幅为600-1400 mm , 降雨主要是受夏季风影响, 多集中在汛期的5-8月(淮河上游和淮南) 或者6-9月(其它地区) 。淮河流域多年平均径流深约为231mm , 其中淮河水系为238mm , 沂沭泗河水系为215mm。

图1 淮河流域水系及气象站位置

二、数据和研究方法

(一)数据

研究数据包括实测和预估两部分。实测数据来源于中国气象局国家气象信息中心提供的1958-2007年流域内176个加密气象站点逐日气温和降水量数据，径流量数据来自国家水文年鉴；预估数据为德国马普气象研究所的海气耦合模式ECHAM5/ MPI-OM[13]、美国大气研究中心(National Center for Atmospheric Research,NCAR)的气候模式(Community Climate Model)第3版CCM，澳大利亚CSIRO_MK3全球海-气耦合模式[14,15]，由于模式数据均为较高分辨率，为保证精度，采取双线性内插方法降尺度处理，插值至淮河流域176个加密站点，获取加密站点的三个模式数据的各三个情景数据(SRES-A2，SRES-A1B和SRES-B1)，即获得九套淮河流域未来情景数据，用于分析淮河流域未来气候变化特征以及输入率定好的水文模型，预估未来情景下淮河径流量变化等。

(二)研究方法

淮河流域气候变化事实和趋势的分析主要采取Mann-Kendall 法，其是一种非参数统计检验方法，也称无分布检验，优点是不遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，更适合于类型变量和顺序变量，计算也比较简便[16]。

未来情景下淮河径流量预估借助水文模型实现，模型选择德国波茨坦气候影响研究所的SWIM模型，以淮河流域蚌埠水文站为代表水文站，选取1964-1975年降水、温度数据作为率定期数据，2000-2007年降水、温度数据作为验证期数据率定SWIM水文模型，模型率定验证过程已另文撰写[17]。

三、1958-2007年气候变化

(一)气温

淮河流域对温室气体增加导致的全球变暖有着自身独特的区域响应。中国范围在整体升温趋势中有若干降温区域，淮河流域即在其中。从图2可知，自1963-1993年31年间流域气温距平值(相对于1961-1990年多年平均值，下同)除1965等13年份外均为负值，气温在此时段呈下降趋势。从Mann-Kendall曲线可以看出，气温在1972、1974和1985年MK统计值分别达到-2.13、-2.06和-1.97，大于95%置信度的阀值±1.96，表明流域内在20世纪70、80年代降温趋势明显，在1997年后MK统计值转为正，流域出现增温趋势，而在UF和UB的交点2001年发生突变，呈现持续增温趋势。

图2 淮河流域1958-2007年平均温度/降水距平值及MK曲线(虚线代表 =0.05显著性水平临界值)

1958-2007年，淮河流域四个季节平均温度距平差异明显。在春秋两季流域内气温呈现波动增加趋势，夏季流域气温变化波动较小其中在20世纪70、80年代以下降为主，而冬季的变化幅度强烈，尤其是1987年之后距平值全为正，多数年份增加值大于1℃，其中在1999年距平增温2.75℃，为四季增温之最。

(二)降水

年降水量的距平值及MK统计值见图2。淮河流域年降水量对全球变暖的响应与气温要素的变化趋势并不一样，其MK统计值最大为1964年的1.95，尚达不到95%置信度的1.96，因而1958-2007年无突变性的增加或减少趋势，但是从1977-2006以来，其MK统计值除1991年外均为负值，反映降水有不显著的减少趋势。从图2降水距平值可知，降水变幅多数介于100-200mm之间，但是2003年淮河流域受西北太平洋副热带高压异常偏强，加之西南暖湿气流强盛、导致冷暖空气在淮河流域交汇，降水量异常偏多，超过多年均值约400mm，造成流域性大洪水[18]。降水量季节变化：淮河流域夏季降水量变幅较大，尤其是1997年之后，变幅在200mm左右，而2003年夏季增幅更是达302mm，为四季中增幅最大，2003年全流域性洪水与之关系密切[19]。在1998年的春季，降水距平增幅达到181.3mm，反映出淮河流域降水季节差异性较大；而秋季降水距平变率不大，多数在±100mm以内振荡；冬季降水量变化趋势不明显，仅1989、1990和2001年增幅达约60mm。

四、2011-2060年气温和降水变化预估

图3为三个模式在淮河流域2001-2100年相对于各自试验期1961-1990年平均温度的距平值，未来情景下，淮河流域温度呈现上升趋势较为明显，三模式的九个未来气候变化情景下，到2100年流域相对于试验期1961-1990年最大增温达6.28℃，九个未来情景的平均增温值也达到4.26℃；在重点关注的2011-2060年(表1)时段淮河流域三模式最高增温达4.20℃，平均增温2.61℃。因而淮河流域的增温趋势显著，将可能给流域水循环等带来较大影响。而降温主要发生在21世纪的前半叶，且发生次数较少，进入2040s之后三个模式的九个情景均呈现不同程度的升温趋势。

图3 淮河流域CSIRO/NCAR/ECHAM5模式试验期(1961-1990)和模拟期(2001-2100)温度距平值

相较1958-2007年降水观测数值，降水在三个模式的九个未来气候变化情景中亦没有显著的变化(图4)，呈现较弱的增加趋势，同时在九个未来气候变化情景中，降水的增加量和减少量几近一致，多数在正负400mm左右。2001-2100年间三个模式的九个未来气候变化情景中，最大的降水增加量为538.5mm。

表1 淮河流域CSIRO/NCAR/ECHAM5模式2011-2060年温度距平值最大值和最小值

三个模式的平均情况为降水最大值204.1mm，而降水减小的极端最小值较大，三模式的极值为-651mm，平均态为-224.5mm，在重点关注的2011-2060年间淮河流域最大降水增加量达534.1mm，平均增加168.0mm，降水下降趋势要显著低于2001-2100时段，下降极值和平均值仅-373.0mm和-84.6mm反映出淮河流域未来极端降水的变化较大，但是在2060年之后变化尤其强烈，且可能降水量下降趋势更加严重。

图4 淮河流域CSIRO/NCAR/ECHAM5模式试验期(1961-1990)和模拟期(2001-2100)降水量距平值

表2 淮河流域CSIRO/NCAR/ECHAM5模式2011-2060年降水量距平值最大值和最小值

五、观测期(1958-2007)淮河干流蚌埠水文站径流变化及其未来情景预估

(一)观测期(1958-2007)淮河干流蚌埠水文站径流变化特征

淮河流域是我国人口最为稠密的地区之一，生产生活需水量大，同时又是水旱频发的地区，自1958-2007年以来，蚌埠水文站径流趋势分析表明径流变化趋势并不明显(图5)，但是枯水期和丰水期的洪峰流量的变化趋势呈现显著态势。

图5 蚌埠站1958-2007年径流量，超越流量95%百分位数的天数及其占全年比例

选择淮河干流重要控制站蚌埠水文站1958-2007年日径流资料，逐年提取95%百分位数的径流量，取1961-1990年上述径流量平均值作为极端洪水阈值，获得逐年超越其阈值的天数及其占全年径流量比例形成两个序列，分析蚌埠水文站极端洪水特征等。由图5可知，蚌埠水文站极端洪水在1958-2007年间总体没有明显变化趋势，但是从1992年开始其发生日数及其占全年径流量比例有所增加，且占全年径流量比例增加更快，反映，极端洪水发生的流量增加迅速。

(二)情景期(2011-2060)淮河干流蚌埠水文站径流变化预估

将经过降尺度处理后的三模式下的九个气候变化情景的降水、温度数据输入率定好的SWIM模型[14]，获得淮河径流量在2011-2060年的变化情况，由图6知，径流量的预估数据是存在一个较为宽泛的幅度范围内变动，但九个气候变化情景的均值曲线为图6中的红色粗线条，反映出淮河流域未来径流量存在一个微弱增加的趋势，这个1958-2007年淮河径流量未有明显变化的趋势有一定差距(图5)，1958-2007年观测期淮河径流量没有明显变化，但是未来2011-2060年淮河流域径流量可能存在一个上升趋势，淮河流域水资源紧张的情况可能有所缓解。同时南水北调的东线工程等经过淮河下游，径流量一定程度的增加，可能减轻南水北调东线工程对淮河流域的影响。

图6 蚌埠站2010-2060年CSIRO/NCAR/ECHAM5模式SWIM径流模拟值

六、讨论和结论

本文采用观测与预估的气温、降水量和径流量资料，分析了淮河流域1958-2007年气温、降水量和径流量变化，并根据评估淮河流域2011-2060年上述各要素变化趋势，得到如下结论：

1.淮河流域平均气温，在20世纪90年代以前以降温为主，90年代中后期增温显著；季节上，春秋两季呈现波动增加趋势，冬季增暖速率相当高，夏季则呈下降趋势；呈现上述特征可能与西风带环流和副热带高压等环流系统、人类排放引起的大气中温室气体浓度增加等有关[20]。

3.以NCAR-CCM3、CSIRO_MK3和ECHAM5/MPI-OM三个气候模式数据分析未来2011-2060年气温、降水和径流变化幅度及趋势得出：淮河流域未来气温增幅明显，2011-2060年间三模式平均增温相对1961-1990年距平达2.61℃，降水相对1961-1990年距平变幅达-84.6 至168.0mm之间波动，相对于1958-2007年观测期淮河径流量没有明显变化，未来2011-2060年淮河流域径流量可能存在上升趋势，淮河流域水资源紧张的情况可能有所缓解。

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责任编辑：刘海涛

Observed(1958-2007)andProjected(2011-2060)TrendsofClimateChangeandStreamflowintheHuaiheRiverBasin,China

Zhang Zhengtao, Gao Chao, Zhai Jianqing, Jin Gaojie, Liu Qing

Based on observed temperature and precipitation data from 1958 to 2007 and climate projection from 2011 to 2060 by NCAR-CCM3、CSIRO_MK3 and ECHAM5/MPI-OM, changing tendencies of annual temperature, annual precipitation and runoff in Huaihe basin were analyzed. The results showed that 1) annual temperature displayed a relatively significant decreasing trend before 1990s and then, increasing. Seasonal temperature would rise most significantly in winter and most decreasing in summer; Annual precipitation show no significant change trend from 1958 to 2007 and had a relatively significant change in summer. 2) Comparing with climate from 1961 to 1990, temperature would increased to 2.61℃ in 2060 and precipitation would change between -84.6 and 168.0mm during 2011-2060 under the three models. Comparing with no tread in 1958-2007, the interannual fluctuations cover an increasing streamflow trend under the three models in 2011-2060.

Climate change; Projection of future climate; Huaihe Basin; streamflow

P467

：A

：1673-1794(2014)04-0010-05

张正涛，安徽师范大学国土资源与旅游学院研究生；通信作者：高超，安徽师范大学安徽师范大学副教授；翟建青，中国气象局国家气候中心(北京 100081)；金高洁，刘青，安徽师范大学(安徽 芜湖 241000)。

国家自然科学基金项目(41101035)；教育部高校博士学科点专项科研基金(20113424120002，20123424110001)；安徽师范大学人才培育基金资助项目(2011rcpy047)；淮河流域气象开放研究基金(HRM201303)

2013-09-10