不同气候变化情景下的水文响应研究

不同气候变化情景下的水文响应研究

钟冬梅

南京河海大学水文与水资源学院，南京 (210098)

E-mail：zhongwen1919@

摘要：大多数气候变化对水文水资源影响的研究通常以GCMs输出构建未来气候变化情景，缺少对多种气候变化情景生成技术的综合考察。本文采用GCMs输出和随机天气模型两种技术生成未来气候变化情景，通过分布式陆面水文模型VIC，研究我国南水北调中线工程水源地-汉江流域在气候变化环境下的水文响应。

关键词：气候变化情景；VIC模型；水文响应

1．引言

气候变化不仅影响人类社会经济生活，同时也影响水文和生态系统。在东亚季风的变异与变迁下，我国水资源呈现年际间的丰枯交替、年内洪涝、干旱频繁、空间分布严重不均等特点，导致我国水旱灾害、水资源短缺、水污染等多种问题并存[1]。目前，水资源问题已成为制约国民经济发展的关键所在，恶化的气候变化趋势将加大水资源供需矛盾。因此，气候变化对水文循环影响的研究也成为当前水文水资源研究领域的热点[2]。目前，众多学者研制了多种水文模型，结合气候模型，以气候变化情景生成技术为依托，研究未来气候变化对水文水资源的影响，并建立了一系列评估模型。本章将以VIC模型为基础，构建气候变化对汉江上游流域径流影响的评估模型，通过选择并比较不同的气候变化情景，对气候变化环境下汉江上游流域的径流变化趋势进行预测。

2．流域地理介绍

选取汉江上游汉中水文站以上集水区域作为研究区域。该区域位于北纬32.5-34.5ºN、东经106-107.5ºE，内设7个水文站、50个雨量站及1个气象站。集水面积9 349km2，地形较为复杂，海拔高程为459-3 408m。该地区的洪水主要由暴雨形成，由于流域内山高地陡，洪水汇流速度很快，具有陡涨陡落、峰形尖瘦的特点。

3．VIC模型简介

评价气候变化影响的方法有三种：影响、相互作用和集成方法[3]。气候变化对区域水文水资源的影响的研究通常采用影响方法，即探讨在气候变化情境之下，水文循环各个分量将随之发生怎样的变化。这种研究模式的关键之一，在于选择或建立适合研究区域的水文模型。通常采用概念性或者基于物理机制的水文模型来研究气候变化下的水文响应。

分布式陆面水文模型VIC（Variable Infiltration Capacities）用空间概率分布函数来描述计算栅格内变化的入渗能力，考虑了蓄满产流和超渗产流两种不同的产流机制，同时还考虑到次网格内土壤、降水、植被非均匀性对产流的影响以及积雪、融雪及土壤冻融过程，可同时进行陆-气间水分及能量平衡的模拟，弥补了传统水文模型对能量过程描述的不足[4]，在世界上很多地区进行水文过程的模拟取得了良好的效果，并参与了国际陆面参数化方案的比较计划项目[5]。基于以上特点，VIC模型也常用于研究气候变化对水文水循环的影响。现今主要使用的VIC-3L模型，该模型将土壤分成三层，Liang和Xie[6,7](2001,2003)在VIC-3L模型中进一步考虑网格单元内土壤特性的空间不均匀性对超渗产流和蓄满产流的影响，以及考虑地表水和地下水的相互作用，加强了VIC-3L模型的水文过程模拟功能。如图1所示，在

研究中，利用数字高程流域水系模型勾划流域边界、确定网格水流方向并生成河网，为VIC 模型的应用搭建数字流域平台；系统收集研究区域的气象水文资料、土地覆被数据和土壤质地数据，为VIC模型提供输入；在各网格上进行蒸散发与产流计算，通过开发适合该地区的汇流模型，最终输出流域出口断面的径流过程和实际蒸散发空间分布。

气象强迫资料 土地覆被参数

图1 VIC-3L模型数值模拟框架图

4．汉江上游不同气候变化情景的构建

气候变化情景（简称气候情景）是建立在一系列科学假设基础之上，对未来气候状态时间、空间分布形式的合理描述[8]。情景描绘了未来世界发展的各种可能性，它由许多相互关联的变量组成，在一系列连贯的有关主要发展驱动因素及其相互关系的假设或理论基础上，形成对未来世界的总体描述。由于许多物理系统和社会系统的未来演变是不可预测的或预测结果具有很大的不确定性，因此情景有助于我们了解复杂动态系统的未来可能发展趋势，它是进行科学评估和决策的有用工具。90年代以来，根据气候变化影响的需要和气候情景的要求，已开展了大量的有关气候变化情景生成技术的研究。常见的方法主要有：历史资料类比分析、古气候资料重建与分析、任意情景设置、时间序列分析、CCMs输出等方法[9]。GCM 输出是最常用的气候情景生成技术，而利用随机天气发生器生成气候情景的研究还不深入，目前也没有成熟的调控模式参数的办法。

4.1 IPCC-SRES温室气体排放情景

在气候变化领域，情景是进行气候模拟、评估气候变化影响和脆弱性、选择适应和减缓措施以及分析气候变化相关政策的基础。在评测气候变化影响时，通常构建几个不同的气候情景。目前常采用温室气体排放情景来描述未来气候的可能变化趋势。2000年气候变化政府间研究小组IPCC在温室气体排放情景特别报告SRES（Special Report on Emission Scenarios）中，在对已有温室气体排放情景进行分析的基础上设计了4种未来全球发展模型，分别为A1、A2、B1和B2共4类情景，其中A1和A2强调经济发展，但在经济和社会发展程度上有所不同；B1和B2强调可持续发展，但在有关发展程度上同样存在差异。各类情景的社会经济基本假设和主要特征如下[10,11]：

A1：高经济发展情景。未来世界的经济高速增长，但人口增长缓慢，全球人口在本世纪中叶达到峰值，随后减少，并快速引进新技术和更高效的技术。主题是地区间的融合、能力建设、日益增加的文化和社会的相互影响，同时大幅度降低人均收入的地区性差异。人们追求的是个人福利而不是环境质量。

A2：国内或区域资源情景。未来世界的发展很不均匀。主题是自力更生、保护区域特性，强调家庭价值和当地传统。不同地区间人口出生率的趋同极为缓慢，因而导致全球人口的持续增长。经济发展主要是区域性的，人均经济增长和技术变化的速度要慢于其他情景系列。

B1：全球可持续发展情景。未来世界更为趋同，和A1情景系列一样，全球人口在本世纪中叶达到峰值，随后减少，但是经济结构向服务业和信息经济快速转变，材料强度降低，并引入清洁生产技术和更有效利用资源的技术。该情景着重于全球性解决经济、社会和环境的可持续发展。

B2：区域可持续发展情景。未来世界着重于局地性解决经济、社会和环境的可持续发展。全球人口持续增长，但增长速度比A2情景系列慢，经济发展速度中等，与B1和A1情景系列相比，技术变化的速度较为缓慢且变化多样。尽管该情景也是致力于环境保护和社会公平，但还是以局地和区域水平为重点。

根据Hadley中心预测，从现在至21世纪末全球平均温度将在A1情景下升高4℃，A2情景下升高3.5℃，B1和B2情景下升高2℃[12]。

4.2 PRECIS模型

由于GCM可输出多变量、时空尺度齐全，并含有温室效应输入项的资料，能部分地解释当前气候系统的物理机制，因此，利用GCM的输出结果已成为气候影响中最常采用的气候情景生成技术。但是目前GCM的可靠性不高，其控制试验与观测值之间、不同模式在统一网格上的气温、降水等气象项目之间均存在较大差异，且模式分辨率低，不能很好地描述区域尺度的地形特征和陆面物理过程，对区域气候的模拟及气候变化预测产生较大的偏差[13]。而区域气候模型RCM（Regional climate model）网格分辨率较高，可以考虑小尺度地形（山地、海岛）对区域气候的影响，较GCM能模拟出更为合理的区域气候情势，因此对区域气候进行模拟和预测时，可以将GCM的模拟结果作为RCM的侧边界条件，采用RCM 进行降尺度分析。

本研究利用PRECIS（Provding Regional Climates for Impacts Studies）模拟的IPCC-SRES 的A1、A2、B1和B2情景下的气候要素输出结果来描述汉江流域未来百年间的气候变化。PRECIS是由英国Hadley气候变化与研究中心研制的RCM，其水平方向的网格大小为50km×50km，垂直方向为19层。采用PRECIS模拟区域高分辨率气候变化情景时，应用GCM-HadAM3H（HadCM3的大气部分，其水平分辨率为纬度1.25º×经度1.875º）模拟的大尺度场在侧边界单向嵌套驱动PRECIS[13]。

本文采用的PRECIS输出结果由水利部水利信息中心提供，包括基准年（1961—1990年）以及A1、A2、B1和B2情景（1991—2100年）汉江流域50km×50km网格尺度上日最高/最低气温和日降水量。

4.3 NCC/GR-WG 天气发生器

天气发生器（Weather Generator），又称天气数据模拟模型，是研究某个地区或气候的一