气候变化对长江流域未来水资源的影响

　　气候变化对流域影响重大

　　全球气候变暖问题愈来愈引起社会各界的关注，IPCC（联合国政府间气候变化专门委员会）第四次评估报告指出，全球地表温度器测资料显示，全球气候已呈现为以增暖为主要特征的显著变化，近50年平均增暖率每10年达0.13摄氏度。气候变化导致水文循环的变化，也加剧了一些地区的水资源分配不均、旱涝问题日趋严重。目前，国内外关于气候变化对水文水资源影响研究通常是采用以流域水文模型及水资源评价模型为基础，结合构建的未来气候变化情景的单向的“what-if模式”，即假定气候发生某种变化，水文循环各分量相应发生怎样的变化。其中，常用的水文模型有经验统计模型、概念性水文模型、分布式水文模型。对未来气候变化情景的构建一般有任意情景组合、长系列水文气象资料的统计相关法和基于全球气候模式（GCMs）输出基本方法。

　　目前，随着人们对气候系统认识和气候模式的自身发展完善、气候模式参数过程更趋合理等，GCMs在已初设不同的二氧化碳和气溶胶等排放情景以及全球平均气温变化等前提条件，所输出的未来气候预测产品，已被广泛接受。GCMs方法已成为当前构建未来气候变化情景的有效方法之一。

　　气候变化对水文水资源的影响引起了国内外专家的重视，国内一些学者着手研究长江水文水资源对气候的响应，如针对汉江、湖北省、长江流域等研究气候变化对水资源的影响,其中，对未来气候情景的构建多采用任意情景组合及IPCC第三次评估（或以前）的气候模型输出成果。目前，用于IPCC第四次气候变化评估的气候模型比之以前模型的方案和精度都已有较大的完善和提高。但是，国内学者有针对性地利用IPCC第四次气候变化评估的气候模型成果开展气候变化对长江流域水资源影响方面的研究还不多，有的仅仅只是较关注气候变化方面中的某一方面或长江流域的某个局部区域。

　　本文基于长江流域1953年~2005年气温、降水和径流量历史观测资料，建立长江流域统计模型和简化水文模型，并收集用于IPCC第四次评估报告分析的24个全球气候模式在不同排放情景下对长江流域的气温、降水输出值，对长江流域、上游及中下游地区未来近100年的径流量进行预估，同时对未来径流量的变化趋势进行初步分析。

　　模型估算流域未来年径流量

　　研究主要采用多元回归方法建立径流深与降水量、平均气温之间的统计关系数学模型，以探讨长江流域主要区域径流深对气候变化的响应。考虑到水资源系统与气候变化之间的非线性关系，本文建立了径流深与降水、气温的非线性回归模型。

　　模型采用基于1953年~2005年期间的流域年平均气温、年平均降水量和流域出口控制站的年径流量资料系列，通过试错法率定计算出相关系数，以模拟长江流域不同区域的年径流量与年降水量、年气温之间关系。

　　流域水量平衡简化模型对长江流域大通站以上区域和宜昌-大通站区域的径流量模拟效果相对较好，确定性系数均达到0.90，但其均方差误差相对偏大、存在一定的系统误差，特别是宜昌-大通站区间误差达189毫米每年，初步分析可能主要归结于所收集的实测降雨量和气温资料站网密度不够，另外，所建立的流域水量平衡简化模型仅只是时间尺度为年，无法反应参数在年内不同季节的变化。

　　长江上游区域模拟径流量与实测值之间的确定性系数（R2）仅为0.61，与其它二个区域相比偏小，其不确定性可能来源于蒸发估算误差。长江上游大多地处青藏高原向平原地区之间的过渡区，影响当地蒸发的因素较多且复杂，如山区地形、植被、土壤变化复杂，气温变化差异大，局地小气候（风、湿、日照等）特征突出等，都对当地蒸发具有较大影响；模型中采用仅考虑面平均温度和一定的辐射参数信息的Blaney-Criddle经验公式难以准确地反映当地实际蒸发特性。

　　基于探讨长江流域未来气候变化对水资源量的初步影响变化目的，利用上述二种方法建立的径流模型模拟对长江流域未来年径流量的估算，虽然有一定误差，但是从一定程度上可反映未来气候的可能变化对长江流域水资源量变化的影响，结果具有一定的代表性。

　　长江流域未来气候变化

　　长江流域未来近100年的平均气温、降水预测信息主要是对基于全球气候模式的格点输出产品进行简单算术平均处理而成。不同区域径流量的估算是分别输入不同排放情景下年平均气温和年平均降水值到所建立的径流模型中完成，并采用线性回归方法和Mann-Kendall秩次相关检验方法对长江流域未来降水、气温及径流量进行时间序列变化和显著性检验分析。

　　未来长江流域气候变化趋势主要根据3种温室气体排放情景，即高排放（SRES-A2）、中等排放（SRES-A1B）和低排放（SRES-B1）进行预估。

　　未来降水变化。在A2、A1B和B1三种排放情景下，长江流域及其上游、中上游年降水量在未来10年间(2010年~2020年，下面类同)都呈减小变化趋势，其中上游减小程度显著；未来30年(2040年前)降水量将转变为增大趋势，但趋势均不显著；未来50年(2060年前)及以后长江流域年降水量将呈显著增大趋势；A2和A1B情景对降水的影响程度明显高于B1情景，其降水量每10年分别平均增加约8毫米～13毫米(A2)、12毫米～l4毫米(A1B)和4毫米～8毫米(B1)。

　　未来径流量变化

　　未来气温变化。全球气候模式预测的长江流域及不同区域的年平均气温在三种排放情景下都在未来近100年期间内均呈显著的上升趋势，平均增温率多为0.1～0.5摄氏度每10年之间。

　　未来径流量变化。应用所建立的两种径流模型和所选三种排放情景(A1B、A2、B1)下气候模式输出成果对长江流域径流量进行模拟计算。3种排放情景下(A1B、A2或B1)，两种模型结果虽然在量上有所不同，但是变化趋势基本一致，即未来l0到30年径流量将以减小为主，2060年以后将转变为显著增大的变化趋势。其中，中高等排放情景下(AlB和A2)气候变化对长江流域径流量的影响程度要较低排放情景(B1)更为明显。

　　统计模型结果显示A2情景下估算径流量介于A1B和B1情景径流估算值之间，但平均增加程度明显低于AlB和B1情景，对长江流域和不同区域估算的径流量在未来10～20年变化不明显，之后都呈显著增加趋势；一般情况下，Bl情景因低排放的设定更可能对未来径流量造成偏弱的强迫影响，造成上述不一致的现象可能是由于统计模型的普遍局限性，即外延误差未来预测气温值超出了建模时所采用的实际温度值范围，因此影响径流量模拟的精度。

　　气候变化对流域水资源的影响

　　基于IPCC第4次评估报告中分析使用的24个全球气候模式的输出产品，分析计算在A1B、A2、B1三种典型排放情景下长江流域未来100年间的降水、气温值，预测显示，未来100年气温均呈显著的增温；降水量在2020年前以减小为主，2020年～2040年间降水量开始增加，2060年后降水量呈明显增大趋势。

　　在上述气候变化趋势下，基于统计模型和流域水量平衡简化模型所估算的长江流域径流量也呈相同的变化趋势，即长江流域未来前30年的径流量变化不明显但呈略微减小趋势，2060年后流域径流量呈显著增大趋势。

　　三种排放情景对长江流域及不同区域的径流量的影响程度有所差异，基于水量平衡简化模型估算的结果表明，在A2和A1B情景下估算的长江流域径流量变化趋势较接近，但变化值明显大于B1情景。说明中高等排放情景下(A1B和A2)气候变化对长江流域径流量的影响程度大于低排放情景(B1)。

　　对未来长江流域的气候变化分析和径流量估算主要取决于全球气候模式的输出产品，对未来径流量的估算存在一定的不确定性，但其变化仍可反应未来长江流域水资源的可能变化趋势。

　　本次研究建立的径流模型，其时间(年)和空间尺度均较大，不能完全反映长江流域水资源量时空分布及其变化，也是水资源模拟中的重要误差来源，蒸发的预估也是不确定性来源之一。因此，下一步研究需要细化水资源模型的空间和时间尺度，优化参数，完善蒸发量估算，以更好地模拟水资源变化对气候变化的响应。

　　（第一作者系长江委水文局副总工程师）