ipcc不同發(fā)展情景下黃河流域天然徑流變化趨勢分析

ipcc不同發(fā)展情景下黃河流域天然徑流變化趨勢分析

1對氣候變化背景下表現(xiàn)出的主要影響由于工業(yè)化導致溫室氣體（ghg）增加，全球氣候變化對水循環(huán)有重大影響。水循環(huán)過程將被加強,從而導致蒸發(fā)和降水的增加,但這種增加在全球范圍內(nèi)并非均勻分布。降水特征(諸如降水量、季節(jié)分布及強度)的變化隨著區(qū)域的不同而有較大差異,這些變化對河流水情、徑流、泥沙及區(qū)域水資源具有重要影響。河川徑流與區(qū)域水資源對全球氣候變化的響應與降水的變化密切相關(guān),徑流的變化通常比降水的變化更為劇烈,特別在干旱地區(qū)。與降水相比,單純的溫度增加對區(qū)域水資源具有負作用。我國對河川徑流及區(qū)域水資源對全球氣候變化響應的研究起步較晚。1996年,鄧慧平等比較系統(tǒng)地綜述了氣候變化對水文和水資源的影響。1998年,沈大軍和劉昌明從降水、蒸發(fā)、徑流和土壤水分、供水、需水及水資源管理等方面論述了水資源系統(tǒng)對氣候變化的響應。2002年游松財?shù)纫愿倪M的水分平衡模型為基礎(chǔ),研究了不同氣候變化情景下中國未來地表徑流的變化,但該研究未對GCM模型(通用環(huán)流模型)輸出結(jié)果進行尺度轉(zhuǎn)換,同時在計算蒸發(fā)時采用了不適合于季風氣候區(qū)的Thornthwaite方法,從而影響了計算結(jié)果的精度。黃河流域降水的空間變化很大,多年平均降水量從東南部的1500mm逐漸減小到西北的200mm左右。作為區(qū)域水資源的主要補給來源,降水每年為黃河流域提供3000×108m3的水量,其中天然徑流為580×108m3,占黃河水資源總量707×108m3的82%,因而,可以用天然徑流量的變化來表征黃河流域水資源的變化。隨著黃河流域經(jīng)濟的快速發(fā)展,工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活用水量急劇增加,加之落后的灌溉方法、不合理的灌溉制度及污水處理能力低下等諸多原因,使得黃河流域水資源供需矛盾日趨嚴峻,黃河斷流就是極為典型的佐證。在過去的幾十年間,水資源短缺已為黃河流域帶來了巨大的經(jīng)濟損失。受人口、城市化及工業(yè)化快速發(fā)展的影響,黃河流域的缺水情況將日趨嚴峻。到2010、2020和2030年,黃河流域水資源短缺將分別達到22.9×108m3、62.4×108m3和66.2×108m3。全球氣候變化對區(qū)域水資源具有重要影響,分析全球氣候變化對區(qū)域水資源的定量影響,并提出相應的對策,對于區(qū)域水資源的優(yōu)化利用、調(diào)度和管理具有重要的意義。本文從干旱指數(shù)蒸發(fā)率函數(shù)出發(fā),利用HadCM3GCM模型的模擬結(jié)果,在不同發(fā)展情景下分析了全球氣候變化對黃河流域天然徑流量的潛在影響。2蒸發(fā)率函數(shù)的確定對一定區(qū)域而言,年蒸發(fā)量(E)和徑流量(R)是由潛在蒸發(fā)量(E0)和降雨量(P)控制的。當潛在蒸發(fā)很小,就一定降水量而言,徑流量就大。相反,當蒸發(fā)很強烈時,徑流量則只占降雨量的小部分。作為潛在蒸發(fā)與降雨比值的干旱指數(shù)(?)可以作為分析氣候變化對區(qū)域徑流和水資源影響的有效參數(shù)。蒸發(fā)率(E/P,年蒸發(fā)與年降水的比值)可以表示為干旱指數(shù)的函數(shù)。眾多蒸發(fā)率函數(shù)(如Schreiber、OL’dekop、Bodyko和Turc函數(shù))都假定蒸發(fā)率主要受氣候條件控制,植被只通過改變地表反射率進而影響到凈輻射來間接影響蒸發(fā)率。這些函數(shù)都沒有充分考慮植被對蒸發(fā)的作用。為了盡可能反映植被對蒸發(fā)率的影響,Zhang等人于2001年重新定義了蒸發(fā)率函數(shù),以期能夠反映植被的水文功效。EP=1+w?1+w?+1?(1)EΡ=1+w?1+w?+1?(1)式中:w為植被有效水系數(shù)。研究表明當w等于1時,(1)式與其他形式的蒸發(fā)率函數(shù)吻合很好(圖1)。因該函數(shù)同時反映了氣候(干旱指數(shù))和地表植被狀況(植被有效水系數(shù)),從而選擇該公式為本研究的蒸發(fā)率函數(shù)。由(1)式可知,隨著植被有效水系數(shù)w的增大,蒸發(fā)率隨著增大(圖2),這就意味著當氣候條件相同而地表植被覆蓋較差時,相同的降水將會產(chǎn)生更多的徑流,而當植被覆蓋較好時則蒸發(fā)消耗的降水較多,河川徑流量小。當已知氣候變化引起的降水和蒸發(fā)變化情況時,可以采用干旱指數(shù)來模擬多年河川徑流的變化。假定年內(nèi)土壤蓄水量遠小于年降水量、蒸發(fā)量和徑流量時,Koster和Suarez基于蒸發(fā)率函數(shù),提出了用干旱指數(shù)預測年徑流的計算模型。ΔR=ΔP-ΔE(2)因為F(?)=EPF(?)=EΡ、?=E0P?=E0Ρ,所以ΔE=F(?)ΔP+PΔ?F′(?)(3)將Δ?用ΔP和ΔE0展開得Δ?=ΔE0P?E0P2ΔP(4)Δ?=ΔE0Ρ-E0Ρ2ΔΡ(4)將(3)和(4)式代入(2)式得ΔR=ΔP[1-F(?)+?F′(?)]-ΔE0F′(?)(5)則特定年的徑流量為Ri=Rˉˉˉ+ΔRi=Rˉˉˉ+(Pi?Pˉˉˉ)[1?F(?i)+?iF′(?i)]?(E0i?Eˉˉˉ0)F′(?i)(6)Ri=Rˉ+ΔRi=Rˉ+(Ρi-Ρˉ)[1-F(?i)+?iF′(?i)]-(E0i-Eˉ0)F′(?i)(6)式中:RˉˉˉRˉ為平均年徑流量,Pi為特定年的降水量,PˉˉˉΡˉ為平均年降水量,F為蒸發(fā)率函數(shù),?i為特定年的干旱指數(shù),F′為蒸發(fā)率函數(shù)的導數(shù),E0為特定年的潛在蒸發(fā)量,EˉˉˉEˉ0為平均年潛在蒸發(fā)量。對于Zhang等人提出的蒸發(fā)率函數(shù),其F′為F′(?)=2w?+1?2?1+w(1+?+1?)2(7)F′(?)=2w?+1?2-1+w(1+?+1?)2(7)3模型中情境未來的模擬結(jié)果收集黃河流域56個氣象站30年(1961～1990)的月降水和溫度資料,用Hargreves法計算各站的潛在蒸發(fā)量。根據(jù)黃河流域產(chǎn)流及水資源特點,將黃河流域劃分為6個子區(qū)域(表1)。將56個氣象站的年降水量、潛在蒸發(fā)在ARC/INFOGIS系統(tǒng)下用Kriging法內(nèi)插為0.1°×0.1°網(wǎng)格,用各個區(qū)域的邊界對內(nèi)插的結(jié)果進行覆蓋,獲得各個區(qū)域逐年的降水量、潛在蒸發(fā)。收集黃河流域6個水文站1961～1990年的天然徑流量資料,用該資料確定Zhang等人提出的蒸發(fā)率函數(shù)中植被有效水系數(shù)。函數(shù)擬合的優(yōu)劣用決定系數(shù)(R2)和有效系數(shù)(CE)來判斷。GCM采用英國的HadCM3模型,未來社會發(fā)展情景選擇IPCC(IntergovernmentalPanelonClimateChange—氣候變化政府間框架)的A2和B2,A2情景代表了一個差異顯著的未來世界,強調(diào)地區(qū)文化差異和家庭及歷史傳統(tǒng)對社會發(fā)展的作用,人口增長加快,經(jīng)濟發(fā)展緩慢。B2情景代表的未來世界也存在一定差異,技術(shù)進步相對較慢,但強調(diào)社會技術(shù)創(chuàng)新。從IPCC數(shù)據(jù)中心下載覆蓋黃河流域的23個GCM模擬網(wǎng)格的1961～1990年(基礎(chǔ)數(shù)據(jù))、2006～2035年、2036～2065年和2066～2095年的逐月降水量、地表溫度、最高和最低溫度數(shù)據(jù)。因GCM輸出結(jié)果的網(wǎng)格尺度較大,在使用GCM模擬結(jié)果時,通常要進行輸出數(shù)據(jù)的空間尺度轉(zhuǎn)換(Downscaling),本文采用了較為簡單的Delta方法,即比較每個GCM輸出網(wǎng)格未來不同時期(2006～2035年、2036～2065年和2066～2095年)30年平均年降水量與1961～1990年(基礎(chǔ)數(shù)據(jù))平均年降水量,計算降水量的變化比例,將這些變化比例乘各個氣象站1961～1990年實測平均年降水量,得到各站未來不同時期年降水量的變化量,值得注意的是使用Delta法計算未來降水量時,處在同一個GCM輸出網(wǎng)格內(nèi)的氣象站采用同一個變化比例。再將56個氣象站未來不同時期的降水用GIS進行內(nèi)插,即可得到未來不同時期各個區(qū)域的降水量(表2)。溫度的變化也采用Delta方法,但與降水不同的是GCM輸出網(wǎng)格溫度的變化選擇溫度的絕對變化量,將每個GCM輸出網(wǎng)格未來不同時期30年的逐月溫度與1961～1990年GCM模擬結(jié)果進行比較,得到各時期各個網(wǎng)格溫度的變化量,將該變化量加到網(wǎng)格內(nèi)各個氣象站1961～1990年平均的實測溫度上。計算各站的潛在蒸發(fā)量,再用GIS內(nèi)插獲得各個區(qū)域未來不同時期的潛在蒸發(fā)量(表3)。將計算得到年降水量和潛在蒸發(fā)量代入(6)式,即可估算出全球變化情況下,未來不同時期黃河流域各個區(qū)域的天然徑流量。4徑流、水資源的潛在影響植被有效水系數(shù)W代表了地表植被狀況對蒸發(fā)率函數(shù)的定量影響,當?shù)乇碇脖桓采w較好時,受植被水文功效的影響,區(qū)域植被有效水系數(shù)就較大。疏松的土壤將蓄滲較多的降水,雨后損失于蒸發(fā),相應的其植被有效水系數(shù)也比較大。表4給出了黃河流域各個子區(qū)域的植被有效水系數(shù)W。從表中可以清楚地看到,植被有效水系數(shù)隨著區(qū)域的不同而變化很大。河源—貴德地區(qū)平均海拔在3000m以上,區(qū)內(nèi)沼澤密布,植被覆蓋較少,因而該地區(qū)的植被有效水系數(shù)明顯低于其他區(qū)域。蘭州—頭道拐地區(qū),由于土壤疏松、地形平坦及強烈的蒸發(fā),多年平均天然徑流量僅為1.75mm,該區(qū)域的植被有效水系數(shù)遠大于其他區(qū)域。模擬的30年平均徑流與實際的天然徑流量十分接近,其比值在1.00～1.25之間變化(表4),除蘭州—頭道拐(24.6%)和花園口—利津(23.3%)以外,其余各個區(qū)域的模擬誤差都比較小。雖然上述兩個區(qū)域的模擬誤差較大,但對黃河流域的整體模擬沒有很大影響,因為前者多年徑流量很小,而后者的面積很小。就黃河流域而言,模擬相對誤差僅為2.62%。溫室氣體導致的全球氣候變化是一相對長期的過程,就特定區(qū)域而言,其變化是相對穩(wěn)定的,即降水是逐漸的增加或減小,為消除降水和溫度年際變化對模擬結(jié)果的影響,需要選擇相對長的時期來研究全球變化對區(qū)域徑流、水資源的潛在影響。檢驗結(jié)果表明用Zhang等人提出的蒸發(fā)率函數(shù)來模擬黃河流域多年平均天然徑流的精度較高,可以用于全球氣候變化對黃河流域天然徑流量影響的預測。5徑流時空變化HadCM3的模擬結(jié)果表明,在未來一個世紀內(nèi),黃河流域的降水呈增加趨勢(表2)。增加的幅度隨著區(qū)域和模擬情景的不同而有所差異。A2情景下模擬的年降水持續(xù)增加,而B2情景下模擬的降水,在2006～2035年期間有顯著的增加,然后稍有下降(2036～2065年),再繼續(xù)增加(2066～2095年)。用HadCM3模擬溫度計算的潛在蒸發(fā)持續(xù)增加(表3)。區(qū)域徑流的變化受降水和蒸發(fā)的雙重制約,因而A2和B2情景下模擬降水的差異,將導致未來黃河流域天然徑流量的變化。表5給出了未來不同時期、不同模擬情景下的各區(qū)域及黃河流域多年平均天然徑流量的潛在變化。受降水和蒸發(fā)變化區(qū)域性差異的影響,模擬的徑流變化各區(qū)域間差異顯著。徑流變化幅度從東向西逐漸減小,花園口—利津地區(qū)的徑流變化幅度最大,2006～2035年A2情景下模擬的徑流將增加2倍,而B2情景下模擬的徑流量將減小48%。西部河源—貴德、貴德—蘭州地區(qū)的徑流變化最小,平均的變化幅度僅為1.9%(A2)和0.6%(B2)。黃河流域徑流變化情況,隨著模擬情景的不同而有較大差異。A2情景下的模擬結(jié)果表明,除2006～2035年間河源—貴德和貴德—蘭州地區(qū)的平均年徑流量略有下降以外,其余各個地區(qū)的徑流都有顯著增加。然而,B2情景的模擬結(jié)果表明,黃河中游3個區(qū)域(蘭州—頭道拐、頭道拐—龍門、龍門—花園口)的平均年徑流有一定增加,而其他3個區(qū)域的平均年徑流存在下降趨勢,如2036～2065年間河源—貴德、貴德—蘭州、花園口—利津區(qū)間的平均年徑流量將分別減少7.8%、5.9%和22.2%。全球氣候變化對黃河流域徑流的影響隨著模擬時期不同出現(xiàn)明顯的波動性(表5),就頭道拐—龍門區(qū)間而言,在A2情景下該區(qū)域2006～2035年、2036～2065年和2066～2095年的平均年徑流量分別增加9.1%、37.0%和43.8%?；▓@口—利津區(qū)間B2情景下的模擬結(jié)果表明,2006～2035年和2036～2065年的平均年徑流量減小48.0%和22.2%,而2066～2095年期間,該地區(qū)平均年徑流又略有增加,但增加值僅為4.6%.A2情景下2006～2035年、2036～2065年和2066～2095年黃河流域的平均年徑流量將分別增加5.0%、11.7%和8.1%,增加的水量分別為30.8×108m3、72.3×108m3和50.1×108m3。而B2情景下相應的變化分別為7.2%、-3.1%和2.6%,其水量變化分別為44.5×108m3、-18.9×108m3和15.9×108m3。黃河流域天然徑流的最大增加量為9.6mm,它是目前黃河流域生活用水58.0×108m3的1.25倍。黃河流域天然徑流量的最大減小量為2.51mm,折合水量為18.9×108m3。6實際情境下黃河天然徑流的變化從干旱指數(shù)出發(fā),利用蒸發(fā)率函數(shù)估算全球變化對區(qū)域水資源、年徑流影響的研究,在國際上已經(jīng)屢見不鮮。本文在對Zhang等人提出的蒸發(fā)率函數(shù)進行檢驗的基礎(chǔ)上,利用HadCM3GCM模擬的結(jié)果,系統(tǒng)研究了IPCC2種發(fā)展情景下未來不同時期黃河流域年天然徑流量的可能變