全球气候变化对黄河流域天然径流量影响的情景分析，本文主要内容关键词为：黄河流域论文,径流论文,气候变化论文,情景论文,全球论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1 引言
工业化导致温室气体(GHG)增加而引发的全球气候变化，将对水循环产生巨大影响[1]。水循环过程将被加强，从而导致蒸发和降水的增加，但这种增加在全球范围内并非均匀分布。降水特征(诸如降水量、季节分布及强度)的变化随着区域的不同而有较大差异[2，3]，这些变化对河流水情、径流、泥沙及区域水资源具有重要影响[4，5]。河川径流与区域水资源对全球气候变化的响应与降水的变化密切相关，径流的变化通常比降水的变化更为剧烈，特别在干旱地区。与降水相比，单纯的温度增加对区域水资源具有副作用[6，7]。
我国对河川径流及区域水资源对全球气候变化响应的研究起步较晚。1996年，邓慧平等[8] 比较系统地综述了气候变化对水文和水资源的影响。1998年，沈大军和刘昌明[9] 从降水、蒸发、径流和土壤水分、供水、需水及水资源管理等方面论述了水资源系统对气候变化的响应。2002年游松财等[10] 以改进的水分平衡模型为基础，研究了不同气候变化情景下中国未来地表径流的变化，但该研究未对GCM模型(通用环流模型)输出结果进行尺度转换，同时在计算蒸发时采用了不适合于季风气候区的Thornthwaite方法，从而影响了计算结果的精度。
黄河流域降水的空间变化很大，多年平均降水量从东南部的1500mm逐渐减小到西北的200mm左右。作为区域水资源的主要补给来源，降水每年为黄河流域提供3000×10[8]m[3]的水量，其中天然径流为580×10[8]m[3]，占黄河水资源总量707×10[8]m[3]的82％，因而，可以用天然径流量的变化来表征黄河流域水资源的变化。随着黄河流域经济的快速发展，工业、农业和生活用水量急剧增加，加之落后的灌溉方法、不合理的灌溉制度及污水处理能力低下等诸多原因，使得黄河流域水资源供需矛盾日趋严峻，黄河断流就是极为典型的佐证[11]。在过去的几十年间，水资源短缺已为黄河流域带来了巨大的经济损失。受人口、城市化及工业化快速发展的影响，黄河流域的缺水情况将日趋严峻。到2010、2020和2030年，黄河流域水资源短缺将分别达到22.9×10[8]m[3]、62.4×10[8]m[3]和66.2×10[8]m[3][12]。
全球气候变化对区域水资源具有重要影响[13，14]，分析全球气候变化对区域水资源的定量影响，并提出相应的对策，对于区域水资源的优化利用、调度和管理具有重要的意义。本文从干旱指数蒸发率函数出发，利用HadCM3 GCM模型的模拟结果，在不同发展情景下分析了全球气候变化对黄河流域天然径流量的潜在影响。
2 模型
对一定区域而言，年蒸发量(E)和径流量(R)是由潜在蒸发量(E[，0])和降雨量(P)控制的。当潜在蒸发很小，就一定降水量而言，径流量就大。相反，当蒸发很强烈时，径流量则只占降雨量的小部分。作为潜在蒸发与降雨比值的干旱指数(
)可以作为分析气候变化对区域径流和水资源影响的有效参数[15]。蒸发率(E/P，年蒸发与年降水的比值)可以表示为干旱指数的函数。
众多蒸发率函数(如Schreiber、OL' dekop、Bodyko和Turc函数)都假定蒸发率主要受气候条件控制，植被只通过改变地表反射率进而影响到净辐射来间接影响蒸发率。这些函数都没有充分考虑植被对蒸发的作用。为了尽可能反映植被对蒸发率的影响，Zhang等人于2001年重新定义了蒸发率函数，以期能够反映植被的水文功效[16]。
E/P=(1+w)/(1+w+(1/))(1)
式中：w为植被有效水系数。研究表明当w等于1时，(1)式与其他形式的蒸发率函数吻合很好(图1)。因该函数同时反映了气候(干旱指数)和地表植被状况(植被有效水系数)，从而选择该公式为本研究的蒸发率函数。
由(1)式可知，随着植被有效水系数w的增大，蒸发率随着增大(图2)，这就意味着当气候条件相同而地表植被覆盖较差时，相同的降水将会产生更多的径流，而当植被覆盖较好时则蒸发消耗的降水较多，河川径流量小。
当已知气候变化引起的降水和蒸发变化情况时，可以采用干旱指数来模拟多年河川径流的变化。假定年内土壤蓄水量远小于年降水量、蒸发量和径流量时，Koster和Suarez[17] 基于蒸发率函数，提出了用干旱指数预测年径流的计算模型。
△R＝△P-△E(2)
因为F()=E/P、=E[，0]/P，所以
△E=F()△P+P△F′()(3)
将△用△P和△E[，0]展开得
△=(△E[，0]/P)-(E[，0]/P[2])△P(4)
将(3)和(4)式代入(2)式得
△R＝△P[1-F()+F′()]-△E[，0]F′()(5)
则特定年的径流量为
式中：
为平均年径流量，P[，i]为特定年的降水量，
为平均年降水量，F为蒸发率函数，
[，i]为特定年的干旱指数，F′为蒸发率函数的导数，E[，0]为特定年的潜在蒸发量，
[，0]为平均年潜在蒸发量。对于Zhang等人提出的蒸发率函数，其F′为
F′()=(2w/+1/[2]-1+w)/((1++1/)[2])(7)
3 数据
收集黄河流域56个气象站30年(1961～1990)的月降水和温度资料，用Hargreves法计算各站的潜在蒸发量[18]。根据黄河流域产流及水资源特点，将黄河流域划分为6个子区域(表1)。将56个气象站的年降水量、潜在蒸发在ARC/INFO GIS系统下用Kriging法[19] 内插为0.1°×0.1°网格，用各个区域的边界对内插的结果进行覆盖，获得各个区域逐年的降水量、潜在蒸发。
表1 黄河流域6个子区域
Tab.1 Six sub-regions in the Yellow River Basin
区域面积(km[2]) 水文站
河源—贵德 133775
贵德
贵德—兰州
88776
兰州
兰州—头道拐163415
头道拐
头道拐—龙门111595
龙门
龙门—花园口232475
花园口
花园口—利津 22407
利津
黄河流域752443
利津
收集黄河流域6个水文站1961～1990年的天然径流量资料，用该资料确定Zhang等人提出的蒸发率函数中植被有效水系数。函数拟合的优劣用决定系数(R[2])和有效系数(CE)来判断。
GCM采用英国的HadCM3模型，未来社会发展情景选择IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change—气候变化政府间框架)的A2和B2[1]，A2情景代表了一个差异显著的未来世界，强调地区文化差异和家庭及历史传统对社会发展的作用，人口增长加快，经济发展缓慢。B2情景代表的未来世界也存在一定差异，技术进步相对较慢，但强调社会技术创新。从IPCC数据中心下载覆盖黄河流域的23个GCM模拟网格的1961～1990年(基础数据)、2006～2035年、2036～2065年和2066～2095年的逐月降水量、地表温度、最高和最低温度数据。
因GCM输出结果的网格尺度较大，在使用GCM模拟结果时，通常要进行输出数据的空间尺度转换(Downscaling)，本文采用了较为简单的Delta方法[20]，即比较每个GCM输出网格未来不同时期(2006～2035年、2036～2065年和2066～2095年)30年平均年降水量与1961～1990年(基础数据)平均年降水量，计算降水量的变化比例，将这些变化比例乘各个气象站1961～1990年实测平均年降水量，得到各站未来不同时期年降水量的变化量，值得注意的是使用Delta法计算未来降水量时，处在同一个GCM输出网格内的气象站采用同一个变化比例。再将56个气象站未来不同时期的降水用GIS进行内插，即可得到未来不同时期各个区域的降水量(表2)。
表2 各区域不同变化情景下的平均年降水量(mm)
Tab.2 Annual mean precipitation under different scenarios for each sub-region(mm)
区域 1961 A2 B2
～1990 2006～2035 2036～2065 2066～2095 2006～2035 2036～2065 2066～2095
河源—贵德 424.2433.5
468.8
489.8
459.3
441.2
463.7
贵德—兰州 403.5413.7
457.4
476.1
441.0
418.6
451.7
兰州—头道拐292.3329.9
336.8
378.2
333.2
320.1
328.4
头道拐—龙门447.0486.6
571.5
627.0
530.1
505.3
539.8
龙门—花园口527.3556.5
607.5
647.2
604.0
577.8
607.3
花园口—利津649.9677.5
784.0
872.0
740.3
685.3
759.9
温度的变化也采用Delta方法，但与降水不同的是GCM输出网格温度的变化选择温度的绝对变化量，将每个GCM输出网格未来不同时期30年的逐月温度与1961～1990年GCM模拟结果进行比较，得到各时期各个网格温度的变化量，将该变化量加到网格内各个气象站1961～1990年平均的实测温度上。计算各站的潜在蒸发量，再用GIS内插获得各个区域未来不同时期的潜在蒸发量(表3)。
表3 各区域不同变化情景下的平均年潜在蒸发量(mm)
Tab.3 Annual mean potential evaporation under different scenarios for each sub-region(mm)
区域1961 A2 B2
～1990
2006—2035 2036—2065 2066—2099 2006—2035 2036—2065 2066—2095
河源—贵德
668.8 706.0
765.0
874.3
732.1
765.4
810.6
贵德—兰州
835.7 871.4
929.7 1026.6
918.5
922.5
963.0
兰州—头道拐 944.71003.2 1063.3 1167.4 1062.8 1067.5 1100.9
头道拐—龙门 991.71036.5 1091.4 1200.5 1092.5 1098.5 1130.3
龙门—花园口1033.01081.5 1144.3 1270.3 1149.0 1161.3 1192.9
花园口—利津1035.01154.4 1267.9 1536.5 1280.7 1297.6 1355.9
将计算得到年降水量和潜在蒸发量代入(6)式，即可估算出全球变化情况下，未来不同时期黄河流域各个区域的天然径流量。
4 模型检验
植被有效水系数W代表了地表植被状况对蒸发率函数的定量影响[16]，当地表植被覆盖较好时，受植被水文功效的影响，区域植被有效水系数就较大。疏松的土壤将蓄渗较多的降水，雨后损失于蒸发，相应的其植被有效水系数也比较大。表4给出了黄河流域各个子区域的植被有效水系数W。从表中可以清楚地看到，植被有效水系数随着区域的不同而变化很大。河源—贵德地区平均海拔在3000m以上，区内沼泽密布，植被覆盖较少，因而该地区的植被有效水系数明显低于其他区域。兰州—头道拐地区，由于土壤疏松、地形平坦及强烈的蒸发，多年平均天然径流量仅为1.75mm，该区域的植被有效水系数远大于其他区域。
表4 优化的植被有效水系数及其统计特征
Tab.4 Optimized plant available coefficient and relative statistical characteristics
区域
W
R[，ma](mm) R[，ms](mm) R[，ms]/R[，ma]r
CESTD[，s]/STD[，a]
河源—贵德 0.62171.35
171.36 1.00 0.520.29 0.89
贵德—兰州 0.84144.23
144.23 1.00 0.790.54 1.08
兰州—头道拐
20.31 1.75 2.18 1.25 0.770.52 0.69
头道拐—龙门3.20 52.0256.57 1.09 0.890.75 1.02
龙门—花园口2.00 80.5583.94 1.04 0.810.56 1.18
花园口—利津3.51 49.0760.52 1.23 0.790.62 0.80
注：R[，ms]为模拟径流的平均值，R[，ma]为实际径流的平均值，STD[，s]为模拟径流的标准差，STD[，a]为实际径流的标准差。
模拟的30年平均径流与实际的天然径流量十分接近，其比值在1.00～1.25之间变化(表4)，除兰州—头道拐(24.6％)和花园口—利津(23.3％)以外，其余各个区域的模拟误差都比较小。虽然上述两个区域的模拟误差较大，但对黄河流域的整体模拟没有很大影响，因为前者多年径流量很小，而后者的面积很小。就黄河流域而言，模拟相对误差仅为2.62％。
温室气体导致的全球气候变化是一相对长期的过程，就特定区域而言，其变化是相对稳定的，即降水是逐渐地增加或减小，为消除降水和温度年际变化对模拟结果的影响，需要选择相对长的时期来研究全球变化对区域径流、水资源的潜在影响。检验结果表明用Zhang等人提出的蒸发率函数来模拟黄河流域多年平均天然径流的精度较高，可以用于全球气候变化对黄河流域天然径流量影响的预测。
5 结果与讨论
HadCM3的模拟结果表明，在未来一个世纪内，黄河流域的降水呈增加趋势(表2)。增加的幅度随着区域和模拟情景的不同而有所差异。A2情景下模拟的年降水持续增加，而B2情景下模拟的降水，在2006～2035年期间有显著的增加，然后稍有下降(2036～2065年)，再继续增加(2066～2095年)。用HadCM3模拟温度计算的潜在蒸发持续增加(表3)。区域径流的变化受降水和蒸发的双重制约，因而A2和B2情景下模拟降水的差异，将导致未来黄河流域天然径流量的变化。
表5给出了未来不同时期、不同模拟情景下的各区域及黄河流域多年平均天然径流量的潜在变化。受降水和蒸发变化区域性差异的影响，模拟的径流变化各区域间差异显著。径流变化幅度从东向西逐渐减小，花园口—利津地区的径流变化幅度最大，2006～2035年A2情景下模拟的径流将增加2倍，而B2情景下模拟的径流量将减小48％。西部河源—贵德、贵德—兰州地区的径流变化最小，平均的变化幅度仅为1.9％(A2)和0.6％(B2)。
表5 各区域及黄河流域径流量潜在变化(mm)
Tab.5 Potential changes in runoff for each sub-region and the Yellow River Basin(mm)
区域 1961 A2 B2
～1990 2006～2035 2036～2065 2066～2095 2006～2035 2036～2065 2066～2095
河源—贵德 171.4167.9
175.8
162.8
177.9
158.0
161.5
贵德—兰州 144.2142.9
155.8
147.7
148.9
135.7
146.3
兰州—头道拐 1.8 2.2 2.0 2.3 2.0 1.8 1.8
头道拐—龙门52.0 56.871.374.861.856.461.1
龙门—花园口80.6 84.393.391.691.682.387.7
花园口—利津49.1148.770.078.525.538.251.3
黄河82.0 86.191.688.787.979.584.1
黄河流域径流变化情况，随着模拟情景的不同而有较大差异。A2情景下的模拟结果表明，除2006～2035年间河源—贵德和贵德—兰州地区的平均年径流量略有下降以外，其余各个地区的径流都有显著增加。然而，B2情景的模拟结果表明，黄河中游3个区域(兰州—头道拐、头道拐—龙门、龙门—花园口)的平均年径流有一定增加，而其他3个区域的平均年径流存在下降趋势，如2036～2065年间河源—贵德、贵德—兰州、花园口—利津区间的平均年径流量将分别减少7.8％、5.9％和22.2％。
全球气候变化对黄河流域径流的影响随着模拟时期不同出现明显的波动性(表5)，就头道拐—龙门区间而言，在A2情景下该区域2006～2035年、2036～2065年和2066～2095年的平均年径流量分别增加9.1％、37.0％和43.8％。花园口—利津区间B2情景下的模拟结果表明，2006～2035年和2036～2065年的平均年径流量减小48.0％和22.2％，而2066～2095年期间，该地区平均年径流又略有增加，但增加值仅为4.6％。
A2情景下2006～2035年、2036～2065年和2066～2095年黄河流域的平均年径流量将分别增加5.0％、11.7％和8.1％，增加的水量分别为30.8×10[8]m[3]、72.3×10[8]m[3]和50.1×10[8]m[3]。而B2情景下相应的变化分别为7.2％、-3.1％和2.6％，其水量变化分别为44.5×10[8]m[3]、-18.9×10[8]m[3]和15.9×10[8]m[3]。黄河流域天然径流的最大增加量为9.6mm，它是目前黄河流域生活用水58.0×10[8]m[3]的1.25倍[21]。黄河流域天然径流量的最大减小量为2.51mm，折合水量为18.9×10[8]m[3]。
6 结论
从干旱指数出发，利用蒸发率函数估算全球变化对区域水资源、年径流影响的研究，在国际上已经屡见不鲜。本文在对Zhang等人提出的蒸发率函数进行检验的基础上，利用HadCM3 GCM模拟的结果，系统研究了IPCC 2种发展情景下未来不同时期黄河流域年天然径流量的可能变化。研究结果表明受降水、潜在蒸发不同变化的影响，黄河流域年天然径流量随着区域、社会发展情景和研究时期的不同而有显著的差异。从总体而言，未来黄河流域天然径流量有增加的趋势，这种趋势从东向西逐渐减小。不同区域天然径流量的变化幅度在-48.0％～203.0％之间。黄河流域天然径流量最大增加为A2情景2036～2065年的72.3×10[8]m[3]，而最大减小为同时期B2情景下的-18.9×10[8]m[3]。虽然受GCM模拟结果和土地利用不确定性的综合影响，全球变化对区域水资源影响定量模拟的可靠性总是受到质疑[22]，但本研究的结果对黄河流域水资源的中长期管理，仍具有十分重要的实践意义。