陳 婷，夏 軍,，鄒 磊

(1.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 陸地水循環(huán)及地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101)

0 引 言

流域水文循環(huán)受到多方面的影響，其中最主要的有兩項(xiàng)因素——人類活動(dòng)和氣候變化，人類活動(dòng)主要包括土地利用的變化和水利工程的建設(shè)等，氣候變化主要包括氣溫、降水等的改變[1]。其中氣候變化條件下的水資源的變化及其適應(yīng)性是當(dāng)下國(guó)際研究的熱點(diǎn)[2-4]。干旱和洪澇不僅會(huì)破壞農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境、能源交通，還會(huì)影響災(zāi)區(qū)居民的身體健康和日常生活[5]。隨著全球變暖，極端氣候事件發(fā)生更加頻繁[6]，對(duì)全球水循環(huán)產(chǎn)生重要影響[7]。氣候變化導(dǎo)致我國(guó)各地水資源的時(shí)空格局發(fā)生了顯著的變化，這將對(duì)水利工程的設(shè)計(jì)規(guī)劃及建設(shè)帶來(lái)重大影響；如何在氣候變化的條件下進(jìn)行水資源可持續(xù)開發(fā)利用也成為了當(dāng)下面臨的主要問(wèn)題，與此同時(shí)還將伴隨著相應(yīng)的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。因此氣候變化下的水資源問(wèn)題將是氣候變化影響評(píng)估的重要內(nèi)容[8-12]。

氣候變化對(duì)水文水資源影響的研究方法，已經(jīng)從過(guò)去的采用假定氣候變化值，或由GCMs輸出大氣CO2濃度加倍達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的氣候情景值，并由此構(gòu)建的氣候平均態(tài)變化驅(qū)動(dòng)水文模型，發(fā)展到IPCC第三、四次評(píng)估報(bào)告期間開始采用的SRES排放情景和眾多氣候模型來(lái)研究。在氣候變化研究中，各個(gè)模式對(duì)不同地區(qū)的模擬效果不盡相同，單一GCM的模擬預(yù)測(cè)值輸入到水文模型中，會(huì)引起徑流雜亂無(wú)章的變化[13-14]。許多研究證明，多個(gè)模式的平均效果優(yōu)于單個(gè)模式的效果。近年來(lái)，為減少氣候模型對(duì)降水模擬的不確定性，開始采用多個(gè)氣候模型集合平均的方法[15]。KUMAR等[16]利用超級(jí)集合方法對(duì)颶風(fēng)的路徑和強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)報(bào)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)超級(jí)集合預(yù)報(bào)效果優(yōu)于單個(gè)模式和多模式集合平均；CARTWRIGHT等[17]集合9個(gè)模式成員，通過(guò)超級(jí)集合預(yù)報(bào)方法對(duì)美國(guó)東南部夏季降水進(jìn)行定量預(yù)報(bào)，應(yīng)用ETS評(píng)分與FAR評(píng)分對(duì)降水量預(yù)報(bào)效果進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)超級(jí)集合預(yù)報(bào)對(duì)降水的定量預(yù)報(bào)評(píng)分優(yōu)于最好的模式成員，也優(yōu)于簡(jiǎn)單的集合平均和消除偏差的集合平均；智協(xié)飛等[18]利用IPCC-AR4的8個(gè)全球氣候系統(tǒng)模式對(duì)20世紀(jì)氣候模擬情景下地面氣溫的模擬結(jié)果，進(jìn)行多模式集成處理，發(fā)現(xiàn)多模式超級(jí)集合方法能有效減小模式回報(bào)的均方根誤差。

漢江上游流域位于東經(jīng)106.0°～112.0°，北緯31.0°～34.3°，流域面積為95 200 km2，約占漢江全流域面積的60%。該流域地處亞熱帶季風(fēng)區(qū)，半濕潤(rùn)氣候，四季分明，降雨量年內(nèi)分配不均，5-10月徑流量占全年75%左右，年際變化較大。漢江流域作為湖北省資源要素最為密集的地區(qū)之一，水資源狀況對(duì)該流域的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)起著舉足輕重的作用，其中丹江口水庫(kù)更是南水北調(diào)中線工程的主要水源地；同時(shí)，該流域的水文循環(huán)過(guò)程對(duì)氣候變化十分敏感。因此漢江上游流域的水文循環(huán)過(guò)程對(duì)未來(lái)氣候變化的響應(yīng)研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文以漢江上游流域?yàn)檠芯繀^(qū)，采用實(shí)測(cè)資料分析了流域水文氣象要素的變化特征，根據(jù)CMIP5輸出結(jié)果，分析了RCP4.5和RCP8.5兩種情景下21世紀(jì)降水、氣溫和徑流量的響應(yīng)過(guò)程。結(jié)果將為漢江上游乃至整個(gè)漢江流域水資源管理提供較為科學(xué)的理論依據(jù)，對(duì)于保障漢江流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展方面具有重要的參考價(jià)值。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

研究中采用了站點(diǎn)觀測(cè)、CMIP5模式輸出的逐月數(shù)據(jù)系列以及流域數(shù)字化資料。

(1)站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)：來(lái)自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，包括丹江口以上13個(gè)氣象站1961-2013年共53 a的逐日氣象要素資料，流域的面平均雨量通過(guò)泰森多邊形法進(jìn)行估算。徑流數(shù)據(jù)為丹江口水庫(kù)同時(shí)期的入庫(kù)月徑流數(shù)據(jù)，由丹江口水利樞紐管理局提供。站點(diǎn)分布如圖1。

圖1 漢江上游流域示意圖

(2)CMIP5模式數(shù)據(jù)：CMIP5氣候模式的21世紀(jì)氣候變化預(yù)估試驗(yàn)包含4種“典型濃度路徑”(Representative Concentration Pathways，RCPs)，分別為RCP2.6/4.5/6.0/8.5。每種情景包括一套溫室氣體、氣溶膠和化學(xué)活性氣體的排放和濃度，以及土地利用/土壤覆蓋的時(shí)間路線[19]。本文選取應(yīng)用廣泛的RCP4.5/8.5路徑。

(3)流域數(shù)字化高程資料：從美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)提供的GTOPO30公共域中獲取，分辨率為500 m × 500 m；土壤空間分布資料來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所土壤數(shù)據(jù)庫(kù)，并按照中國(guó)資源與環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)中土地資源與環(huán)境大類下土壤小類進(jìn)行描述；土地利用空間分布資料來(lái)源于國(guó)家測(cè)繪總局提供的30 m國(guó)家土地覆蓋分幅TIF圖。

1.2 研究方法

(1)趨勢(shì)分析方法。本文采用線性回歸法、Mann-Kendall(M-K)非參數(shù)檢驗(yàn)、滑動(dòng)平均檢驗(yàn)等方法進(jìn)行氣象要素的趨勢(shì)分析。線性回歸法一種根據(jù)因變量和自變量的觀測(cè)數(shù)據(jù)確定他們之間的趨勢(shì)函數(shù)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的方法，主要用于確定兩個(gè)變量之間的相關(guān)關(guān)系；Mann-Kendall(M-K)趨勢(shì)檢驗(yàn)法常用于分析降水、徑流、氣溫等要素時(shí)間序列的趨勢(shì)變化，其優(yōu)點(diǎn)在于樣本不需要遵循某一特定的分布，而且很少受到異常值的干擾，計(jì)算簡(jiǎn)便[20]；滑動(dòng)平均法主要是用于消除干擾，顯示序列的趨勢(shì)性變化，并用于預(yù)測(cè)趨勢(shì)。

(2)水文模型。本文采用的水文模型是分布式時(shí)變?cè)鲆婺Ｐ汀狣TVGM。DTVGM模型是將夏軍等[21]提出的集總式TVGM水文非線性系統(tǒng)模擬通過(guò)DEM/GIS平臺(tái)，推廣到流域水文時(shí)空變化模擬的分布式水文模型[22]。DTVGM是一個(gè)基于系統(tǒng)論的黑箱模型，參數(shù)較少，模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但適應(yīng)性比較強(qiáng)。該模型能夠建立土地利用/覆被變化與水文系統(tǒng)產(chǎn)流之間的影響關(guān)系，既有分布式水文概念性模擬的特征，又具有水文系統(tǒng)分析適應(yīng)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在很多流域得到了應(yīng)用和驗(yàn)證[23-25]。本文采用的是DTVGM月尺度模型。月尺度模型是在空間上將整個(gè)流域劃分為多個(gè)子流域，應(yīng)用改進(jìn)的Bagrov模型估算不同土地利用類型的蒸散發(fā)，并利用模型設(shè)置的參數(shù)表述人類活動(dòng)(水土保持工程及水庫(kù)調(diào)蓄等)的水文響應(yīng)特征[26]。

(3)評(píng)價(jià)指標(biāo)。本文采用Nash-Sutcliffe效率系數(shù)(簡(jiǎn)稱Nash效率系數(shù))、相關(guān)系數(shù)和相對(duì)誤差3個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)模型在研究區(qū)的適應(yīng)性。一般而言，Nash效率系數(shù)越大，相關(guān)系數(shù)越高，表明模擬效率越好。如果該值<0，說(shuō)明模型模擬值比實(shí)測(cè)值可信度更低，通常取該值>0.5作為徑流模擬效率的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2 漢江上游流域水文氣象要素變化情勢(shì)

2.1 降水變化趨勢(shì)分析

從漢江上游流域年降水量變化趨勢(shì)和五年滑動(dòng)平均過(guò)程(圖2)可以看出，漢江上游流域多年平均年降水量呈遞減趨勢(shì)，變化率大致為-1.05 mm/a，從其M-K檢驗(yàn)表(表1)可以看出，其變化趨勢(shì)為-0.73，年降水量沒(méi)有通過(guò)置信度90%的顯著性檢驗(yàn)，不存在明顯的上升趨勢(shì)或者下降趨勢(shì)。綜合來(lái)看漢江上游流域的年降水量呈下降趨勢(shì)，但并不明顯,也不存在明顯的突變點(diǎn)。

圖2 漢江上游流域降水量變化趨勢(shì)

表1 漢江上游流域年降水量、氣溫和天然徑流量M-K檢驗(yàn)

從表2可以看出漢江上游流域20世紀(jì)60年代、80年代以及21世紀(jì)初的年平均降水量多于多年平均，其中60年代和80年代為明顯的豐水年，距平百分率分別達(dá)到了6.89%和8.22%；20世紀(jì)70年代和90年代的年平均降水量距平百分率為-5.70%和-10.97%,說(shuō)明這兩個(gè)時(shí)段流域處于枯水期。

表2 漢江上游流域年降水量、氣溫和天然徑流量年代特征統(tǒng)計(jì)表

2.2 氣溫變化趨勢(shì)分析

從漢江上游流域氣溫變化趨勢(shì)和五年滑動(dòng)平均過(guò)程(圖3)可以看出，流域氣溫呈上升趨勢(shì)，變化率大致為0.01 ℃/a。從M-K檢驗(yàn)(表1)可以看出，其變化趨勢(shì)為2.06，通過(guò)了置信度95%的顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明漢江上游流域氣溫增加趨勢(shì)明顯，但不存在明顯的突變點(diǎn)。

從表2可以看出漢江上游流域的平均氣溫僅在20世紀(jì)60年代和80年代低于多年平均值，分別比多年平均值少0.14 ℃和0.33 ℃，在其余時(shí)期氣溫都高于多年平均值，其中氣溫最高的是2000s，比多年平均氣溫高0.3 ℃。

2.3 徑流變化趨勢(shì)分析

從漢江上游流域年徑流量變化趨勢(shì)和五年滑動(dòng)平均過(guò)程(圖4)可以看出，漢江上游流域徑流量呈下降趨勢(shì)，變化率大致為-1.87 億m3/a。從M-K檢驗(yàn)可以看出，其變化趨勢(shì)為-1.42，通過(guò)了置信度90%的顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明漢江上游流域徑流量減少趨勢(shì)明顯，但不存在明顯的突變點(diǎn)。

從表2可以看出，漢江上游流域的年平均徑流量?jī)H在20世紀(jì)60年代和80年代超過(guò)多年平均值，分別為增加了12.34%和22.20%；在1990s徑流量減少明顯，減少了23.81%。

圖3 漢江上游流域氣溫變化趨勢(shì)

圖4 漢江上游流域徑流量變化趨勢(shì)

3 DTVGM模型在漢江上游流域徑流模擬中的適用性研究

本研究中，1961-1990年為率定期，1991-2013年為檢驗(yàn)期。模擬期和檢驗(yàn)期的評(píng)價(jià)結(jié)果如表3和圖5所示?？梢钥闯隼肈TVGM模型模擬該地區(qū)的月尺度徑流過(guò)程，在模擬期的Nash效率系數(shù)可以達(dá)到0.83，檢驗(yàn)期可以達(dá)到0.86，水量平衡相對(duì)誤差在模擬期僅有11.8%，在檢驗(yàn)期僅有5.0%，相關(guān)系數(shù)在模擬期和檢驗(yàn)期都達(dá)到了0.85。此結(jié)果表明，利用DTVGM模擬漢江上游流域的月尺度徑流過(guò)程是可行的，可以利用該模型對(duì)該流域進(jìn)行研究。這為漢江上游流域水資源對(duì)氣候變化的響應(yīng)研究奠定了基礎(chǔ)。

表3 漢江上游流域1961-1990年模擬檢驗(yàn)期徑流評(píng)價(jià)

4 漢江上游流域水資源對(duì)未來(lái)氣候變化的響應(yīng)

根據(jù)第5次耦合模式比較計(jì)劃(CMIP5)多模式集合平均提供的數(shù)據(jù)，選取1971-2000年作為氣候基準(zhǔn)期，分析漢江上游流域未來(lái)降水、氣溫的變化。然后將上述多模式集合平均提供的數(shù)據(jù)輸入到DTVGM模型中，模擬RCP4.5和RCP8.5情景下漢江上游流域2011-2099年的水文循環(huán)響應(yīng)過(guò)程。為了便于分析，將2011-2099年劃分為2020s(2011-2040年)、2050s(2041-2070年)和2080s(2071-2099年)三個(gè)時(shí)期，對(duì)各年代的降水、氣溫和徑流的年際變化、年代際變化和年內(nèi)變化進(jìn)行比較分析。

圖5 漢江上游流域1961-2013年模擬檢驗(yàn)期年徑流量模擬與實(shí)測(cè)比較

4.1 未來(lái)降水變化

RCP4.5和RCP8.5情景下漢江上游流域2011-2099年降水量變化如圖6所示。由圖6可知，在這兩種氣候情景下的降水量變化趨勢(shì)并不一致。RCP4.5情景下，降水量隨時(shí)間呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；而在RCP8.5情景下，降水量隨時(shí)間呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；但是這兩種情景下降水量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)并不明顯，變化率分別約為0.05和-0.02，說(shuō)明未來(lái)年代的降水量基本保持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍。

圖6 漢江上游流域年降水量變化趨勢(shì)

從未來(lái)各年代平均降水量相對(duì)基準(zhǔn)期的變化(表4)中看出，兩種情景下的降水量都相較基準(zhǔn)期主要呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。由表5可知，RCP4.5和RCP8.5情景下年平均降水量在2020s分別較基準(zhǔn)期上升5.09%和1.99%；在2050s分別較基準(zhǔn)期增加3.78%和10.50%；在2080s，RCP4.5情景下的降水量依然呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，增加量為9.85%，但在RCP8.5情景下，降水量呈現(xiàn)小幅減少趨勢(shì)，減少量為-0.91%。在2020s和2080s RCP4.5情景下的降水量增幅都遠(yuǎn)超RCP8.5情景，但在2050s，RCP8.5降水量增幅顯著，大大超過(guò)RCP4.5情景。根據(jù)上述分析可知，在未來(lái)2011-2099年RCP4.5和RCP8.5情景下的降水量都較基準(zhǔn)期有所上升，且不隨著時(shí)間發(fā)生顯著變化。

4.2 未來(lái)氣溫變化

RCP4.5和RCP8.5情景下漢江上游流域2011-2099年平均氣溫變化如圖7所示。可以看出在兩種氣候情景下，未來(lái)年平均氣溫較基準(zhǔn)期以及隨著時(shí)間變化呈現(xiàn)顯著的上升趨勢(shì)。兩種情景下的年增幅分別為0.011 ℃/a和0.013 ℃/a。由表5可知，在2020s，RCP4.5和RCP8.5情景下年平均氣溫相較基準(zhǔn)期的增幅分別為4.91%和4.23%；在2050s分別較基準(zhǔn)期增加9.02%和6.99%；在2080s分別較基準(zhǔn)期增加9.90%和9.65%。由此可見兩種氣候情景下的未來(lái)年平均氣溫較基準(zhǔn)年的變化比較一致，但是同一時(shí)段，RCP4.5情景下的氣溫增幅普遍大于RCP8.5；且兩種氣候情景下均在2080s達(dá)到最大增幅。

表4 氣候變化情景下未來(lái)各年代水文循環(huán)要素相對(duì)基準(zhǔn)期的變化 %

表5 氣候變化情景下未來(lái)各時(shí)期水文循環(huán)要素相對(duì)基準(zhǔn)期的變化 %

4.3 未來(lái)徑流量變化

RCP4.5和RCP8.5情景下漢江上游流域2011-2099年徑流量變化如圖8所示?？梢钥闯鲈趦煞N氣候情景下，未來(lái)年徑流量都呈現(xiàn)出隨時(shí)間的增加趨勢(shì)。兩種氣候情景下的年增加率分別為0.12%和0.14%。

圖7 漢江上游流域氣溫變化趨勢(shì)

圖8 漢江上游流域年徑流量變化趨勢(shì)

從未來(lái)各年代徑流量相對(duì)基準(zhǔn)期的變化(表4)中看出，RCP4.5和RCP8.5情景下各年代的徑流量總體較基準(zhǔn)期呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。由表5可知，在2020s RCP4.5和RCP8.5情景下年徑流量較基準(zhǔn)期分別減少16.24%和18.72%；在2050s分別較基準(zhǔn)期減少21.54%和2.92%；在2080s分別較基準(zhǔn)期減少8.62%和12.84%。又由表4可知，在RCP4.5情景下，2021-2030年的多年平均徑流量減少最明顯，減少量為29.29%；在RCP8.5情景下，2031-2040年的多年平均徑流量減少最明顯，減少量為30.73%；總體而言，RCP4.5情景下的徑流量普遍低于RCP.8.5情景。

根據(jù)上述分析，可知，在RCP4.5和RCP8.5情景下，漢江上游流域2011-2099年的年降水量變化不明顯，年平均氣溫增加顯著，年徑流量較基準(zhǔn)值有所下降，但隨時(shí)間呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；年平均氣溫隨時(shí)間變化的趨勢(shì)與年徑流量一致。

5 總結(jié)與討論

本文針對(duì)漢江上游流域，采用1961-2013年實(shí)測(cè)資料分析了流域水文氣象要素的變化特征，發(fā)現(xiàn)該流域年降水量變化趨勢(shì)不明顯，呈現(xiàn)小幅下降趨勢(shì)；氣溫上升趨勢(shì)顯著；年徑流量下降趨勢(shì)顯著；20世紀(jì)60年代和80年代為豐水期，70年代和90年代為枯水期。根據(jù)CMIP5的多模式集合平均的數(shù)據(jù)結(jié)果以及DTVGM分布式水文模型模擬結(jié)果，分析了RCP4.5和RCP8.5情景下漢江上游流域21世紀(jì)降水、氣溫和徑流的響應(yīng)過(guò)程，得到以下結(jié)論：

(1)RCP4.5和RCP8.5情景下漢江上游流域未來(lái)2011-2099年降水量較基準(zhǔn)期呈上升趨勢(shì)，但隨時(shí)間變化趨勢(shì)不明顯；氣溫較基準(zhǔn)期隨時(shí)間顯著上升；年徑流量較基準(zhǔn)期減少，但隨時(shí)間呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

(2)RCP4.5和RCP8.5情景下氣溫變化和徑流量變化一致。RCP4.5情景下氣溫高于RCP8.5情景，但徑流量少于RCP8.5，原因可能是氣溫較高時(shí)，蒸發(fā)量較大，從而導(dǎo)致徑流量減少?？傮w來(lái)看氣溫與徑流量都隨時(shí)間呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，降水量隨時(shí)間變化雖然不顯著，但是較基準(zhǔn)期都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，說(shuō)明漢江上游流域水文過(guò)程對(duì)氣候過(guò)程具有顯著的響應(yīng)關(guān)系，且氣溫對(duì)于水文過(guò)程的影響更加明顯。

(3)漢江上游流域21世紀(jì)徑流量較基準(zhǔn)期減少，雖然隨時(shí)間在緩慢增加，但到21世紀(jì)末都沒(méi)有恢復(fù)到基準(zhǔn)期的水平，說(shuō)明該流域水資源在21世紀(jì)將出現(xiàn)減少。

本文采用了多模式集合平均的方法來(lái)提高氣候模式的精度，但由于氣候系統(tǒng)的復(fù)雜性以及各種氣候情景本身就存在著巨大的不確定性，預(yù)測(cè)未來(lái)氣候變化依然十分困難，這增加了研究氣候變化對(duì)水文循環(huán)過(guò)程影響的難度。此外本文僅僅研究了漢江上游流域水文循環(huán)過(guò)程對(duì)未來(lái)氣候變化中的降水和氣溫變化的響應(yīng)，沒(méi)有考慮蒸發(fā)、日照、相對(duì)濕度等其他氣候要素的變化，水文模型中也沒(méi)有考慮下墊面的變化對(duì)未來(lái)徑流的影響，同時(shí)也忽略了人類活動(dòng)產(chǎn)生的影響，這些都需要在日后的研究中進(jìn)行深入的探討和研究。