淺析氣候變化對(duì)現(xiàn)代水文學(xué)的影響

摘要：近年來(lái)極端氣候出現(xiàn)的高頻率引發(fā)了大眾對(duì)氣候變化的高度關(guān)注，本文從氣候變化對(duì)水文系統(tǒng)的影響和建立大氣環(huán)流模型與水文模型等方面進(jìn)行探討，研究了建立基于GCMs的水文模型。

關(guān)鍵詞：氣候變化 水文學(xué) 模型

近些年來(lái)，隨著極端氣候出現(xiàn)的頻率越來(lái)越高，氣候變化問(wèn)題已經(jīng)成為世界各國(guó)及社會(huì)公眾最普遍關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題之一。由于自然循環(huán)和地球氣候系統(tǒng)的擾動(dòng)，引起水分循環(huán)的變化，從而引起水資源在時(shí)空上的重新分布以及水資源數(shù)量的改變，最終對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與世界各國(guó)的發(fā)展產(chǎn)生深刻的影響。研究氣候變化問(wèn)題不但對(duì)氣候?qū)λ南到y(tǒng)的影響和建立大氣環(huán)流模型與水文模型的耦合有幫助，而且對(duì)未來(lái)水資源系統(tǒng)的運(yùn)行管理、開(kāi)發(fā)利用及規(guī)劃設(shè)計(jì)具有重要意義。

1 氣候變化對(duì)水文學(xué)的影響分析

通過(guò)降水變化和溫度兩個(gè)要素對(duì)各主要水文要素產(chǎn)生影響，氣候變化主要是依靠這兩個(gè)方面來(lái)影響至區(qū)域水文系統(tǒng)。

1.1 降水。降水是一切水資源的總來(lái)源。由此便會(huì)引發(fā)部分地區(qū)發(fā)生暴雨和干旱，從而導(dǎo)致蒸發(fā)和降水的增加，氣溫的升高會(huì)導(dǎo)致水文循環(huán)愈加激烈。

1.2 蒸發(fā)。實(shí)際情況下，蒸發(fā)還受其它因素的影響。通常情況下，當(dāng)其它條件沒(méi)有太大變化，氣溫升高將導(dǎo)致區(qū)域潛在蒸發(fā)增加。

1.3 徑流。徑流是氣候變化中水文水資源系統(tǒng)響應(yīng)研究的重點(diǎn)。

1.4 土壤水分。在氣候變化下，含量受到影響而改變現(xiàn)有的時(shí)空分布規(guī)律，土壤水分影響著區(qū)域蒸發(fā)和徑流的形成，在溫帶地區(qū)，降水變化對(duì)土壤水分的影響相對(duì)較小。氣候變化下，土壤水分的響應(yīng)程度低于徑流的響應(yīng)程度。土壤水分的變化百分率比降水的變化百分率更大，但大多是集中于干旱流域。

氣候變化對(duì)水文系統(tǒng)有非常大的影響，而在傳統(tǒng)研究水文學(xué)時(shí)，僅僅是從降水開(kāi)始以后加入研究，到流域出口斷面；同樣氣象學(xué)家的研究對(duì)象也是到降水時(shí)止。這樣便割裂了水的循環(huán)，忽視了氣候-水文之間的相互作用。決定氣候變化因子不僅僅是大氣內(nèi)部的過(guò)程，還有各種物理化學(xué)過(guò)程，包括下邊界（陸地水文- 生態(tài)、海洋系統(tǒng)）和大氣上邊界（太陽(yáng)行星系統(tǒng)）等等。

正確認(rèn)識(shí)氣候-水文的相互作用，對(duì)我們進(jìn)行水文設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)利用和運(yùn)行管理有重大意義。以往在陸地水文循環(huán)與氣候系統(tǒng)間存在一個(gè)誤區(qū)，這就是氣候?qū)W者較少研究流域水文循環(huán)動(dòng)力機(jī)制與反饋?zhàn)饔茫瑲夂? 天氣過(guò)程研究?jī)H僅到降水為止，把陸地水文過(guò)程看作是靜態(tài)的，水利（水資源） 工程設(shè)計(jì)：要求的水文計(jì)算，未來(lái)被看作是過(guò)去的重復(fù)或外延。這種假定值得商榷。都是以幾十年-幾百年時(shí)間尺度的水文過(guò)程穩(wěn)定不變?yōu)榍疤帷?/p>

下面以長(zhǎng)江中下游地區(qū)為例，簡(jiǎn)要說(shuō)明流域洪水頻率的變化。

南京下關(guān)水文站自1912年到1991年70年水位資料中（缺失1938-1946年資料），其中9.0m以上水位在1940年以前只有一次，1941年到1960年二十年間有2次，而1960-1991年三十年來(lái)已發(fā)生7次。

如果根據(jù)1912年至1991年70年最高水位資料分成一段及三段分別推算各段水位出現(xiàn)頻率，結(jié)果見(jiàn)下表。

由此可見(jiàn)，近年最高水位的統(tǒng)計(jì)特性有顯著的變化，最高水位的出現(xiàn)也越來(lái)越頻繁。盡管流域的下墊面條件發(fā)生很大改變是呈現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因之一，但是近年來(lái)溫度的升高無(wú)疑也是影響水位變化的重要因素，而且這種影響會(huì)越來(lái)越顯著。

據(jù)有專家分析，長(zhǎng)江中下游地區(qū)在21世紀(jì)中后期由于受到溫室效應(yīng)影響，氣溫在各種排放情景下都將持續(xù)增加，其中21世紀(jì)中期的年平均溫度將增加1.8-2.8℃，到21世紀(jì)末，增加值會(huì)達(dá)到3.1℃-4.3℃。氣溫的升高使得降水量也顯著增加。陳玲飛，王紅亞在《中國(guó)小流域徑流對(duì)氣候變化的敏感性分析》中根據(jù)模型計(jì)算得到，長(zhǎng)江中下游地區(qū)氣溫每升高1℃、2℃，降水量增加4.1%、8.4%。

2 建立基于GCMs的流域水文模型

在全球氣候變暖的大背景條件下，全球的降水量分布必然發(fā)生改變，有些地區(qū)降水量增加，有些地區(qū)降水量減少，因此建立研究可靠穩(wěn)定的氣象/水文模型將是未來(lái)水文學(xué)發(fā)展的前沿。

在水文設(shè)計(jì)中，一般根據(jù)水文資料來(lái)建立適合本流域的水文模型，然后根據(jù)設(shè)計(jì)情況的降水來(lái)推求洪水過(guò)程，繼而對(duì)本流域提出相應(yīng)的對(duì)策措施。同樣，水文氣象模型的建立也可以遵循這樣幾個(gè)步驟：其中水文模型的建立與未來(lái)氣候變化情景的生成是關(guān)鍵。

2.1 設(shè)計(jì)或選定未來(lái)氣候變化情景。

2.2 計(jì)算分析區(qū)域水文循環(huán)過(guò)程及水文變量，以選定的未來(lái)氣候變化情景作為模型輸入。

2.3 選擇、建立及驗(yàn)證流域水文模型。

2.4 根據(jù)水文水資源的變化規(guī)律和影響程度，評(píng)價(jià)氣候變化對(duì)水文水資源的影響，提出相適應(yīng)的對(duì)策和措施。

目前，生成未來(lái)氣候變化情景的方法有任意情景設(shè)置、長(zhǎng)系列水文氣象資料的統(tǒng)計(jì)相關(guān)法和基于GCMs 輸出等3種基本方法。選擇和使用區(qū)域水文模型來(lái)評(píng)價(jià)氣候變化對(duì)水文水資源的影響時(shí)，應(yīng)考慮下列幾個(gè)因素：模型的內(nèi)在精度；模型率定和參數(shù)變化；現(xiàn)有的資料及其精度；模型的通用性和適用性；以及與GCMs的兼容性。目前，用于估算區(qū)域水文水資源對(duì)氣候變化響應(yīng)的水文模型主要有以下三大類：經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型、概念性水文模型、分布式水文模型。

3 存在問(wèn)題

基于GCMs的水文模型，存在以下不足：①研究?jī)?nèi)容主要集中在氣候變化對(duì)流域徑流平均變化的影響上，而有關(guān)氣候變化對(duì)水文極端事件的影響研究相對(duì)薄弱。②GCMs的輸出結(jié)果和水文模型耦合的研究法存在不足。主要存在由陸面水溫的降水與徑流過(guò)程都存在很強(qiáng)的次網(wǎng)格不均勻性產(chǎn)生的精度問(wèn)題，已經(jīng)缺乏對(duì)水文物理過(guò)程和大氣系統(tǒng)內(nèi)部變化等的深刻認(rèn)識(shí)，氣候情景的生成、水文模型的結(jié)構(gòu)以及GCMs與水文模型在不同時(shí)空尺度的轉(zhuǎn)化等方面的不確定性因素而引發(fā)的不確定性問(wèn)題。③模型的單向性問(wèn)題，此氣候模型輸出的產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)流域水文模型，水文模型給出水文要素變化，而模型輸入僅僅只有生成的氣候情境，是一種被動(dòng)式接受的反響型模型，此法并未體現(xiàn)水文過(guò)程-大氣相互作用互為反饋的功能，缺乏真正的水文模型與氣候模型的耦合研究。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)和觀測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)全球氣候和區(qū)域氣候的研究更深入，通過(guò)新模型的建立和預(yù)測(cè)，氣候變化對(duì)水文學(xué)的影響研究更加完善。

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作者簡(jiǎn)介：羅細(xì)兵（1982-），男，湖北大冶人，助理工程師，碩士學(xué)位，主要從事教學(xué)工作。