王國慶 ，喬翠平，劉銘璐, ，杜付然，葉騰飛，王 婕

(1. 南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029；2. 水利部應(yīng)對(duì)氣候變化研究中心 江蘇 南京 210029；3. 華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046；4. 河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；5. 河南省水文水資源局，河南 鄭州 450003；6. 云南省水文水資源局普洱分局， 云南 普洱 665099)

2013年聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）第一工作組發(fā)布的第5次評(píng)估報(bào)告指出：1880—2012年全球表面氣溫大約上升了0.85 ℃，1983—2012年是過去1 400 a來最熱的30 a；就全球陸地而言，降水沒有明顯增加或減少趨勢(shì)，但區(qū)域性（如北半球中緯度陸地）降水略微增多[1]。全球氣候變暖可以加速區(qū)域水文循環(huán)，進(jìn)而對(duì)江河徑流、區(qū)域水資源、陸地生態(tài)等多個(gè)方面產(chǎn)生影響[2-3]?？茖W(xué)預(yù)估未來氣候變化下的水資源情勢(shì)，不僅是水資源開發(fā)利用的基礎(chǔ)工作，而且對(duì)防洪抗旱減災(zāi)和保障區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有重要意義[4]。

采用全球氣候模式模擬未來氣候情景，是研究未來氣候變化趨勢(shì)的重要途徑[5-6]。例如，史瑞琴等基于CSIRO氣候模式的預(yù)估結(jié)果，分析了我國華中地區(qū)在2030年前后氣溫、降水的變化趨勢(shì)[7]；曾小凡等采用ECHAM5模式的預(yù)估結(jié)果，研究了我國北方江河的未來氣候變化，發(fā)現(xiàn)松花江流域未來氣溫升高幅度遠(yuǎn)高于南方江河[8]。從目前研究結(jié)果來看，幾乎所有氣候模式對(duì)氣溫的預(yù)估結(jié)果都是一致的，全球大多數(shù)地區(qū)未來的氣溫均呈現(xiàn)升溫趨勢(shì)，但同時(shí)發(fā)現(xiàn)，氣候模式對(duì)降水預(yù)估結(jié)果的不確定性較大[5-8]。

采用氣候情景驅(qū)動(dòng)流域水文模型是評(píng)估氣候變化對(duì)水資源影響的重要途徑[9-10]，Labat等基于假定氣候情景對(duì)全球各大洲徑流量模擬發(fā)現(xiàn)，溫度每升高1 ℃，徑流量約減少4%[11]；金君良等采用VIC模型研究了海河流域未來水資源趨勢(shì)，結(jié)果表明，未來（2021—2050年）氣候變化下海河流域水資源呈略微增加趨勢(shì)，其中，北部水資源增加相對(duì)較多[12]。未來氣候變化及其影響將對(duì)流域水資源管理帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

黃河氣候干旱，水資源短缺，以全國約2%的水資源量支撐了全國約13%的耕地和糧食以及近1/4的煤炭資源，未來黃河水資源的多寡將對(duì)流域乃至全國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生重大影響。本研究基于7個(gè)氣候模式的預(yù)估結(jié)果，評(píng)估了RCPs（Representative Concentration Pathways, RCPs）情景下黃河流域氣候變化趨勢(shì)及其對(duì)水資源的影響。

1 資料與方法

1.1 流域概況及資料來源

黃河是我國第二大河，發(fā)源于青藏高原巴顏喀拉山北麓，河流跨越青藏高原、黃土高原和黃淮海平原，在山東利津附近入海，干流全長(zhǎng)5 464 km，流域面積79.5×104km2。綜合考慮站點(diǎn)空間分布、資料系列長(zhǎng)度等因素，在黃河流域選取了310個(gè)氣象站（含202個(gè)雨量站）?；诹饔虻孛病⑺募皻夂虻膮^(qū)域性特征，在黃河干、支流選取了20個(gè)水文站，收集了上述站點(diǎn)1955—2015年的逐月水文及氣候要素資料，其中，108個(gè)基礎(chǔ)氣象站點(diǎn)資料來源于中國氣象局，202個(gè)雨量站點(diǎn)資料和20個(gè)水文站點(diǎn)資料來源于黃河水利委員會(huì)。為開展分布式水文模擬，將黃河流域劃分為分辨率為0.5°的正交網(wǎng)格，采用反距離平方插值方法將氣象站點(diǎn)的實(shí)測(cè)氣象資料內(nèi)插到每個(gè)網(wǎng)格。已有研究結(jié)果表明，自20世紀(jì)70年代以來，黃河流域人類活動(dòng)對(duì)河川徑流影響顯著[3,9]。因此，本研究采用1970年之前的水文氣象資料進(jìn)行流域水文模型的參數(shù)率定及模型檢驗(yàn)。圖1給出了黃河流域水系、氣象站點(diǎn)、子流域及干流水文站點(diǎn)分布情況。

圖 1 黃河流域水系及氣象站點(diǎn)和水文站點(diǎn)分布示意Fig. 1 River system and locations of the meteorological stations and hydrometric stations in the Yellow River basin

表 1 本研究采用的7個(gè)氣候模式基本信息Tab. 1 Basic information of 7 CMIP5 GCMs used in this study

世界氣候研究計(jì)劃（World Climate Research Programme，WCRP）的全球耦合模式工作組（Working Group on Coupled Modelling, WGCM）在第5階段的耦合模式對(duì)比計(jì)劃（Coupled Model Intercomparison Project Phase 5, CMIP5）中發(fā)布了數(shù)十個(gè)氣候模式情景資料（http://cmip-pcmdi.llnl.gov/cmip5/），數(shù)據(jù)序列時(shí)間長(zhǎng)度為1901—2100年?；谌驓夂蚰Ｊ降臍v史氣候模擬結(jié)果，水文氣象學(xué)者開展了CMIP模式對(duì)不同區(qū)域的歷史氣候模擬能力研究[6,13]。氣候模式對(duì)不同區(qū)域的模擬能力存在差異，基于上述已有的研究結(jié)果，選用了7個(gè)在中國區(qū)域具有相對(duì)較好適宜性的CMIP全球氣候模式（表1），這些模式的降尺度氣候情景資料由中國國家氣候中心提供，氣候情景空間分辨率為0.5°。重點(diǎn)分析了3種溫室氣體排放情景下（RCP2.6，RCP4.5和RCP8.5）的氣候變化趨勢(shì)：其中，RCP8.5指的是由于溫室氣體（CO2）濃度增加，到2100年輻射強(qiáng)度達(dá)到或超過8.5 w/m2下的氣候情景，該情景下21世紀(jì)末全球升溫幅度將可能達(dá)到4.6～10.3 ℃，是一種溫室氣體高排放下的氣候情景；相應(yīng)的RCP2.6，RCP4.5分別代表了低排放和中等排放下的氣候情景。

1.2 RCCC-WBM水量平衡模型

選用水利部應(yīng)對(duì)氣候變化研究中心研發(fā)的RCCC-WBM水量平衡模型（Water Balance Model developed by Research Center for Climate Change, RCCC-WBM）模擬流域的水文過程。該模型以月為時(shí)間尺度，輸入變量包括：流域（格點(diǎn)）逐月降水、水面蒸發(fā)和氣溫系列，輸變量包括地面徑流、地下徑流和融雪徑流3種成分。模型假設(shè)地表徑流與土壤含水量和降水量線性相關(guān)，融雪徑流與標(biāo)準(zhǔn)化氣溫具有指數(shù)型關(guān)系，地下徑流按土壤需水量線性水庫出流計(jì)算。由于模型計(jì)算時(shí)段較長(zhǎng)（月），水庫運(yùn)行調(diào)度對(duì)月流量過程的影響相對(duì)較小，因此，模型結(jié)構(gòu)中沒有設(shè)計(jì)水庫運(yùn)行調(diào)度模塊。模型有4個(gè)參數(shù)需要率定，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、參數(shù)少、易于率定等優(yōu)點(diǎn)[14]。對(duì)于較小尺度流域，該模型可以根據(jù)流域平均氣象要素進(jìn)行水文過程的集總式模擬；對(duì)于中、大尺度流域，該模型可基于研究流域的網(wǎng)格劃分，進(jìn)行水文過程的分布式模擬[15-16]。選用Nash-Sutcliffe模型效率系數(shù)fNSE和模擬總量相對(duì)誤差eRE為目標(biāo)函數(shù)，采用Rosenbroke和手工參數(shù)調(diào)試相結(jié)合的方法進(jìn)行模型參數(shù)優(yōu)化率定[17]。

2 結(jié)果與討論

2.1 黃河流域水文過程模擬

選取1955—1965年為率定期進(jìn)行RCCC-WBM模型的參數(shù)率定，以1966—1969年為驗(yàn)證期檢驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M效果。表2給出了所選水文站點(diǎn)的徑流模擬效果。由表2可見，該模型對(duì)黃河干、支流水文站的月徑流量過程具有較好的模擬效果，可用來模擬未來氣候變化情景下的流域水文情勢(shì)。

表 2 黃河流域典型子流域基本信息及1955—1969年徑流模擬效果Tab. 2 Basic information of typical catchments of the Yellow River and runoff simulation results for 1955-1969

2.2 黃河流域未來氣候變化趨勢(shì)

基于7個(gè)全球氣候模式在3種排放情景下的氣候情景數(shù)據(jù)，以1961—1990年為基準(zhǔn)期，分析2021—2050年黃河流域氣溫、降水的變化。

2.2.1 氣溫、降水的年代際變化 圖2和圖3分別給出了3種排放情景下（RCP2.6，RCP4.5及RCP8.5）黃河流域未來不同時(shí)期氣溫和降水變化的四分位分析結(jié)果。圖中，上端藍(lán)線和底端綠線分別表示最大值和最小值，中間紫色十字線代表中值，方框上、下邊分別代表分位數(shù)75%和25%的值，下同。

圖 2 3種排放情景下未來不同時(shí)期黃河流域氣溫較基準(zhǔn)期的變化Fig. 2 Changes in temperature over the Yellow River basin of the decades during 2021-2050 relative to the baseline of 1961-1990 under the three RCP scenarios

圖 3 3種排放情景下未來不同時(shí)期黃河流域降水較基準(zhǔn)期的變化Fig. 3 Changes in precipitation over the Yellow River basin of the decades during 2021-2050 relative to the baseline of 1961-1990 under the three RCP scenarios

由圖2可見：①在RCP2.6排放情景下，2021—2030年、2031—2040年和2041—2050年3個(gè)時(shí)段平均升溫分別為 1.27[0.63，1.65]℃，1.56[0.77，2.08]℃ 和 1.62[1.21，2.03]℃，平均線性升溫速率為 0.24 ℃/（10 a）；同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，在這種低排放情景下，盡管未來30 a氣溫將繼續(xù)保持上升趨勢(shì)，但有些模式預(yù)估到21世紀(jì)30年代升溫將達(dá)到峰值（2.08 ℃），之后略降并依然持續(xù)高溫。②在RCP4.5排放情景下，未來3個(gè)時(shí)段平均升溫分別為1.21[0.92，1.85]℃，1.64[1.22，2.11]℃和1.90[1.51，2.44]℃，中等排放情景下的升溫幅度總體高于低排放情景下的升溫幅度；特別需指出的是，到21世紀(jì)30年代，個(gè)別氣候模式預(yù)估中國升溫超過2 ℃，到40年代，黃河流域升溫幅度將可能（概率3/7）超過2 ℃閾值。③在RCP8.5排放情景下，2021—2050年期間的3個(gè)10年平均升溫分別為1.57[0.87，2.03]℃，1.89[1.32，2.39]℃和2.34[1.85，3.12]℃，高排放情景下黃河流域升溫幅度明顯高于低排放和中等排放情景下的升溫幅度；到21世紀(jì)30年代，有3個(gè)氣候模式預(yù)估氣溫升高超過2 ℃，而到40年代，黃河流域升溫幅度將可能（概率4/7）超過2 ℃閾值。在中、高排放情景下，黃河流域 2021—2050年的線性升溫率（0.35～0.39 ℃/（10 a））均明顯高于基準(zhǔn)期[13]。

由圖3可以看出：①氣候模式對(duì)降水的預(yù)估結(jié)果不確定性較大；盡管多數(shù)氣候模式預(yù)估不同排放情景下黃河流域以增濕為主，但仍有一些模式預(yù)估黃河未來降水可能減少；其中，MPI模式預(yù)估的結(jié)果對(duì)黃河流域相對(duì)不利，預(yù)估的降水量較基準(zhǔn)期偏少。②在RCP2.6情景下，2021—2050年黃河流域降水量較基準(zhǔn)期可能偏多6.6%[-3.4%，8.3%]，7個(gè)氣候模式中只有GISS模式預(yù)估降水偏少3.4%，其余模式均預(yù)估降水較基準(zhǔn)期偏多，另外，2021—2050年期間的3個(gè)10年降水變化幅度總體接近，在+6.0%左右。③在RCP4.5情景下，黃河流域在2021—2050年期間的降水量較基準(zhǔn)期可能偏多6.0%[-1.7%, 10.4%]，30年的平均降水幅度與RCP2.6情景下的基本接近，但從年代際來看，中等排放情景下降水量具有增加趨勢(shì)，2021—2050年期間的 3個(gè)時(shí)段降水量較基準(zhǔn)期分別增多 3.7% [-2.5%，8.2%]，7.2% [-2.9%，9.9%]和 10.9% [-5.1%，17.9%]。④在RCP8.5情景下未來30年（2021—2050年）降水量較基準(zhǔn)期的變化幅度與其他兩種排放情景下的變化幅度接近，就年代際而言，3個(gè)10年的變幅分別為6.4% [-3.8%，9.0%]，3.8% [-2.4%，11.6%]和8.6% [0.2%，19.2%]；值得注意的是，2031—2040年有6個(gè)氣候模式預(yù)估黃河流域降水較基準(zhǔn)期偏多，在2041—2050年7個(gè)氣候模式均預(yù)估未來降水量增多，根據(jù)IPCC第5次評(píng)估報(bào)告對(duì)不確定性處理的方法，在全球氣候變暖背景下，黃河流域未來將可能或非?？赡茏兣?、變濕。

2.2.2 氣溫、降水變化的空間分布 不同模式對(duì)氣溫預(yù)估的空間分布總體類似，但對(duì)降水變化預(yù)估的空間分布存在一定的差異。圖4和圖5分別給出了在不同排放情景下MPI模式預(yù)估的氣溫、降水變化的空間格局。

圖 4 3種排放情景下黃河流域2021—2050年氣溫較基準(zhǔn)期變化的空間分布Fig. 4 The spatial pattern of temperature changes in 2021-2050 relative to baseline (1961-1990) over the Yellow River basin under the three RCPs scenarios

圖 5 3種排放情景下黃河流域2021—2050年降水量較基準(zhǔn)期變化的空間分布Fig. 5 The spatial pattern of precipitation changes in 2021-2050 relative to baseline (1961-1990) over the Yellow River basin under the three RCPs scenarios

由圖4可以看出：①在3種排放情景下，MPI模式預(yù)估的黃河流域升溫分布格局類似，黃河上游源區(qū)和黃河北部寧蒙灌區(qū)一帶升溫幅度較大，黃河上游中段升溫幅度相對(duì)較小。②在RCP8.5高排放情景下，黃河流域不同區(qū)域的升溫幅度明顯高于RCP2.6和RCP4.5排放情景下的升溫幅度。③在中等排放情景下，只有黃河唐乃亥以上及毛烏素沙漠西部的個(gè)別地區(qū)升溫幅度可能超過2 ℃，但是在RCP8.5情景下，黃河上游上段及下段的大部分地區(qū)升溫幅度超過2 ℃。

由圖5可以看出：①在3種不同排放情景下，MPI模式預(yù)估的黃河流域降水量變化幅度及其空間分布格局存在一定的差異；但同時(shí)可以看出，在低排放RCP2.6情景下和高排放RCP8.5情景下，黃河上游源區(qū)降水量均較基準(zhǔn)期偏多；盡管在中等排放RCP4.5情景下，黃河流域大部分地區(qū)降水量較基準(zhǔn)期偏少，但上游依然存在降水量偏多的地區(qū)，說明在不同排放情景下，黃河上游源區(qū)不僅溫度升高，而且降水量增多的可能性非常大。②黃河中游及下游地區(qū)在中等排放RCP4.5情景和高排放RCP8.5情景下，MPI模式預(yù)估的降水量均較基準(zhǔn)期的減少，這種情勢(shì)可能會(huì)對(duì)黃河中下游的自然生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)及保護(hù)產(chǎn)生一定的不利影響。

2.3 未來氣候變化對(duì)黃河水資源的影響

利用7個(gè)氣候模式在RCP2.6，RCP4.5及RCP8.53種排放情景下進(jìn)行氣候情景驅(qū)動(dòng)率定的水文模型，模擬2021—2050年黃河流域格點(diǎn)徑流量過程，進(jìn)而計(jì)算黃河流域不同區(qū)域未來水資源較基準(zhǔn)期（1961—1990年）的可能變化。圖6給出了基于四分位法分析的黃河流域2021—2050年水資源的變化。

圖 6 3種排放情景下黃河水資源量較基準(zhǔn)期的變化Fig. 6 Changes in runoff in the Yellow River basin of the decades during 2021-2050 relative to the baseline (1961-1990) under the three RCP scenarios

由圖6可以看出：①與氣候模式預(yù)估的降水變化趨勢(shì)類似，未來黃河流域水資源的變化不確定性依然較大，其中，多數(shù)模式在3種排放情景下預(yù)估的黃河流域水資源量將進(jìn)一步減少。②在RCP2.6情景下，1/2以上的氣候模式預(yù)估2021—2030年黃河流域水資源量減少，超過3/4的模式預(yù)估2031—2040年和2041—2050年黃河水資源量進(jìn)一步減少，平均情況下，在2021—2050年水資源量較基準(zhǔn)期（1961—1990年）的可能偏少3.7%[-16.9%，10.7%]。③在RCP4.5情景下，預(yù)估的黃河流域水資源變化趨勢(shì)不確定性更大，預(yù)估水資源量增加或減少的氣候模式各占一半左右，就多模式平均而言，黃河水資源量在2021—2030年、2031—2040年和 2041—2050年分別減少 5.5%[-23.6%，12.5%]，1.5%[-16.9%，8.3%]和0.5%[-25.8%，20.6%]。④在RCP8.5情景下，黃河流域水資源量未來減少的可能性更大，特別是2031—2040年期間，7個(gè)模式均預(yù)估未來水資源量減少；在2021—2030年、2031—2040年和2041—2050年黃河水資源量減少幅度分別為-2.7%[-14.7%，6.5%]，-9.2%[-13.3%，-0.6%]和-3.8%[-18.7%，10.9%]。

盡管未來黃河流域降水可能增多，由于氣溫的顯著升高，模擬的黃河流域未來水資源量可能減小。另外，由水資源變化的模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，不同氣候模式情景下預(yù)估的水資源量變化差別較大，甚至相反；例如，在RCP4.5情景下，有4個(gè)氣候模式預(yù)估黃河流域在2031—2040年的徑流量較基準(zhǔn)期的減小，減小幅度為-16.9%～-0.9%，而其他3個(gè)氣候模式情景下預(yù)估水資源量將增大1.4%～8.3%。因此，不確定性是氣候變化影響評(píng)價(jià)及未來水資源趨勢(shì)預(yù)估需要亟待加強(qiáng)研究的重要方向。

氣候變化對(duì)水資源具有直接的影響。魏潔等基于BCC-CSM1.1情景分析了2011—2050年黃河上游的氣候變化及水資源趨勢(shì)，未來黃河上游氣溫將較基準(zhǔn)期（1971—2010年）升高1.04～1.61 ℃，降水增多4.31%～5.74%；RCP4.5情景下徑流約增加2.6%[18-19]。唐芳芳等基于3個(gè)全球氣候模式對(duì)黃河上游研究認(rèn)為，未來（2046—2065年）水資源可能較基準(zhǔn)期偏少約16%[20]。目前已有研究均認(rèn)為黃河流域未來氣溫將繼續(xù)升高，對(duì)降水的預(yù)估存在較大的不確定性[21]。另外，對(duì)于水資源未來變化分析與選擇的基準(zhǔn)期和未來時(shí)段也密切相關(guān)，不同基準(zhǔn)期的選擇，對(duì)未來水資源變化的分析可能會(huì)出現(xiàn)不同的結(jié)論[19-21]。

3 結(jié) 語

（1）2021—2050年黃河流域氣溫將持續(xù)升高，線性升率約為0.24～0.35 ℃/（10 a），大于黃河流域和全國在基準(zhǔn)期（1961—1990年）的平均線性升率，是全球變暖較為敏感的流域。就空間變化而言，黃河上游和北部地區(qū)升溫幅度相對(duì)較大；在高排放情景下，21世紀(jì)中葉黃河流域平均升溫很可能超過2 ℃閾值。

（2）氣候模式對(duì)降水的預(yù)估結(jié)果不確定性較大；盡管多數(shù)氣候模式預(yù)估不同排放情景下黃河流域以增濕為主，但仍有一些模式預(yù)估黃河流域未來降水可能減少；就多模式平均結(jié)果而言，在RCP4.5情景下降水量總體呈現(xiàn)較為緩慢的增多趨勢(shì)，2021—2050年的不同階段降水量分別增多3.6%，5.8%和7.9%。

（3）受氣溫顯著升高和降水變化影響，未來黃河流域水資源量以減少為主；在RCP2.6，RCP4.5兩種中、低排放情景下，2021—2050年黃河流域水資源量較基準(zhǔn)期的可能偏少2%～4%，在RCP8.5高排放情景下水資源量可能進(jìn)一步減少，減少幅度可能超過-5%。未來氣候變化下黃河流域水資源量的減少將進(jìn)一步加劇流域的水資源供需矛盾，影響流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

致謝：感謝國家氣候中心提供CMIP5模式情景數(shù)據(jù)，感謝徐影教授為本文提出的建設(shè)性建議。