王樹生

(昌圖縣毛家店鎮(zhèn)水利工作站，遼寧 昌圖 112507)

0 引 言

生態(tài)水文循環(huán)在很大程度上受氣候變化和人類活動(dòng)的影響[1-2]。因此，分析氣候變化對(duì)生態(tài)水文學(xué)的影響至關(guān)重要。氣候變化影響著生態(tài)水文的變化，進(jìn)而改變著徑流、蒸散量、地表儲(chǔ)水量和土壤濕度，直接影響著區(qū)域生態(tài)體系。未來的氣候變化，例如溫度、降水和極端天氣的頻率變化，將對(duì)生態(tài)水文過程產(chǎn)生影響。在氣候變化研究中，量化氣候變化對(duì)水文學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)的影響仍是一個(gè)挑戰(zhàn)[3-4]。然而，目前對(duì)氣候變化下的生態(tài)水文可利用性的評(píng)估仍然有限。在氣候變化影響研究中，采用全球氣候模式(GCM)和區(qū)域氣候模型(RCM)作預(yù)測(cè)已被廣泛應(yīng)用。GCM可模擬較長時(shí)段的年或季節(jié)性平均氣候特征。但由于模型的空間分辨率較低，因此難以用于對(duì)區(qū)域氣候影響評(píng)估。通常使用統(tǒng)計(jì)降尺度法來彌補(bǔ)這一不足。通過在GCM和區(qū)域氣候要素之間建立統(tǒng)計(jì)關(guān)系，統(tǒng)計(jì)降尺度模型(SDSM)能很好地預(yù)測(cè)區(qū)域未來的氣候情景變化。為了預(yù)測(cè)西遼河流域未來氣候變化對(duì)生態(tài)水文的影響，本文提出一種將統(tǒng)計(jì)降尺度(SDSM)、生物地球化學(xué)循環(huán)模型(BIOME-BGC)和水文模型(HSPF)耦合的方法，并采用該模型研究在不同排放情景(A2和B2)下，日氣象要素和日徑流量的變化趨勢(shì)以及氣候變化對(duì)水文和生態(tài)系統(tǒng)的影響。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)(N40°05′-N45°13′、E116°16′-E123°35′)位于中國東北地區(qū)，其中部地形較低，是平原的一部分。高程范圍在476～2 150 m之間，總面積為13.6×104km2。該地區(qū)夏季受大陸低洼和南風(fēng)影響，夏季較炎熱潮濕。年平均氣溫約為10℃；年平均降雨量約為390 mm，主要集中于6、7和8月份。森林和灌溉作物是流域的主要植被。森林主要分布在研究區(qū)域的邊緣，灌溉作物位于該區(qū)域的中部。其水流主要來自降水和地下水補(bǔ)給。由于干旱以及人口和家庭用水量的急劇增加，導(dǎo)致河流流量急劇下降，該地區(qū)面臨嚴(yán)重的水資源短缺。

2 數(shù)據(jù)來源

為了產(chǎn)生未來的氣候變化情景，為該研究收集了3種類型的數(shù)據(jù)：①觀測(cè)數(shù)據(jù)；②美國國家環(huán)境預(yù)測(cè)中心(NCEP)重新分析數(shù)據(jù)；③HadCM3輸出數(shù)據(jù)。

采用的6個(gè)氣象站40年(1960-2018年)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來自氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，包括日最高(Tmax)和最低(Tmin)氣溫、降水量(PRCP)和蒸散量(ET)，6個(gè)氣象站分別為西豐、鐵嶺、西風(fēng)、法庫、新民、康平，以上數(shù)據(jù)用于建立SDSM模型。 同時(shí)，本文采用2005-2008年的日徑流觀測(cè)數(shù)據(jù)和小時(shí)氣象數(shù)據(jù)建立HSPF模型，采用鐵嶺水文站(N42°20′,E123°50′)(2005-2008年)的徑流觀測(cè)數(shù)據(jù)率定和驗(yàn)證模型。土壤數(shù)據(jù)來自中國第二次土壤普查數(shù)據(jù)。 DEM數(shù)據(jù)來自美國地質(zhì)勘測(cè)調(diào)查局EROS數(shù)據(jù)中心GTOPO30數(shù)據(jù)。土地利用數(shù)據(jù)采用Landsat TM數(shù)據(jù)，包括6個(gè)時(shí)期(1960、1970、1980、1990、2000和2008年)。月植被信息(植被覆蓋率)采用遙感生態(tài)反演數(shù)據(jù)。海洋/大氣耦合氣候模型(HadCM3)的輸出結(jié)果包含A2(溫室氣體高排放情景)和B2(溫室氣體低排放情景)2種氣候情景，網(wǎng)格大小為2.5°×3.75°[5]。NCEP日尺度重分析數(shù)據(jù)(1961～2010)包括26個(gè)大規(guī)模天氣因子，其從CCIS網(wǎng)站(http://www.cics.uvic.ca/scenarios/index.cgi)下載[6]。

3 研究方法

3.1 統(tǒng)計(jì)降尺度模型

采用HadCM3建立氣候變化情景。采用SDSM模型將1961-2099年HadCM3輸出的日氣象數(shù)據(jù)降尺度到每個(gè)站點(diǎn)。首先，將氣象站的實(shí)測(cè)日最高和最低溫度及降水量作為預(yù)測(cè)值。在SDSM 4.2中，根據(jù)相關(guān)分析結(jié)果以及NCEP再分析數(shù)據(jù)中26個(gè)大氣環(huán)流因子與預(yù)測(cè)值之間的相關(guān)性分析結(jié)果和散點(diǎn)圖，為每個(gè)站點(diǎn)選擇合適的預(yù)測(cè)因子，建立預(yù)測(cè)因子與預(yù)測(cè)變量之間的定量統(tǒng)計(jì)函數(shù)關(guān)系，并采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)SDSM模型進(jìn)行校準(zhǔn)。最后，采用1991年到2000年的日氣象數(shù)據(jù)驗(yàn)證SDSM模型。 HadCM3輸出的1961年至2099年的日時(shí)間序列數(shù)據(jù)作為SDSM模型的輸入，分別在A2和B2情景下為每個(gè)氣象站生成日最高和最低溫度及降水時(shí)間序列。盡管采用NCEP數(shù)據(jù)校準(zhǔn)降尺度模型后， GCM數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致NCEP數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差，但該偏差很小，可忽略不計(jì)。

3.2 HSPF模型

HSPF是一個(gè)被廣泛應(yīng)用的水文模型[7]。本文采用2005-2006年的實(shí)測(cè)日徑流數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行校準(zhǔn)，采用2007-2008年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。模型的模擬精度采用Nash-Sutcliffe(ENS)和確定性系數(shù)(R2)[8]。

3.3 BIOME-BGC模型

BIOME-BGC是一種生物地球化學(xué)模型，可模擬能源、水、碳和氮通量以及在陸地生態(tài)系統(tǒng)的植物和土壤中的存儲(chǔ)[9]。BIOME-BGC模型提供了可轉(zhuǎn)移到HSPF模型的生態(tài)(植被)參數(shù)，而HSPF模型可提供徑流、濃度等資料。因此，本文采用BIOME-BGC模型估計(jì)研究區(qū)森林的NPP(凈初級(jí)生產(chǎn)力)以及氣候變化對(duì)其產(chǎn)生的影響。

4 結(jié)果分析

4.1 模型模擬結(jié)果

HSPF模型的ENS和R2值在校準(zhǔn)期為0.64和0.79，驗(yàn)證期為0.74和0.86，模擬結(jié)果較好。BIOME-BGC模型的校準(zhǔn)和驗(yàn)證，由于難以獲取實(shí)際參數(shù)，本研究中使用的大多數(shù)參數(shù)均參考前人的研究成果。日凈初級(jí)生產(chǎn)力的模擬值和觀測(cè)值分別為3.86和3.14 gC/m2d，模擬結(jié)果高于觀測(cè)值。2006年1至8月份凈初級(jí)生產(chǎn)力累積模擬值為84.2 gC/m2，相比之下觀測(cè)值為73.0 gC/m2，誤差小于20%。

4.2 未來氣象要素變化

本文將數(shù)據(jù)序列分為兩組，時(shí)間范圍為1961-1990年和1991-2000年，分別用于校準(zhǔn)和驗(yàn)證SDSM模型。氣候參考期在水文和生態(tài)模型中得以延續(xù)。SDSM的校準(zhǔn)和驗(yàn)證結(jié)果見表1。在3個(gè)不同階段，即2020年代(2010-2039年)，2050年代(2040-2069年)和根據(jù)1961-1990年的基線，對(duì)貴水河流域2080年代(2070-2099年)進(jìn)行了分析，校準(zhǔn)期和驗(yàn)證期模型模擬精度見表1。由表1可以看出，SDSM降尺度模型可解釋的最高和最低溫度的變化分別為65.9%和48.8%，日蒸散量的變化為53.3%，而日降水量的變化可解釋僅為12.0%。在校準(zhǔn)期，最高溫、最低溫、日降水量和蒸散量的標(biāo)準(zhǔn)誤差分別為0.12℃、0.12℃、0.04 mm和0.01 mm。驗(yàn)證期的模擬結(jié)果表明，觀測(cè)和模擬的日最高和最低氣溫之間具有很好的一致性，4個(gè)氣象因子的標(biāo)準(zhǔn)誤差分別為0.20℃、0.20℃、0.08 mm和0.03 mm。與SDSM建立的統(tǒng)計(jì)關(guān)系可產(chǎn)生未來的氣候變化情景。

表1 校準(zhǔn)期和驗(yàn)證期模型模擬精度

表2給出了在A2和B2情景下日最高和最低氣溫、日降水量與1961-1990年基準(zhǔn)期數(shù)據(jù)相比的區(qū)域平均變化。在未來氣候情景下，4種氣象要素的變化率分別為0.46℃、0.45℃、-3.68 mm/10 a和15.83 mm/10 a(A2情景下)，0.26℃、0.26℃、-4.99 mm/10 a和9.36 mm/10 a(B2情景)。在A2和B2情景下，6月份的日降水變化率為-0.09 mm/10 a。與21世紀(jì)其他地表天氣變量逐漸減少相比，2020年有很大的減少，其可能是由于HadCM3中模擬的低頻氣候變異性造成的，而不是僅由在A2和B2情景下HadCM3在全球氣候強(qiáng)迫的變化下導(dǎo)致的。

表2 2020、2050、2080年A2和B2情景下4種氣象要素的區(qū)域平均值變化

4.3 徑流對(duì)氣候變化的水文響應(yīng)

圖1給出了日徑流量預(yù)測(cè)值與基準(zhǔn)期相比的相對(duì)變化。表3給出了未來日流量平均值的變化。可以看出，在3個(gè)期間內(nèi)，日徑流量表現(xiàn)出顯著下降。預(yù)測(cè)期，在A2和B2情景下，日徑流量每10年的變化率分別為-0.05和-0.04 m3/s。日徑流量和降水量與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)并不完全一致。5月份的降水量略有減少，變化率分別為-0.02和-0.01 mm/10 a。6月份的降雨量急劇減少，變化率為-0.09 mm/10 a。盡管這兩個(gè)月降水量的減少之間有很大的差距，但5和6月份的變化率均為-0.03 m3/s。

圖1 A2和B2情景方案下SDSM模型預(yù)測(cè)的日徑流量變化

表3 2020、2050、2080年A2和B2情景下日徑流量的區(qū)域平均值變化

5 結(jié) 論

本文分析了在A2和B2排放情境下未來氣候變化對(duì)西遼河流域2020-2099年3個(gè)不同時(shí)期的生態(tài)水文的影響。研究結(jié)果表明，在未來的3個(gè)時(shí)期，該地區(qū)日最高溫和最低溫均表現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)，而日降水量則呈下降趨勢(shì)。以降尺度的溫度和降水量作為HSPF模型的輸入，水文模擬結(jié)果表明地表徑流總體呈下降趨勢(shì)。日最高氣溫、日最低溫度、日降水量、日蒸散量和地表徑流量的每10年的變化速率在A2情景下分別為：0.46℃、0.45℃、-3.68 mm/10 a、15.83 mm/10 a和-0.05 m3/s，在B2情景下分別為0.26℃、0.26℃ 、-4.99 mm/10 a、9.36 mm/10 a和-0.04 m3/s。未來該地區(qū)的干旱程度可能會(huì)加劇。本文的研究結(jié)果可為區(qū)域管理部門制定科學(xué)合理的生態(tài)控制措施提供理論依據(jù)。