气候变化对现代水文学的影响

摘 要：近年来极端气候出现的高频率引发了大众对气候变化的高度关注,本文从气候变化对水文系统的影响和建立大气环流模型与水文模型等方面进行探讨,研究了建立基于GCMs的水文模型.

关 键 词：气候变化水文学模型

近些年来,随着极端气候出现的频率越来越高,气候变化问题已经成为世界各国及社会公众最普遍关注的环境问题之一.由于自然循环和地球气候系统的扰动,引起水分循环的变化,从而引起水资源在时空上的重新分布以及水资源数量的改变,最终对社会经济与世界各国的发展产生深刻的影响.研究气候变化问题不但对气候对水文系统的影响和建立大气环流模型与水文模型的耦合有帮助,而且对未来水资源系统的运行管理、开发利用及规划设计具有重要意义.

1气候变化对水文学的影响分析

通过降水变化和温度两个要素对各主要水文要素产生影响,气候变化主要是依靠这两个方面来影响至区域水文系统.

1.1降水.降水是一切水资源的总来源.由此便会引发部分地区发生暴雨和干旱,从而导致蒸发和降水的增加,气温的升高会导致水文循环愈加激烈.

1.2蒸发.实际情况下,蒸发还受其它因素的影响.通常情况下,当其它条件没有太大变化,气温升高将导致区域潜在蒸发增加.

1.3径流.径流是气候变化中水文水资源系统响应研究的重点.

1.4土壤水分.在气候变化下,含量受到影响而改变现有的时空分布规律,土壤水分影响着区域蒸发和径流的形成,在温带地区,降水变化对土壤水分的影响相对较小.气候变化下,土壤水分的响应程度低于径流的响应程度.土壤水分的变化百分率比降水的变化百分率更大,但大多是集中于干旱流域.

气候变化对水文系统有非常大的影响,而在传统研究水文学时,仅仅是从降水开始以后加入研究,到流域出口断面；同样气象学家的研究对象也是到降水时止.这样便割裂了水的循环,忽视了气候-水文之间的相互作用.决定气候变化因子不仅仅是大气内部的过程,还有各种物理化学过程,包括下边界（陆地水文-生态、海洋系统）和大气上边界（太阳行星系统）等等.

正确认识气候-水文的相互作用,对我们进行水文设计、开发利用和运行管理有重大意义.以往在陆地水文循环与气候系统间存在一个误区,这就是气候学者较少研究流域水文循环动力机制与反馈作用,气候/天气过程研究仅仅到降水为止,把陆地水文过程看作是静态的,水利（水资源）工程设计：要求的水文计算,未来被看作是过去的重复或外延.这种检测定值得商榷.都是以几十年-几百年时间尺度的水文过程稳定不变为前提.

下面以长江中下游地区为例,简要说明流域洪水频率的变化.

南京下关水文站自1912年到1991年70年水位资料中（缺失1938-1946年资料）,其中9.0m以上水位在1940年以前只有一次,1941年到1960年二十年间有2次,而1960-1991年三十年来已发生7次.

如果根据1912年至1991年70年最高水位资料分成一段及三段分别推算各段水位出现频率,结果见下表.

由此可见,近年最高水位的统计特性有显著的变化,最高水位的出现也越来越频繁.尽管流域的下垫面条件发生很大改变是呈现这一现象的原因之一,但是近年来温度的升高无疑也是影响水位变化的重要因素,而且这种影响会越来越显著.

据有专家分析,长江中下游地区在21世纪中后期由于受到温室效应影响,气温在各种排放情景下都将持续增加,其中21世纪中期的年平均温度将增加1.8-2.8℃,到21世纪末,增加值会达到3.1℃-4.3℃.气温的升高使得降水量也显著增加.陈玲飞,王红亚在《中国小流域径流对气候变化的敏感性分析》中根据模型计算得到,长江中下游地区气温每升高1℃、2℃,降水量增加4.1%、8.4%.

2建立基于GCMs的流域水文模型

在全球气候变暖的大背景条件下,全球的降水量分布必然发生改变,有些地区降水量增加,有些地区降水量减少,因此建立研究可靠稳定的气象/水文模型将是未来水文学发展的前沿.

在水文设计中,一般根据水文资料来建立适合本流域的水文模型,然后根据设计情况的降水来推求洪水过程,继而对本流域提出相应的对策措施.同样,水文气象模型的建立也可以遵循这样几个步骤：其中水文模型的建立与未来气候变化情景的生成是关键.

2.1设计或选定未来气候变化情景.

2.2计算分析区域水文循环过程及水文变量,以选定的未来气候变化情景作为模型输入.

2.3选择、建立及验证流域水文模型.

2.4根据水文水资源的变化规律和影响程度,评价气候变化对水文水资源的影响,提出相适应的对策和措施.

目前,生成未来气候变化情景的方法有任意情景设置、长系列水文气象资料的统计相关法和基于GCMs输出等3种基本方法.选择和使用区域水文模型来评价气候变化对水文水资源的影响时,应考虑下列几个因素：模型的内在精度；模型率定和参数变化；现有的资料及其精度；模型的通用性和适用性；以及与GCMs的兼容性.目前,用于估算区域水文水资源对气候变化响应的水文模型主要有以下三大类：经验统计模型、概念性水文模型、分布式水文模型.

3存在问题

基于GCMs的水文模型,存在以下不足：①研究内容主要集中在气候变化对流域径流平均变化的影响上,而有关气候变化对水文极端事件的影响研究相对薄弱.②GCMs的输出结果和水文模型耦合的研究法存在不足.主要存在由陆面水温的降水与径流过程都存在很强的次网格不均匀性产生的精度问题,已经缺乏对水文物理过程和大气系统内部变化等的深刻认识,气候情景的生成、水文模型的结构以及GCMs与水文模型在不同时空尺度的转化等方面的不确定性因素而引发的不确定性问题.③模型的单向性问题,此气候模型输出的产品驱动流域水文模型,水文模型给出水文要素变化,而模型输入仅仅只有生成的气候情境,是一种被动式接受的反响型模型,此法并未体现水文过程-大气相互作用互为反馈的功能,缺乏真正的水文模型与气候模型的耦合研究.

4结语

随着计算机和观测技术的快速发展,人们对全球气候和区域气候的研究更深入,通过新模型的建立和预测,气候变化对水文学的影响研究更加完善.