气候变化对流域水资源影响评价中的不确定性问题

吴赛男，廖文根 ，隋 欣

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.国家水电可持续发展研究中心，北京 100038）

气候变化及其对流域水资源的影响是目前世界各国水资源管理者共同关注的话题，正确评价气候变化背景下的流域水资源是实现其可持续开发利用的基础。许多国家重视气候变化对流域水资源的影响，采取适应性管理应对气候变化[1]。其中的关键问题是，适应性管理首先需要发展一套科学评价方法，从而不断监测并评估气候变化对流域水资源的影响，提出科学评估与适应性管理的对策。同时，由于多方面原因，气候变化对流域水资源的影响评价存在很大的不确定性。本文介绍了国内外气候变化对流域水资源影响的一般评价方法，然后分析了影响评价结果不确定性的因素，并进一步讨论了降低评价结果不确定性的方式。

1 气候变化对流域水资源影响的评价方法

气候变化对流域水资源影响的评价一般采取气候情景驱动水文循环模型的方法，即所谓的What-if模式[2]：如果气候发生某种变化，水文循环各分量将随之发生怎样的变化。分析过程一般包括4个步骤：①定义气候情景；②建立流域水文循环模型；③将气候情景作为流域水文循环模型的输入，模拟、分析流域水文循环过程和水文变量；④评价气候变化对流域水资源的影响，根据流域水资源的变化规律和影响程度，提出适应性对策。这其中气候情景的选择和流域水文循环模型的建立是影响评价的关键。

1.1 气候情景与全球气候模式

进行气候变化影响的研究首先应该考虑的就是未来气候状况，目前的研究还不能准确预测未来气候将如何变化，只能根据各种方法预测或模拟未来气候情景，主要采用的方法有4种：①任意情景设置。假定未来气温上升若干度，降水减少或增加若干百分率。②时间类比。用历史气候资料推测未来气候情景。③空间类比。把某区域当前的气候状况看作是另一区域的气候情景。④全球气候模式（Global Climate Models，GCMs），这是目前公认的进行气候情景预测的唯一有效工具。

常用的GCMs包括：日本气候系统研究中心模式 （CCSR），加拿大气候中心模式（CCC），澳大利亚联邦科学与工业研究组织大气研究所模式（CSIRO），德国马普气象研究所模式（DKRZ），美国普林斯顿大学地球物理流体动力学实验室模式（GFDL），美国国家大气科学研究中心模式 （NCAR），英国气象局哈德莱中心模式 （HADL）[3]。 由于空间分辨率低，GCMs不能提供地面局部尺度气候要素变化信息，因此需将 GCMs输出结果进行降尺度分析（Downscaling）。

政府间气候变化专业委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change， IPCC）先后于 1990年、1996年、2001年和2007年完成了4次具有权威性的气候评估报告。IPCC第三次评估报告中使用了35个GCMs，利用GCMs的模拟结果生成未来的气候情景[4]。对未来全球和区域气候变化的预测是在一系列驱动因子（包括人口增长率、经济发展速度，技术进步水平，环境条件，全球化情况和公平原则等）的假设组合下，在计算未来温室气体和硫化物气溶胶排放情景基础上进行大气浓度计算，然后得到响应的辐射强迫，再输入GCMs中驱动气候的变化。

IPCC共发展了两套排放情景，一套是IS92情景，主要用于第二次评估报告中气候预测；另一套是SRES情景，以代替IS92用于第三次评估报告中的气候预测。SRES排放情景是由A1、A2、B1和B2四种不同情节构成的情景族。其中，A1描述了经济高速发展，全球人口在21世纪中达到峰值，高排放情景的世界；A2描述了人口持续增长，人均经济增长和技术变化有明显地方性，全球化不明显的世界；B1强调从全球角度解决经济、社会和环境可持续性问题的低排放情景的世界；B2侧重于从局地解决经济、社会和环境可持续性问题的世界[5-7]。

1.2 流域水文循环模型

近几十年来，水文学家建立和发展了各种各样的水文模型，根据不同的分类标准，水文模型可分为连续的和分散的，集总式的和分布式的，动态的和静态的，统计性的和概念性的，随机性的和确定性的等等。当选择和使用流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：①模型要具有一定的模拟精度；②尽可能使用结构简单、参数较少的模型；③现有的资料及其精度；④模型的通用性和地域适应性；⑤与GCMs之间的兼容性。随着人们对水文过程认识和研究的不断深入和计算存储等条件的不断发展，水文模型在描述水文过程的机理上经历了 “黑箱子”模型、概念性模型、物理性模型的发展过程，同时在降雨和下垫面条件空间变异性的处理上也从集总式模型走向分布式模型[8]。

概念性水文模型一般以中小流域为空间尺度（10～100km2）， 远 小 于 GCMs的 空 间 尺 度（105km2）；模型中的参数从历史资料率定出来，参数间的不独立性和不确定性问题无法解决。采用集总式处理方法，无法描述变化环境（如土地利用，气候变化等）中的陆地表面过程等缺陷，分布式水文物理模型是目前研究的主要趋势，它能够较好的反映不同下垫面条件下（如土壤、植被、土地利用等）产汇流机制。而且这种分布式模型建立在GCMs网格上，因而能与GCMs联结耦合。

2 气候变化影响评价不确定性的影响因素

由于目前的气候变化预测结果给出的只是一种可能的变化趋势和方向，加之水文循环过程的复杂性，使得气候变化的影响评价结果带有很大的不确定性[9]。

2.1 气候情景的不确定性

绝大部分的气候变化影响评价都是以定量的气候和非气候情景 （包括社会经济和环境情景）作为输入参数，因而，气候变化影响评价的最主要不确定性来源之一就是各种气候情景假设的不确定性。影响气候情景不确定的主要因素包括3个方面：气候模式不完善、排放情景的预测和降尺度分析的不确定性。

2.1.1 气候模式的不完善

由于影响气候变化的自然因素很多，加之大气—海洋—陆地—冰雪等系统内部的相互作用和反馈，构成了气候变化的复杂性、多样性和计算分析的困难性。在IPCC第三次气候变化评估报告中，第一工作组给出的各GCMs预测的SRESA1、A2、B1、B2四种社会经济情景下，21世纪末全球气候变暖1.4～5.8℃，利用不同的气候模式的评价结果存在较大的差异。尽管气候模式在不断改进，但当前的气候模式所能模拟的气候状况与真实情况还是存在很大差距。

2.1.2 排放情景预测的不确定性

温室气体排放情景预测的不确定性主要来源于不能准确地描述和预测未来社会经济、环境、土地利用和技术进步等非气候情景的变化。非气候情景对于准确表述系统对气候变化的敏感性、脆弱性及适应能力是非常重要的，但比较准确地预测未来几十年的非气候情景是评估气候变化面临的最大挑战。

2.1.3 降尺度分析的不确定性

全球气候模式的输出尺度较大，而为了解决流域下垫面条件的不均匀性，流域水文模型尺度一般较小，因此很难直接应用全球气候模式输出结果进行区域水资源未来情势的评价。这就是全球气候模式尺度大、区域气候模式小、水文模型尺度更小，在应用中尺度不相匹配的问题。区域气候变化是全球气候模式输出通过降尺度处理得到的，因此全球气候模式输出结果的不确定性直接衍生了区域气候变化的不确定性。另外，相同的GCMs预测结果，采用不同的降尺度分析技术，也会得到不同的区域气候情景。即使相同的降尺度分析技术，用GCMs的结果驱动不同的区域气候模式（RCM），也会得到不同的区域气候情景结果。

2.2 水文循环模型的不确定性

当气候情景确定时，一般采用气候情景驱动流域水文模型的途径计算分析气候情景下流域的水资源情势和流域水文状况。因而，水文循环模型的不确定性也是气候变化影响评价的不确定性来源之一。水文循环模型的不确定性主要来自模型结构、模型参数等方面。

2.2.1 模型结构的不确定性

水文循环过程复杂，对于不同的流域，下垫面条件千差万别，流域产、汇流特性也不一样。如世界气象组织（WMO）和我国水文部门曾对一些水文模型就洪水模拟效果及地区适应性做过对比分析[9-11]，结果表明，对于湿润半湿润地区，大多数模型均可以得到十分满意的模拟效果，而对于干旱半干旱地区，流域水文模拟效果却不十分理想。流域水文模型是对陆面水文循环过程的物理概化和数学描述，反映了流域产汇流的一般性规律，因此，选择的评价模型是否适用于所研究的流域、能否客观仿真模拟该流域的陆面水文过程等，即模型结构本身所带来的误差，将不可避免地影响到预测评价结果的确定性。

2.2.2 模型参数的不确定性

评价模型都是通过模型参数的变化来反映流域的特性，评价模型参数的不确定性是影响评价结果的重要方面。模型参数的不确定性主要来自4个方面：①用于模型参数率定的资料常常采用简化或粗估的方法确定；②模型参数识别和优化方法不合理；③参数区域化时常常用相似流域的参数移植方法来确定；④模型参数的确定很大程度上依赖于时间尺度和人为因素。

3 降低评价结果不确定性的方式

降低气候变化对流域水资源影响评价结果不确定性的主要方式是提高流域气候情景预测精度和完善影响评价模型[12]。

3.1 提高流域气候情景预测精度

通过完善全球气候模式、改进排放情景和降尺度技术来提高流域气候情景预测精度。

3.1.1 完善全球气候模式

全球气候系统由大气圈、水圈、岩石圈、冰冻圈和生物圈组成。全球气候系统内部和外部的大量因子影响着全球气候变化。增强对自然和人类活动引起气候变化过程的了解，需要认识在全球气候系统中涉及到的全球变暖与气候变化的机理、大气和陆面水文过程之间的相互作用和相互反馈的过程。通过对全球气候系统的认识，完善和提高现有GCMs的性能。

3.1.2 改进排放情景

如何估计未来人类活动的状态和情景是IPCC多年来的一个研究重点。降低排放情景不确定性首先要构建温室气体各种排放情景下气候变化的情景，在影响评价中考虑采用不同模式的气候变化情景，并综合分析未来气候变化的最可能发生的情景。要考虑发展中国家经济社会发展的特殊要求，研究和提出适合发展中国家的排放情景。

3.1.3 改进降尺度分析技术

降尺度分析技术的改进一方面需要正确认识气候变化的物理机制，考虑物理参数化的选择、区域大小和分辨率、大尺度气象条件的同化技术，以及与边界强迫无关的非线性动力学引起的内部变率。另一方面需要正确认识气候要素的时空分布特性，提高气候观测资料的质量及加强多种信息的同化分析。

3.2 完善气候变化影响评价模型及评价过程

通过完善评价模型、充分考虑其他因素对流域水文的影响，降低评价模型及评价过程中的不确定性。

3.2.1 改进和完善评价模型

一是进一步研究和改进模型结构，开发和选择更适用于流域特性的流域水文模型，从而提高模型的适应性和模拟分析能力；二是提高模型参数识别和优化的可靠性，进一步提高模型的模拟分析精度；三是研究无资料和资料质量较差地区的陆面过程水文模拟技术，进一步分析和建立流域水文模型参数与地理信息等要素的关系，降低水文模型在无资料地区应用的不确定性；四是在评价模型中充分考虑陆面过程对大气过程的影响，增强评价模型与气候模型之间的双向耦合能力。

3.2.2 充分考虑未来环境变化对流域水文的可能影响

在未来的气候变化条件下，不仅气候条件变化，流域也因受到人类活动的影响而发生下垫面的变化，如土地利用的变化、都市化的发展、水利工程的修建、用水结构的调整等，这些变化都会影响模型中参数的定量取值，进而对流域水文循环产生一定的影响。因此，要评价未来气候变化条件下的水资源状况，不仅要求模型能够适用于未来的气候变化情势，而且需要研究不同人类活动对流域模型参数的定量影响，进而进一步提高模拟的确定性。

结语

研究气候变化的目的是为了对可能的全球变暖做出相应决策，尽管气候变化及其对流域水资源的影响评价研究存在着众多的不确定性，但特定的气候情景仍是帮助确定未来可能发生的气候变化的基本途径，将有助于开发潜在的未来适应性对策。

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