辽河流域气候变化及对径流影响预估与评估分析

孙凤华 刘鸣彦 翟晴飞

(1.中国气象局沈阳大气环境研究所,辽宁 沈阳 110166； 2.沈阳区域气候中心，辽宁 沈阳 110166； 3.辽宁省人工影响天气办公室，辽宁 沈阳 110166)

引言

辽河流域(辽宁境内)集中分布着一些工业发达人口密集的大中型城市，水资源需求量巨大。同时，辽河流域也属于水资源欠缺地区，特别是处于辽宁境内的辽河中下游地区水资源缺乏更为严重。由于水资源量远远满足不了巨大的需求量，供需矛盾十分突出。辽河流域降水季节分布严重不均，由于降水量主要集中于7—8月，造成主汛期大量弃水，非主汛期水量不足或严重缺乏，总水量不能充分利用。现有研究表明[1-3]，在气候变暖背景下，辽河流域的降水总量变化虽然不大，但时空分布不均匀性有非常明显的加剧趋势，科学调配和利用水资源也是不容忽视的问题。

气候变暖的直接效应是水文循环的强度将加强，气候因素对水资源的影响是通过气候因子(如降水、气温等)的时空变化导致水文循环的变化而产生的，通过影响水文循环中的各个环节而实现水文变量发生变化，从而引起水资源在时空上的重新分配。20世纪60年代以来，总降水量变化虽然变化不大，但具有明显的阶段性变化，降水日数也明显减少[4-7]。在这种变化背景下，更易出现高强度的集中降水和长时间持续无降水等极端事件，这意味着可能会引发更多、更严重的洪涝和干旱灾害，为人民的生产生活带来不利影响。

研究表明[6-7]，全球气候变暖在未来仍会持续或加剧，从而对水资源总量及分布产生影响，带来更多水资源供需问题。此外，还有一些研究工作认为，区域较小的降水变化百分率,可以引起很大的径流和水资源总量变化,即气候变化所产生的水文效应是不可忽略的,且这种效应存在较大的地域差异。国家“九五”科技攻关项目关于流域径流对气候变化敏感性试验分析表明，径流变化最为敏感的地区为半湿润半干旱气候区[8-11]，而辽河流域正处于这一区域中。因此，开展气候变化对辽河流域水资源影响评估研究，将有利于进一步了解气候变化对该流域水资源已经产生了哪些影响和未来可能继续产生哪些影响，为应对和调控气候变化产生的水资源问题、为实施宏观决策和合理开发利用水资源提供更充分、全面的科学依据及气象保障服务。

由于受地形地貌及水汽来源的影响，水资源分布及变化存在明显的地域差异，对气候变化的敏感程度也不相同,针对辽河流域开展气候变化对径流影响评估预估研究非常必要。采用近1961—2020年的气象、水文观测数据和气候变化未来情景模式预估数据，利用统计模型和水文模式建立了不同时间尺度下气候变化与径流量之间的关系，应用针对辽河流域修正和率定后模型，开展气候变化对径流影响预估和评估研究。

1 资料与方法

1.1 研究区域及使用数据

使用的数据主要包括气象数据、水文数据、气候模式预估数据和水文模型需要输入的地表环境数据。气象数据为辽河流域内12个气象站(表1)1961—2020年的逐日降水量、平均气温、最高气温及最低气温等，数据来源于辽宁省气象信息中心；水文数据选择与气象数据同期的铁岭水文站的流量数据，铁岭水文站地处辽河中游，地理位置为123°50′E、42°20′N，集水面积为120764 km2,是国家重点水文站，也是辽河流域的主要控制站，水文观测数据来源于辽宁省水利厅和中华人民共和国水文年鉴辽河分册；气候变化预估数据采用RegCM4区域气候模式1980—2098年预估数据，空间分辨率为0.25°×0.25°，数据来源于国家气候中心；HBV水文模型输入的数据均来自国家气候中心，包括30 m分辨率的流域数字高程模型(Digital Elevation Mode，DEM)数据、土地利用数据、河流水系数据及土壤持水力数据。

表1 选用的12个气象站信息

1.2 分析方法

对于年尺度分析，基于以往发表的关于年平均径流、年平均潜在蒸散发量、年平均降水量之间的关系方面的研究成果分析，年尺度气候变化与年平均径流的关系，由于时间尺度问题，选用合适的经验统计模型建立的两者之间的相关关系可能会得到更好的效果。

利用前人研究建立的经验方程[12-13]，经实际观测到的历史气象和水文数据率定模型参数，建立了年尺度气候变化对辽河流域径流量影响的关系模型。设定气候变化条件，应用模型进行不同假定气候变化条件下的径流量变化，进行气候变化对辽河流域径流影响敏感性试验分析。经验方程为:

R=P＊exp(-1.2×1010× exp(-4620/(273.15+T))/P)

(1)

上式求导后得到：

dR=exp(-PET/P)*[1+PET/P]*dP-[5544×1010*exp(-PET/P)*exp(-4620/Tk)*Tk-2]*dTk

(2)

式(1)—式(2)中,R为年平均径流，单位为mm；P为年降水量，单位为mm；PET为年潜在蒸发散量，单位为mm；Tk=273.15+T，T为年平均气温，单位为℃。dP、dTk、dR分别为年降水、年平均气温和径流的变化量。

对于日尺度分析，采用HBV-D水文模型进行试验分析。HBV-D水文模型是由德国波茨坦气候影响研究所Krysanova博士在瑞典国家水文局研制的半分布式概念性模型基础上改进的水文模型[14-18]。模型主要过程如图1所示。

图1 HBV-D水文模型主要过程

HBV-D水文模型除需要输入气象、水文数据，还需要输入描述地表状况的数据，如分析范围内的土地利用状况数据，数字高程数据，河流水系数据及土壤持水力能力数据等。模型由4个模块组成，它们是积雪融雪模块、土壤含水量模块、响应模块和汇流模块[19-21]。

2 结果分析

2.1 辽河流域气候变化特征

辽河流域内无冰川融雪，气温对径流量的影响方式是通过影响流域总蒸散量而使得流量发生改变。由图2可知，对过去近60 a来长期历史观测数据分析表明，辽河流域气候变暖趋势较为明显，基本为持续性增温过程，增暖率为0.28 ℃/10 a，通过了α=0.05的显著性水平检验。每10 a平均气温也为逐步增高趋势(图2b)，20世纪80—90年代增温幅度最高，达到0.53 ℃。20世纪90年代至21世纪00年代增温幅度最小，仅为0.09 ℃。最寒冷的20世纪60年代平均气温为7.23 ℃，而最温暖年代的平均气温达到8.52 ℃，两者差值达到了1.29 ℃。总体为早期保持较低温度，在经过90年代较大幅度增温后，又一直维持着较高温度。最近10 a(2011—2020年)平均气温为8.52 ℃，为近60 a来气温最高值，这种增温趋势应得到人们的关注及相关部门的重视。

图2 1961—2020年平均气温年际变化(a)和年代际(b)差异

大气降水是辽河流域径流的根本来源，降水量的大小及其时空分布基本决定了流域径流量的大小及其时空分布。由图3可知，辽河流域降水变化与气温变化不同，没有明显的增加或减少趋势，未通过α=0.05的显著性水平检验，但存在多—少交替的阶段性变化。年代际变化表现出少—多—少—多的周期变化，21世纪00年代为降水最少时期，年降水量为596.9 mm；70年代为降水最多时期，年降水量为628.2 mm。最近20 a由降水最少阶段进入降水次多阶段，年降水量达到622.9 mm，接近降水最高时期降水量。若能保持这种变化趋势，对于水资源较为短缺的辽河流域来说，则是一个较为有利的转变。

图3 1961—2020年降水年际变化(a)和年代际(b)差异

2.2 不同尺度下径流量对降水量的响应

以上分析给出了辽河流域气候变化历史背景，气候变化对径流量的影响则是人们更为关心的问题。降水量与径流量关系密切，降水量的大小与时空分布对径流量的大小及时空分布起主要的、决定性的作用，两者之间有显著的正相关关系。但对于不同时间尺度，两者之间的关系也不相同。为对两者之间的关系做出较为客观、准确的评估，需根据研究尺度选取不同的分析方法。基于此，选取日尺度和年尺度对两者之间关系进行分析。

在年尺度上，对实测年径流量与辽宁省内各气象站同期实测年降水量进行的相关分析表明，辽河流域径流量与中部和东部地区年降水量相关较好，这一区域相关系数基本为0.6以上。在年际尺度上，降水量与径流量存在同步显著相关，滞后相关不明显。

在日尺度上，主要选取小雨、中雨和大雨三个等级，分析日降水量与同日、次日、第三日和第四日的日流量的相关性。分析表明，日降水与同日径流量无显著相关，原因可能是还没有完成降水的汇流过程；在所有三个等级日降水量与降水发生后第二日流量相关系数最高，降水汇流时间应是1—2日；在大雨等级时，日降水与滞后1—3日径流量相关系数均高于其他降水等级，此时与次日径流相关系数最高达到了0.85。与随后的第三、第四日径流的相关系数逐步降低。由以上分析可见，降水等级越高，降水量与径流量的相关程度越高，以降水量预测径流量的可信度就会更高。

2.3 气候变化及对径流量影响评估

2.3.1 统计模型对气候变化与径流量关系的模拟

在年尺度上，辽河流域年平均径流、年平均潜在蒸散发量、年平均降水量三者之间存在较好的相关关系，主要结论可参见作者前期发表的论文[29]，在此不再赘述。图4更为直观地展示了试验结果，不论气温升高还是降低，降水与径流量都有非常高的正相关关系，且在降水增减幅度较大时，径流量会有呈降水2倍左右的增减幅度，径流量对降水的响应具有放大效应。在降水减少和气温升高时，径流量减少最为明显，这种气候变暖，降水减少导致径流大幅度减少的气候变化情景会对社会经济发展产生最为不利的影响，也是节能减排，应对气候变化最想避免的未来变化趋势和情景。

图4 模型模拟气温升高1 ℃(a)和降低1 ℃(b)时降水与径流之间关系

2.3.2 水文模型对未来气候变化情景下径流量的变化模拟

应用经反复率定验证调试后的本地化HBV水文模型，输入CMIP5多模式集合输出的气温与降水数据来驱动HBV水文模型[22-26]，对未来60 a(2021—2080年)辽河流域径流量进行模拟。未来气候变化预估试验选用 IPCC 第五次评估报告推荐的RCP4.5 排放情景，该情景指CO2排放没有超过目标水平在2100年后辐射强迫稳定在4.5 W·m-2，是介于粗放与理想排放之间较为实际的一种排放情景。从图5可见，未来RCP4.5情景下，气温为持续稳定升高趋势，降水量为略微增加趋势，径流为略微减少趋势，但降水量和径流量变化趋势没有温度的变化趋势明显。可以说，RCP4.5情景下这种气候变化趋势会加剧辽河流域水资源供应不足的现状。

图5 RCP4.5情景下2021—2080年气温(a)、降水(b)、径流(c)预估结果

采用本地化水文模型对RCP2.6和RCP8.5排放情景下辽河流域径流演变也进行了预估模拟(图6)，做对比分析的模拟结果表明，未来RCP8.5较高排放情景下，气温升高趋势最为明显、降水为较为显著增加的趋势，未来径流量增加趋势相对较为明显。在前期2020—2050年径流增加很少，比RCP2.6情景增量还少，在2050年以后有较大幅度增加，表现出阶段性不稳定的增减特征；RCP2.6理想排放情景下，气温增加的幅度最小，降水基本没有明显的增减趋势，未来径流量也表现为无明显增减趋势，总体表现出较小幅度的增加—减少—增加的变化过程。

图6 未来RCP2.6、RCP8.5情景下各年代辽河流域径流量预估

3 结论与讨论

(1)统计模型模拟试验表明，在降水增加、气温降低的状况下，径流量增加最为明显；反之，在降水减少、气温增高的状况下，径流量减少最为明显。辽河流域存在明显的较小降水变化百分率引发较大的径流量变化的现象,气候变化所产生的水文效应不容忽视。

(2)水文模型模拟结果表明，未来RCP8.5排放情景下气温升高趋势最为明显、降水为显著增加的趋势，未来径流量也为显著增加趋势；RCP2.6排放情景下气温增加的幅度最小，降水基本没有明显的增减趋势，未来径流量也表现为无明显增减趋势；RCP4.5情景下，气温增加的幅度居中，降水为微弱增加趋势，未来径流量则为减少趋势。高排放下会产生较为剧烈的气候变化，并引起倍增的径流变化，从而引发更多更强的极端事件，需关注和客观评估未来气候变化对水资源产生的可能利弊影响。

依据气候模式输出产品、应用水文模型开展气候变化对水资源影响预估及评价是目前使用的主要方法。目前，气候模式对未来情景下的气候趋势预估结果仍存在很大的不确定性，据此做出的气候变化对径流影响的预估结果也只是提供参考[27-30]。相信随着气候模式预估水平的提高及水文模型的不断改进，不同排放情景下径流的响应预估结果的可信度也会随之改善。