未来气候情景内蒙古蒸散和产水量的变化特征

赵晓涵，张方敏，卢 琦，李云鹏

(1.南京信息工程大学应用气象学院，江苏省农业气象重点实验室，南京 210044；2.中国林业科学院荒漠化研究所，北京 100091；3.内蒙古自治区生态与农业气象中心，呼和浩特 010051)

政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次评估报告第一工作组报告指出，自工业革命以来(1850—1900年)全球地表平均温度已上升约1 ℃；未来20年全球升温预计将达到或超过1.5 ℃；升温往往伴随着气候变化风险，气候变化正在加剧水循环，这加剧了区域性干旱和强降水事件的发生。而陆地升温将增加蒸散发(蒸散)和大气蒸发需求，进而影响区域可用水量并导致区域性干旱事件。蒸散是水文循环的重要组成部分，是地表水分的主要耗散方式，约有60%的降水通过蒸散返还到大气。未来蒸散变化趋势可能导致水循环的整体加强或减弱，进而引起水资源在时空的重新分配和区域水资源储量的改变。随着对全球变暖的深入研究，气候变化将如何影响水资源得到广泛关注，尤其是在水资源匮乏的干旱半干旱地区，这些问题在水资源管理的决策过程中发挥着重要作用。

内蒙古是中国典型的气候过渡带和气候敏感地区，水资源时空分布不均且亏缺严重，生态系统的高度脆弱性使其对气候变化和干扰十分敏感。在过去的20年里，由于快速的气候变化和广泛的人为干扰，内蒙古区域面临着由于蒸散迅速增加而耗水量增大的严峻局面。从区域水资源的角度来看，降水的增速慢于蒸散，预计未来升温导致的蒸散水损耗将是内蒙古水资源状况改善的严重制约因素，因此，评估未来不同气候情景下未来的蒸散趋势，可以深入了解气候变化如何影响未来的水供应，并有助于了解该地区未来的水文、生态及其对全球气候系统的反馈。

现有未来气候变化对水循环的影响研究主要集中于大气降水、地表水文过程等，而对蒸散及其影响机制的研究则较少。同时，陆面过程是模拟陆地水循环变化不确定性的重要来源。CLM(community land model)模式是目前较为完善的陆面过程模式之一，它包含生物地球物理、水文学、生物地球化学和植被动力学的复杂过程，能够在不同空间尺度下较好地模拟水循环过程，已有大量研究者证实在内蒙古地区的可用性。因此，本研究将利用CMIP 5耦合气候模式和CLM 4.5的模拟结果，探讨未来不同气候情景下内蒙古地区蒸散的时空变化特征及其主要影响因素，以及未来内蒙古区域水资源变化，以期为内蒙古地区未来水资源综合利用及合理配置提供科学支撑。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

内蒙古自治区位于中国西北部(97.27°—126.07°E，37.40°—53.38°N)，是我国典型的农牧带过渡区，东部以森林和耕地为主，西部和中部存在大量未利用荒地、沙漠和草地，是对气候变化最敏感地区之一。受距海远近及地形地貌影响，内蒙古存在西部干旱半干旱气候到东部湿润半湿润气候的干湿气候过渡带，近60年内蒙古年降水在216.30～431.00 mm/a，以0.047 mm/a增速递增，空间上呈东北—西南递减趋势。本文依据中国气象局编绘的中国气候区划图(http://www.resdc.cn)，将内蒙古划分为6个气候区(图1)。

注：CH为寒温带湿润气候区；MH为中温带湿润气候区；MSH为中温带半湿润气候区；WSH为暖温带半湿润气候区；MSA为中温带半干旱气候带；MA为中温带干旱气候区。

1.2 数据来源与处理

气候模式数据选用CMIP5中4个全球气候模式(表1)在未来不同典型浓度路径RCP(representative concentration pathways)情景下日尺度温度和降水模拟结果，空间分辨率为0.5°。该数据经过跨部门影响模型比较计划ISI-MIP(the inter-sectoral impact model inter-comparison project, https://www.isimip.org)的空间降尺度处理和偏差校正处理。气候数据集的验证数据来自于国家气象科学数据中心(http://data.cma.cn)的内蒙古地区112个气象站点2006—2010年温度和降水数据。通过对比发现，模式能很好地模拟历史降水、温度和观测数据，均呈现较好的正相关线性关系，决定系数()高于0.81。因此，偏差校正后的气候模式数据在内蒙古地区具有较好的精度。

表1 所用全球模式基本信息

RCP是IPCC发布的温室气体排放情景，主要包括4种排放情景，分别为RCP 2.6、RCP 4.5、RCP 6.0和RCP 8.5。由于内蒙古地区在1960—2016年升温速度明显高于全球增温水平，截至2020年升温较工业化前已超过或接近1.5 ℃，或较基准期已超过0.89 ℃，本研究选择RCP 6.0和RCP 8.5 2种升温较快的高排放情景代表未来内蒙古地区的可能气候变化情景。

以4种全球气候模式数据作为强迫，选取CLM 4.5模型在RCP 6.0和RCP 8.5情景下2020—2099年期间内蒙古地区的叶面积指数(LAI)、蒸腾、土壤蒸发和蒸散发(后简称蒸散)模拟结果来探究不同气候情景下内蒙古蒸散和水资源变化，空间分辨率为0.5°。首先，对比被广泛应用的MODIS LAI数据集(GLOBMAP LAI V3数据)和CLM模型输出的LAI数据集2006—2018年在内蒙古区域LAI特征发现，CLM模型LAI和MODIS LAI相关性好，均高于0.93，其变化能够表征内蒙古区域LAI的变化；其次，采用来自ChinaFlux及2000—2010年中国典型陆地生态系统实际蒸散量和水分利用效率数据集的7个站点包含4种生态系统类型的站点数据(表2)验证CLM模型蒸散的模拟精度，结果表明，CLM模拟蒸散发结果与观测相比存在一定的偏差，但是模拟结果与观测值存在较好的线性关系，多模式平均蒸散的性能在各方面的比较中均优于单模式蒸散，达0.98(图2)。因此，本文采用多模式平均结果进行分析。

图2 CLM模拟蒸散与站点数据的对比

表2 蒸散观测站点基本信息

在RCP 6.0和RCP 8.5情景下，CLM 4.5模拟结果在以森林为主要植被的湿润区(寒温带湿润气候区CH和中温带湿润气候区MH，缩写为H)蒸腾蒸散比分别为0.62和0.61；在以森林、耕地和草地混杂的半湿润区(中温带半湿润气候区MSH和暖温带半湿润气候区WSH，缩写为SH)和半干旱区(MSA)蒸腾蒸散比为0.37～0.45；在植被稀少的干旱区(MA)比值为0.20；与前人研究基本一致，因此认为数据具有较好的可信度。

1.3 产水量

在像元水平，根据CLM 4.5模拟的逐日蒸散计算年度蒸散结果。假设土壤水和地下水储量的变化可以忽略不计，基于地表水平衡法，计算产水量方法为：

=PRE-

式中：、PRE和分别为产水量(mm/a)、年降水量(mm)和年蒸散量(mm)。日益增长的水资源需求(气候驱动和管理驱动)使得越来越多的研究由单一要素研究转变为对水量平衡及供需方面的综合性研究。产水量可视为供人类使用的地表水总量，已有研究使用该方法来评估中尺度或大尺度的可用水量，因此，本研究选用该指数以表征未来研究区水资源变化情况。

2 结果与分析

2.1 未来不同气候情景下气候变化特征

在RCP 6.0情景下，预计内蒙古气温在2040年之后出现较为稳定的1.5 ℃升温，在2050年后升温达2.0 ℃；而在RCP 8.5情景下，预计内蒙古区域气温将在2040—2049年期间上升2.0 ℃，在2050年后升温超过3.0 ℃。RCP 6.0情景下，降水和温度平均以0.42 mm/a和0.04 ℃/a的速度增长(<0.05)。RCP 8.5的情景下，降水和温度的平均增长率分别为0.77 mm/a和0.07 ℃/a(<0.05)(图3)。2种情景，降水呈西低东高分布，温度表现为西南和东南高东北低的分布(图4)。到21世纪末(2090s)，内蒙古大部分地区降水呈递增趋势，其中东部增幅大；内蒙古的西部(MA北部)表现为递减趋势。到2090s，内蒙古全境升温均达2 ℃以上，RCP 8.5情景明显增温高于RCP 6.0情景；RCP 8.5情景下，内蒙古全境(除南部MSA西南角外)升温达4 ℃以上。总体上，2020—2099年，内蒙古地区气候整体上呈现暖湿化趋势。

图3 2020-2099年不同气候情景降水(PRE)和温度(TA)的时间变化

注：2020s和2090s分别代表21世纪20年代和21世纪末。

2.2 未来不同气候情景下蒸散的时空变化

2.2.1 2种情景下蒸散的时空变化 2020—2099年内蒙古地区蒸散呈增加趋势。RCP 6.0情景下蒸散增长速率低于RCP 8.5，分别为0.37 mm/a(<0.05,=0.36)和0.69 mm/a(<0.05,=0.62)。2种情景下，未来蒸散均呈西低东高分布(图5)。到2090s蒸散的变化趋势有明显的区域分异，内蒙古大部分地区蒸散呈递增趋势，其中东部增幅大，但是内蒙古的西部(MA北部)表现为递减趋势。在RCP 6.0情景下，MA北部蒸散呈减少趋势，占全境的3.29%；MA蒸散增幅偏小，多低于30 mm/a，而内蒙古东部区域增幅大，其中MSA东南部、MSH和WSH蒸散增幅高于60 mm/a，占全境的9.88%。在RCP 8.5情景下，MA北部有1.93%区域蒸散存在减少趋势；内蒙古东部和北部蒸散增加明显，其中MSA南部和东部、MSH、MH、CH和WSH蒸散增幅高于60 mm/a，占全境的37.21%。

图5 2020-2099年不同气候情景下蒸散(ET)的时间变化

2.2.2 不同升温情况下蒸散及分量变化 由于蒸腾和土壤蒸发对气候变化的响应存在差异，为了探究在不同程度升温条件下蒸散及蒸腾和土壤蒸发的变化，选取2040—2049年和2060—2069年的年均值分别表征RCP 6.0情景下升温1.5，2 ℃及RCP 8.5情景下升温2，3 ℃的情况。

在RCP 6.0情景下，升温1.5 ℃期间平均蒸散为297.76 mm/a，升温达2.0 ℃期间平均蒸散为298.63 mm/a，蒸发增加弥补蒸腾的减少，主导蒸散变化；而在RCP 8.5情景下，升温2.0 ℃期间平均蒸散为304.76 mm/a，升温3.0 ℃期间平均蒸散为319.81 mm/a(表3)。在MA，升温1.5～2 ℃时蒸散增加2.42 mm/a，60.33%变化由蒸腾主导；升温2～3 ℃时蒸散增加10.75 mm/a，66.88%变化由蒸发主导。在MSA，升温1.5，2 ℃时蒸散减少-3.97 mm/a，其中蒸腾减少-9.01 mm/a主导蒸散的变化(66.31%)；升温2～3 ℃时蒸散增加18.99 mm/a，蒸发为主导因素占51.63%。在H，升温1.5～2 ℃时蒸散增加13.18 mm/a，62.66%变化由蒸腾主导；升温2～3 ℃时蒸散增加14.76 mm/a，73.33%变化由蒸腾主导。在SH，升温1.5～2 ℃时蒸散增加30.95 mm/a，其中蒸腾减少-5.95 mm/a，蒸发增加6.95 mm/a主导蒸散的变化(53.86%)；升温2～3 ℃时蒸散增加18.96 mm/a，蒸发为主导分量占53.11%。可以发现，在2种升温情景，MSA和MA区域蒸散由蒸腾主导变为蒸发主导，SH区域2种分量贡献接近，H区域蒸散主导因素为蒸腾。

表3 不同升温情况下蒸散(ET)变化及分量贡献

2.3 未来不同气候情景下产水量的时空变化

RCP 6.0情景下，升温1.5 ℃期间产水量为19.89 mm/a，升温2.0 ℃期间平均产水量为19.58 mm/a；RCP 8.5情景下，升温2.0 ℃期间产水量为23.14 mm/a，升温3.0 ℃期间平均产水量为24.25 mm/a(表4)。但2种气候情景下，产水量表现出明显年际波动，但总体上产水量无明显变化趋势(>0.05)(图6)。在RCP 6.0情景下，产水量以0.05 mm/a(>0.05,=0.01)速度增长；在RCP 8.5的情景下，产水量增长速度是RCP 6.0情景的1.7倍，高达0.08 mm/a(>0.05,=0.02)。

图6 2020-2099年不同气候情景下产水量(WY)的时间变化

表4 不同升温情况下产水量变化 单位：mm/a

空间上，RCP 6.0和RCP 8.5情景下产水量表现出明显的空间异质性(图7)。在2020s，RCP 6.0情景产水量在-208.32～186.28 mm/a，低值发生在MA和MSA区域，高值发生在研究区东北区域；RCP 8.5情景产水量在-189.15～207.84 mm/a，由西向东呈递增趋势。到2090s 2种情景下产水量空间变化存在明显区别，在RCP 8.5情景下，内蒙古地区MSA和WSH区域开始出现产水量减少情况。RCP 6.0情景下内蒙古大部分地区产水量呈递增趋势，仅有15.12%区域存在减少趋势，零星分布于MA、MSA和CH；内蒙古东部增幅最大，其中MSH东部和南部、WSH和MSA东部产水量增幅高于10 mm/a，占全境的36.43%。在RCP 8.5情景下，产水量减少区域占全境的46.32%，主要分布于MA东部、MSA西部、MSH东部和WSH区域，其中低于10 mm/a的区域占全境的9.50%，内蒙古西部和北部产水量呈增加趋势，主要分布于MA西部、MSA东部、MSH和CH区域，其中高于10 mm/a的区域占全境的18.41%。

注：2020s和2090s分别代表21世纪20年代和21世纪末。

2.4 蒸散变化的气候驱动因素分析

由于产水量是降水和蒸散2个要素计算得出，其变化受区域蒸散直接影响，因此，选取年降水量作为水分输入的代表，年平均气温作为能量供应的代表，探讨了未来不同升温情景下内蒙古气候变化对蒸散的影响(表5)。

表5 内蒙古各气候区蒸散与气象因子的相关系数

整个区域上，2种情景下蒸散与降水和温度均达到极显著正相关关系，但与降水的相关系数(0.74～0.77)远大于温度(0.46～0.54)，但不同区域存在一定差异。MA、MSA和SH和RCP 8.5情景下H区域蒸散与降水呈极显著正相关关系，相关系数为0.33～0.95；SH、H和RCP 8.5情景的MA和MSA区域蒸散与温度呈极显著正相关关系，相关系数为0.36～0.91；在RCP 6.0情景下MSA区域蒸散与温度存在显著正相关关系(=0.24)。在越干旱的区域降水对蒸散影响更大，降水的增加在一定程度上减缓干旱半干旱区域的干旱，但在升温情景下呈现显著的水循环加速。对比2种情景可以发现，在更高的升温情景下，增温造成的影响进一步增大，尤其是在MA和MSA区域，蒸发速度显著增加(表5)，蒸散支出增加快于降水收入增加，部分区域产水量减少，未来该区域可能出现更严重的水资源危机。

2.5 植被对蒸散变化的影响

在未来情境下，内蒙古植被呈显著绿化趋势，为了明确植被对蒸散变化的影响，本文计算了LAI与蒸散、蒸腾和蒸发的偏相关关系(图8)。整个区域上，RCP 6.0和RCP 8.5情景下LAI与蒸散、蒸腾达到极显著正相关关系(=0.61，0.37，<0.01)，在更高的RCP 8.5升温情景下，LAI阻碍了裸土蒸发(=-0.32，<0.01)。在H区域，RCP 6.0情景下LAI增加仍有利于蒸散的增加，到RCP 8.5情景下LAI对蒸散影响不显著；其余区域LAI增加导致蒸散的增加(<0.01)。在所有区域，LAI增加导致更多的蒸腾耗水。而对蒸发，由于MA区域植被较为稀疏，RCP 6.0和RCP 8.5情景下LAI的增加对蒸发的影响不显著(>0.05)；但在其他区域，对比2种情景LAI增加不利于蒸发，在RCP 8.5情景下这种影响均达到极显著水平(<0.01)。

注：*表示p<0.05；**表示p<0.01。

3 讨 论

在不同气候情景下，未来内蒙古暖湿化加剧，蒸散呈显著增加，水循环加剧将进一步影响区域水资源。整体上，内蒙古可利用水资源未出现明显变化，但当升温达到2～3 ℃后，部分区域(MA、MSA和WSH)出现可利用水资源减少的情况(图6和表5)。Chen等基于22种全球气候模式和区域气候模式指出，全球变暖对21世纪末我国南方部分地区的干旱情况增加；马丹阳等发现，在RCP 8.5情景下中国未来存在湿润区显著减少、干湿过渡区显著扩张的干湿分布格局，与研究特征描述一致，持续升温可能将加剧干旱半干旱区的水资源匮乏并影响半湿润区的水资源。

蒸散作为水资源主要的耗散项，对水资源高效利用具有重要意义。内蒙古干旱半干旱区降水对蒸散变化起主导作用，在半湿润区降水和温度影响地位相当，在湿润区域温度变化主导了蒸散变化。在越干旱的区域降水对蒸散影响更大，降水的增加在一定程度上减缓干旱半干旱区域的干旱加剧，但到达更高的升温情景时，增温影响进一步增大，增温造成的大气水分亏缺加大水汽梯度，蒸散耗散不断增加，造成区域水循环加速，蒸散开始受到降水的限制。水资源的变化主要取决于降水和蒸散的变化速度，Huntington指出，全球升温导致水循环加速，加剧水资源的不确定性。蒸散加剧导致水循环加速，进而加剧未来极端天气事件的强度和频率；苏布达等基于1961—2100年多模式结果研究发现，未来中国实际蒸散持续增加将导致加剧极端干旱事件。

同时，在升温和降水增加的气候变化影响下，未来内蒙古植被绿化趋势明显。植被对蒸散的影响十分复杂，植被受气候变化和自身调节作用共同影响蒸腾耗水量，并作为重要的环境因子，影响地表温度、湿度、粗糙度等以影响蒸发。在以森林为主的湿润区，植被通过加速蒸腾的冷却作用应对高温，但在RCP 8.5情景下，一方面植被绿化趋势对蒸腾的影响减小，这可能由于蒸散对植被绿化的敏感度随辐射增加而降低；另一方面，这可能由极端高温导致的气孔闭合导致，但由于LAI的增加，总体蒸腾仍然呈增加趋势；且由于森林对地面的遮挡作用，蒸发所占比例很小，植被增加虽然不利于土壤蒸发但受高温影响，空气水汽梯度增加，土壤蒸发仍呈上升趋势。在干旱半旱区，草地对气候变化十分敏感，高温和水分短缺导致部分气孔闭合以维持自身生长，持续升温导致蒸发所占比例增加，蒸发造成的水分耗散高于植被蒸腾，在RCP 8.5情景下蒸散支出增加快于降水收入增加，部分区域产水量减少，未来该区域可能出现更严重的水资源危机。植被由于其自我调节能力，对应对未来气候变化具有重要的作用。虽然有研究者指出植被绿化有利于年蒸散量，但对产水量有负向影响，加剧了缺水地区的水资源短缺，但植被的存在一定程度上抑制土地蒸发导致的无效耗水量，因此，在干旱半干旱区，科学的生态工程能够在一定程度上提供水资源有效利用率，以缓解水资源短缺。由于在本次研究中没有考虑由于生态政策等造成的植被绿化导致的水资源变化，因此，如何平衡植被对蒸腾和蒸发的影响和生态系统与人类的需水矛盾，植被对于区域水资源的影响还需进一步探究。

4 结 论

(1)未来内蒙古地区升温快于全球平均水平，在RCP 6.0情景下，气温在2040年之后出现较为稳定的1.5 ℃升温，在2050年后升温达2.0 ℃；而在RCP 8.5情景下，内蒙古区域气温将在2040—2049年期间上升2.0 ℃，在2050年后升温超过3.0 ℃。

(2)整体上，未来内蒙古地区蒸散均呈西低东高分布，蒸散呈显著增加趋势，RCP 8.5情景下增速快于RCP 6.0情景。降水补充一定程度上抵消蒸散耗水，产水量并无明显增加趋势；到21世纪末，在RCP 6.0情景下，全境产水量大部分地区呈增加趋势，在南部半干旱和半湿润区增加超过10 mm/a；但是在RCP 8.5情景下干旱半干旱区和半湿润区产水量呈减少趋势，减少区域占全境的46.32%。

(3)内蒙古干旱半干旱区降水对蒸散变化起主导作用，在半湿润区降水和温度影响地位相当，在湿润区域温度变化主导蒸散变化。植被是区域蒸散的重要影响因子，其影响是由对蒸腾和蒸发的影响共同决定的。RCP 6.0情景下降水对产水量增加贡献更大，干旱区受降水和蒸散的共同影响。在RCP 8.5情景下，干旱半干旱区和半湿润区产水量蒸散影响显著。持续升温加剧蒸散耗散，并进一步加剧干旱区的水资源匮乏，影响半湿润区的水资源。