长江流域未来气候变化预估研究

摘 要：全球变暖大背景下，长江流域未来气候将发生显著改变，亟需综合全面地评估长江流域未来气候变化特征。基于观测资料和全球气候模式预估结果，并结合Mann-Kendall趋势检验方法和陆面水分平衡收支方法，分析长江流域未来气温、降雨和径流的时空变化特征。研究表明，随着温室气体的不断上升，长江流域2025—2100年期间的年均气温增幅为0. 23℃/10a（SSP2-4. 5）和0. 32℃/10a（SSP5-8. 5），温度的上升区域主要分布在长江流域南部地区。大气水汽含量的增加，使得未来长江流域的降雨为增加趋势且随着辐射水平的上升增加幅度越大。降雨的增加通过了Mann-Kendall趋势检验95%显著性水平，每10 a增幅达1. 32 mm/月（SSP2-4. 5）和2. 52 mm/月（SSP5-8. 5）。长江流域降雨的显著增加使得未来流域内的年径流量在温室气体浓度路径下也为增加趋势，每10 a变化幅度分别为1 371 m3/s（宜昌站）、827 m3/s（汉口站）和 332 m3/s（大通站），对流域内防洪、抗旱、航运、灌溉和生态需水等带来了研究的挑战。

关键词：降雨；温度；气候变化；CMIP6；长江

中图分类号：TV125；P333 文献标识码：A 文章编号：1001-9235（2024）09-0011-08

IPCC第6次评估报告指出，预计21世纪全球温升超过1. 5℃，气候风险及所预估的不利影响和相关的损失与危害将随着全球变暖的加剧而升级，进而促使大尺度环流结构发生改变，加剧区域以及全球的水循环，进一步影响降水以及强降水的空间分布［1］。长江流域主要位于亚热带季风气候区，气候条件复杂多变，区域降水年内和年际变化率大，旱涝灾害频发，使得长江干流水沙过程和河床显著改变［2-6］。因此，在全球变暖背景下综合全面评估长江流域未来气候变化特征，分析长江流域未来气温、降雨和径流的变化特征尤为重要。

近年来，国际耦合模式比较计划（Climate ModelIntercomparison Project，CMIP）在气候预估方面得到了广泛的应用。目前已有许多学者基于模式比较计划对长江流域水文过程和未来气候变化进行了研究［7-10］。詹明月等［11］在SSP126、SSP245、SSP585气候情景下，辐射-植被-ET呈正相关。周莉等［12］研究发现极端降水的贡献主要来自于极端降水日的较大日降水量，而非极端降水日数。黄金龙等［13］研究发现2011—2040年寸滩以上流域气温呈持续上升趋势，年径流将上升14. 2%，且流域的未来峰值流量预计将有所增大。金兴平等［14］通过建立大尺度统计和概念水文模型研究发现在不同排放情景下，受气候变化影响，长江流域地表径流在未来20～30 a呈略微减小趋势，之后呈明显增大趋势。程雪蓉［15］研究发现流域降水呈东部及盆地多川西高原少、南多北少，冬季降水线性趋势低，夏、秋季区域变化比较明显。然后，综合全面分析未来长江流域气温、降雨和径流变异特征的研究较少。此外，全球气候模式未来气候预估结果存在较大误差，需要采用偏差校正技术处理后方可应用于研究长江流域未来水文气候变化特征。

基于长江流域气候、水文观测资料和30套全球气候模式模拟结果，本文拟采用CDF-t统计降尺度技术将大尺度、低分辨率的全球气候模式输出数据转化为小尺度、高分辨率的长江流域气候变化数据［10］。结合降尺度处理后的降雨蒸散发等数据和陆面水分平衡收支方法，预估未来长江流域径流的数据。最后，基于Mann-Kendall趋势检验方法，全面剖析未来百年长江流域水文（径流）气候（降雨和温度）的变化特征，相关研究成果可为流域水资源优化配置提供一定理论指导。

1 研究数据和方法

1. 1 气候变化模式和气候观测数据的选取

本文共采用30套气候模式探究未来长江流域水循环变化特征（表1）。其中，每套气候模式均涵盖逐月降水、蒸散发、地表径流和温度4个气候变量，且各气候模式资料均包含历史时段（1980—2014年）和预估时段（2025—2100年），历史数据用于气候模式偏差校正的校准和验证，预估数据用于预估研究区未来气候和径流的变化特征。对于未来预估数据，本研究采用2种气候预估情景：SSP2-4. 5和SSP5-8. 5，分别代表中、高排放情景。

本研究所收集的气象观测数据包含长江流域-洞庭湖交汇区及其周边的125 个站点1980—2022年逐日降水、蒸散发和温度数据，来源于中国气象数据网（http：//data. cma. cn）。本研究国际通用气候数据库，收集了来源于HadCRUT4数据库的观测降雨和温度数据，以及来源于GLEAM 数据库的观测蒸散发数据。

1. 2 长江流域未来径流预估

蒸散发、土壤水、排水和径流的过程决定了陆面过程的水分收支，通过考虑3种蒸散发：冠层湿部的蒸发通量（式1）、叶丛的蒸腾（式2）和裸土的蒸发（式3），并结合全球气候模型气候输出数据，进行2025—2100年长江流域未来径流变化特征的预估。

Ew = δc σc ρa ILA[ qs （Tc ） - qac ] /rb （1）

Etr = （1 - δc ）σc ρa [ qs （Tc ） - qac ] /（rb + rf ） （2）

Eg = ρa [ q*s （T1 ） - qac ] /（rd + rs ） （3）

式中：σc 为冠层覆盖度；δc 为湿部所占叶丛面积的比例；ρa 为空气密度；ILA 为叶面积指数；Tc 为冠层温度；T1 为上层土壤温度；qac 为冠层内比湿；qs （Tc ）为冠层内饱和比湿；rb 为叶丛表面边界层阻抗；rs 为土壤阻抗；rd 为空气动力阻抗；rf 为整体冠层气孔阻抗；q*s （T1 ）为空气比湿。

当土壤上层水分饱和时产生径流，此时到达地面的降水不再渗入土壤而是作为地表径流（Rof ）流走，见式（4）：

式中：Pg为到达地面的有效降水和雪水。Pg可由式（5）计算得来：

Pg = P - Ew - Etr - Eg （5）

土壤上层水分和降雨、蒸散发之间的互馈机制为式（6）。结合式（1）—（6），可以预估未来长江流域地表水文过程。

ρgddWdt = P - Ew - Etr - Eg - Rof （6）

式中：ρg 为水的密度；W 为整个土层的含水量。

1. 3 统计降尺度

本文采用转移累计概率分布 （CumulativeDistribution Function-transform， CDF-t） 降尺度法将大尺度、低分辨率的全球气候模式输出数据转化为小尺度、高分辨率的长江流域气候变化数据。CDF-t统计降尺度的主要思想是假定存在一个转移函数将大尺度变量的累计概率分布函数与观测变量的累计概率分布函数建立联系［16］。本文的历史时段为1950—2014年，前30 a选为建模时期，基于全球气候模式输出数据和观测数据建立降尺度关系。后35 a定位验证时期，用于评估降尺度技术的可靠程度。基于稳健的降尺度函数关系，本文旨在对未来2025—2100年长江流域气候预估数据就行降尺度处理，以此探究未来流域的气候变化特征。

2 研究结果

2. 1 全球气候模式预估径流的适用性评价

结合CDF-t统计降尺度技术和流域水量平衡模型，本文模拟了1997—2013年长江流域主要水文站的径流过程（图1）。研究发现，多模式集合平均径流模拟结果和实测结果吻合性较好，可较好反映长江流域径流量的变化特征。通过建立1980—1996年径流量和水位之间的多元回归关系式，相关系数达0. 99。将1997—2013年实测径流量代入回归模型中模拟1997—2013年水位变化过程，其观测水位变化过程具有较好的一致性，各水文站模拟误差较小。综上分析认为，本研究基于全球气候模型预估数据计算的长江流域径流数据可较好反映长江中下游月均尺度的气候和水文过程。

2. 2 长江流域气温的现状及未来趋势

基于站点观测数据，本研究计算了1980—2014年长江流域的多年平均气温分布。由图2 可以看出，长江上游源头以及金沙江水域、大渡河、雅砻江、岷江以北的边缘地区历史年平均温度均低于9℃，而长江中下游的湘江、赣江流域的历史年平均温度均高于13℃，长江中下游的温度高于长江上游及源区（图2a）。长江流域多年平均温度约为11. 8℃，其最高气温和最低气温之间分别相差约29. 2℃。基于线性拟合方法，本研究计算了长江流域网格尺度上气温的变化趋势。由图2b可见，随着温室气体的不断上升，长江流域年均气温整体呈现上升趋势，温升数值为0. 47℃/10a。其Mann-Kendall趋势检验Z 统计值为1. 83，通过了95%的显著性检验水平。年均温度上升区域主要分布在长江流域南部地区。90年代以前变暖趋势较缓，90年代后变暖趋势较为明显（图2b）。从各季节长江流域气温趋势系数分布可看出，春季、夏季和冬季的年均温度均表现为上升趋势，温度上升值分别为1. 14、1. 27、0. 04℃/10a。

本研究基于全球气候模式2025—2100年的气候预估数据，分析了未来86 a不同排放情景下长江流域气温变化特征。由2025—2100年长江流域的多年平均气温分布（图3）中可以看出，未来长江流域的多年平均气温仍呈现西低东高的空间分布特征，江源地区气温较低，而四川盆地及中下游地区温度较高，其未来多年的平均温度约为12. 7℃（SSP2-4. 5）和13. 1℃（SSP5-8. 5）。其中，2050、2070、2090 年的年均温度分别为12. 1℃、12. 6℃、13. 0℃（SSP2-4. 5）和12. 4℃、12. 9℃、13. 5℃（SSP5-8. 5）。长江中游未来百年多年平均的温度为20. 4℃（SSP2-4. 5）和20. 9℃（SSP5-8. 5）。

随着温室气体的不断上升，线性拟合方法的结果表明长江流域的年均气温整体呈显著增加的趋势，温升数据为0. 23℃/10a（SSP2-4. 5，图3c）和0. 32℃/10a（SSP5-8. 5，图3d）。在SSP2-4. 5 和SSP5-8. 5情景下，长江流域的气温变化不论在哪个时期都是增温的。远期增温幅度最大，近期增温幅度最小。从各季节长江流域气温趋势系数分布可以看出，春、夏、秋、冬季的年均温度均为上升趋势且均通过了Mann-Kendall趋势95% 显著性水平的检验。其中，春季的温度上升速度最快，为0. 24、0. 26℃/10a（SSP5-8. 5），夏季的增温速度最小为0. 94℃/10a（SSP2-4. 5）和0. 97℃/10a（SSP5-8. 5）。

2. 3 长江流域降雨的现状及未来趋势

基于站点数据的HadCRUT4观测资料，图4a呈现了长江流域的多年平均降雨分布特征。研究表明，长江流域多年平均降雨量分布极不均衡，江源地区降水少，不足500 mm/a，而长江中下游区域（靠近东部沿海及四川盆地西部地区）的降雨量较为充沛，达1 500 mm以上，总体呈东多西少的分布特征（源区降水量<中游降水量<下游降水量）。从季节来看，长江流域的降雨主要集中在夏季（6—8月），平均降雨量可到400 mm。基于线性拟合方法，探究了长江流域降雨量的变化趋势。研究发现（图4b），1980—2014年长江流域年降水量上下波动，整体无明显的上升或下降趋势，未通过95%显著性水平的检验。由空间趋势分布（图4b）可见，长江上游地区的降雨略有减小趋势（每10年为-0. 92 mm/月），长江中下游降雨的增加趋势较为明显（2. 74 mm/月）。从季节尺度来看，长江流域春季、夏季、秋季和冬季的降雨年变化幅度分布为每10 年3. 8、2. 8、-3. 9、1. 2 mm/月。

由图5和表2可见，未来长江流域多年平均降雨的空间分布仍极不均匀，呈现江源地区降雨稀少，而四川盆地及中下游地区降雨较高的特征。未来长江流域多年平均年降雨量约为1 200. 3 mm（SSP2-4. 5）和1 265. 6 mm（SSP5-8. 5）。其中，2050、2070、2090年的年降雨量分别为1 199. 7、1 226. 5、1 242. 4 mm（SSP2-4. 5）和1 214. 5、1 279. 7、1 317. 4mm（SSP5-8. 5）。长江中游未来百年多年平均的年降雨量为1 448. 1 mm（SSP2-4. 5）和1 498. 9 mm（SSP5-8. 5）。未来长江流域的年降雨量将呈显著的增加趋势，增幅分别为每10 a 1. 32 mm /月（SSP2-4. 5）和2. 52 mm/月（SSP5-8. 5）。2025—2035 年长江流域年降雨量为121. 4 mm/月（SSP2-4. 5）和123. 2 mm/月（SSP5-8. 5），而在2090—2100 年分别增加至129. 8 mm/月（SSP2-4. 5）和139. 2 mm/月（SSP5-8. 5）。空间分布特征来看，长江流域六大子区域未来的年降雨量也均呈显著的增加趋势，分别为每10 a 1. 88 mm/月（朱沱站集水区域）、0. 62 mm/月（寸滩站集水区域）、1. 79 mm/月（宜昌站集水区域）、0. 52 mm/月（螺山站集水区域）、1. 73 mm/月（汉口站集水区域）和1. 69 mm/月（大通站集水区域），其中以宜昌站集水区域降雨的增速最快。总的来说，不同情景下未来长江流域的年降水量随时间推移而增加，均通过了Mann-Kendall趋势检验95%显著性水平。

2. 4 长江流域径流量的现状及未来趋势

基于水文站观测资料，研究发现，三峡水库运行后坝下游各水文站的年均流量较蓄水前略有降低，整体无明显的变化趋势。宜昌、枝城、沙市、监利和螺山站在水库运行后的多年平均年径流量较蓄水前仅分别变化了-7. 2%、-6. 8%、-3. 3%、-3. 5%、-6. 5%，而该变化普遍认为主要与气候变化有关。沿程5个水文站枯期的平均径流量呈现出明显的抬升趋势，蓄水后的多年平均值较蓄水前分别抬升了14. 2%、18. 1%、15. 9%、15. 7%、7. 9%。与之相比，蓄水后汛期的平均径流量较蓄水前显著降低。在未来（图6），长江流域降雨的显著增加使得未来流域内的年径流量各个温室气体浓度路径下也为增加趋势，年变化趋势为781. 6±800. 3 m3（/ s·10a）（SSP1-2. 6 至SSP5-8. 5，宜昌站）、546. 5±457. 6 m3（/ s·10a）（汉口站）。2025—2035年期间长江中下游年径流量为25 940. 5 m3/s（宜昌站）、32 677. 8m3/s（汉口站）和35 926. 9 m3/s（大通站），而在2090—2100 年分别增加至31 045. 6、36 165. 7、37 712. 2 m3/s。同时，有无三峡水库运行调度影响下的年径流量趋势变化不大或发展趋势基本一致。三峡水库实行年内汛期削减洪峰，枯水期补给下游河流流量调度模式，即三峡水库运行对长江中下游年径流量变化趋势的影响较小。

在汛期，2025—2100年长江中下游的径流量也为增加趋势，年变化幅度分别为1 371 m3（/ s·10a）（宜昌站，SSP1-2. 6 至 SSP5-8. 5）、827 m3（/ s·10a）（汉口站）和332 m3（/ s·10a）（大通站），可能增加了长江中下游极端洪涝灾害的风险。在枯期，长江中下游未来的径流量仍为增加趋势，但年增幅较汛期显著减小，分别为 192. 2 m3（/ s·10a）（宜昌站）、266. 4 m3（/ s·10a）（汉口站）和 241 m3（/ s·10a）（大通站）。

3 结论

基于长江流域气候和水文观测资料，探究了1980—2014年长江流域气温、降雨和径流的变化特征。主要研究结论如下。

a）随着温室气体的不断上升，长江流域的年均气温整体呈现增加的趋势，温升数据为0. 47℃/10a，年均温度的上升主要分布在长江流域南部地区。90年代以前变暖趋势较缓，而在90年代后以后变暖趋势更为明显。长江流域年降水量上下波动，整体无明显的上升或下降趋势。

b）长江上游地区的降雨略有减小趋势（-0. 92mm/10a），长江中下游降雨的增加趋势较为明显（2. 74 mm/10a）。长江流域主要水文站的年均流量较蓄水前略有降低，整体无明显的变化趋势。

c）基于全球气候模式预估结果，预估了长江流域未来百年气候变化特征。研究发现，未来春季、夏季、秋季和冬季的年均温度均为上升。春季，在整个流域中气温增温的趋势都相当；夏季和秋季，长江中游的气温增温趋势要强于上游和下游地区。

d）在汛期和枯水期，长江流域各集水区域的降雨量均为显著的增加趋势，且降雨的增势随温室气体排放路径浓度的增加而增加。长江流域降雨的显著增加使得未来流域内的年径流量在温室气体浓度路径下也为增加趋势，年变化趋势为（781. 6±800. 3）m3（/ s·10a）（SSP1-2. 6 至 SSP5-8. 5，宜 昌站）、（546. 5±457. 6）m3（/ s·10a）（汉口站）。

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（责任编辑：向飞）

基金项目：国家重点研发计划项目（2022YFF1302902）