氣候變化和人類活動對水文循環(huán)影響研究進展

本文是一篇職稱論文，本文總結(jié)了定量區(qū)分氣候變化和人類活動對水循環(huán)過程影響研究中的主要問題和不足，提出了未來需要重點加強氣候變化和人類活動對水循環(huán)要素變異的驅(qū)動機理及貢獻分解研究、加強水循環(huán)要素時空變異特征的診斷以及模型評價技術(shù)和不確定性量化研究等。
1研究背景
近百年來，地球氣候系統(tǒng)正經(jīng)歷著顯著的變化，加之劇烈的人類活動影響，不同程度地改變了水文循環(huán)過程。因此，變化環(huán)境下水文循環(huán)與水資源脆弱性成為水科學的研究熱點之一，氣候變化和人類活動作為變化環(huán)境的兩個重要體現(xiàn)和組成部分，其帶來的水文效應(yīng)問題受得各國學者的廣泛關(guān)注。特別是世界氣象組織（wmo）、聯(lián)合國科教文組織（unesco）、聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（unep）、聯(lián)合國發(fā)展署（undp）和國際水文科學協(xié)會（iahs）等陸續(xù)實施了一系列國際水科學方面的合作項目或研究計劃，如政府間氣候變化專門委員會（intergovernmental panel on climate change，ipcc）、世界氣候研究計劃（world climate research programme，wcrp）、國際地球生物圈計劃（interna?tional geosphere-biosphere programme，igbp）、國際水文計劃（international hydrological programme，ihp）和全球水系統(tǒng)計劃（global water system programme，gwsp）等。目的是從全球、區(qū)域和流域等不同尺度探討變化環(huán)境下的水循環(huán)及相關(guān)的資源環(huán)境問題。與此同時，我國也積極開展了一系列的科學研究計劃，以支持國內(nèi)學者開展變化環(huán)境（全球變化和人類活動）對水循環(huán)的影響研究，探討變化環(huán)境下的水循環(huán)過程及水資源演變機理，系統(tǒng)評價各種驅(qū)動因子的相對作用與貢獻。這些工作對于我國未來水資源規(guī)劃管理，防災(zāi)減災(zāi)及保證經(jīng)濟社會發(fā)展都具有重要的現(xiàn)實意義。
國內(nèi)外圍繞變化環(huán)境下水循環(huán)過程變化的檢測與歸因方面開展了大量的研究工作，如變化環(huán)境下水循環(huán)要素的演變規(guī)律，氣候變化和人類活動對水循環(huán)過程變化的主要貢獻率的量化與分離等。其中多數(shù)研究集中于分析兩者對單一水循環(huán)要素的影響，如從水分收入項（如降雨）和支出項（如蒸散發(fā)）的變化入手，或從地面徑流量的變化入手，或單獨研究氣候變化或人類活動（如城市化）的水文效應(yīng)。然而由于研究方法的單一性和不確定性，目前仍無法詳細闡釋兩者對水循環(huán)過程及水系統(tǒng)的影響機理。因此，正確認識變化環(huán)境下水文情勢演變規(guī)律、陸面水文過程的響應(yīng)機制以及水循環(huán)要素變化檢測與歸因成為當前水科學研究的關(guān)鍵問題。通過對國內(nèi)外相關(guān)研究進行梳理，剖析氣候變化和人類活動對陸面水循環(huán)過程影響研究的主要成果，探析變化環(huán)境下水循環(huán)要素的演變規(guī)律，歸納和總結(jié)水循環(huán)要素變化的檢測和歸因方法以及當前研究所面臨的主要問題，展望未來研究的總體趨勢和方向，旨在為變化環(huán)境下的水循環(huán)過程驅(qū)動機制的理論研究提供借鑒和參考。
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2檢測與歸因的定義與方法研究
過去經(jīng)常把系統(tǒng)或變量變化的檢測與歸因并提，認為檢測和歸因分析是研究觀測到的系統(tǒng)或變量是否具有顯著性，外強迫或驅(qū)動因素是否為所研究系統(tǒng)觀測到的變化的原因。為了明確區(qū)分兩者的差異，ipcc第三次和第四次評估報告都提供了明確的定義，其中第四次評估報告指出“氣候有各種時間尺度的變化，氣候變化的檢測是一個過程，要證實氣候在某種統(tǒng)計意義上發(fā)生了變化，但是并不涉及氣候變化的成因，而氣候變化的歸因研究也是一個過程，要在一定置信度水平下確認檢測到的氣候變化的最可能成因”。綜合以上觀點與認識，本文將檢測定義為：基于某種或某些給定的統(tǒng)計方法或統(tǒng)計規(guī)律，從統(tǒng)計意義上對系統(tǒng)變量進行分析其變化過程及演變規(guī)律或發(fā)展趨勢，而不提供該變化的原因或分析影響該變化的驅(qū)動因素。同樣定義歸因分析為：在某種可信度條件下或置信水平內(nèi)，通過一些數(shù)學方法或統(tǒng)計模型評估或量化多個驅(qū)動因素對某一系統(tǒng)變量變化或某一事件演變過程的相對貢獻的過程，而這種變量的變化過程或趨勢必須能夠通過某些途徑檢測出來。由此可知，變化環(huán)境下水循環(huán)要素的檢測，主要研究環(huán)境變化引起的陸面水循環(huán)要素的變化及演變趨勢，而歸因分析則主要討論引起上述變化的主要驅(qū)動因素，并定量或半定量區(qū)分各種驅(qū)動因素的主要影響及相應(yīng)的貢獻率。對于檢測與歸因的方法研究，國內(nèi)外已經(jīng)開展了大量的工作，取得了豐富的研究成果。

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3變化環(huán)境下水循環(huán)要素變化的檢測與歸因
氣候變化和人類活動共同影響著全球水循環(huán)過程，氣候系統(tǒng)內(nèi)部的任何變化以及人類活動每個環(huán)節(jié)影響都將在水文循環(huán)的關(guān)鍵要素中得到反映或體現(xiàn)，如圖1所示。如氣溫升高時，蒸發(fā)加劇、土壤水分及下滲強度也將隨之改變。反之，水文要素的變化同樣對氣候系統(tǒng)直接或間接地產(chǎn)生影響，陸地土壤濕度、反射率及植被的變化也將影響土壤蒸發(fā)、植被蒸騰及降水等。人類活動對水循環(huán)要素的影響主要體現(xiàn)在3個方面：（1）改變了流域的產(chǎn)匯流條件，主要包括土地利用變化、水保工程和流域河道整治等的影響；（2）人類直接取用水，主要包括跨流域調(diào)水及灌區(qū)等引水工程，地下水開采等；（3）影響河道的匯流過程，主要包括水庫塘壩等蓄水工程的影響。通常，這兩者共同作用且相互影響，往往很難精確地定量分離兩者各自對水循環(huán)要素的影響。因此，如何定量檢測變化過程或趨勢以及如何有效實現(xiàn)歸因分析的定量化，已成為水文科學界不斷努力的方向。目前國內(nèi)外在此方面已經(jīng)取得了一些階段性成果，以下分別從降水、蒸發(fā)和徑流三方面來探討變化環(huán)境下的檢測和歸因問題。

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3.1降水變化檢測及歸因分析
自ipcc第二次評估報告發(fā)布以來，北半球中高緯度（除東亞地區(qū)）陸地降水量繼續(xù)增加（約每10年增加0.5%~1.0%），副熱帶陸地地區(qū)平均降水量呈下降趨勢（約每10年降0.3%），而熱帶陸地降水測量結(jié)果表明，20世紀降水量可能增加了約（0.2%~0.3%）/10a。與北半球相比，南半球整體沒有檢測到比較系統(tǒng)的變化。另外有研究結(jié)果估計20世紀全球陸地上的降水量增加2%左右，但各個地區(qū)實際的變化并不一致，同樣基于不同時間序列和站點資料得出的結(jié)果也存在較大差異。由此可知，由于降水變化存在極大不確定性以及全球變化的影響逐漸顯著，使得準確估計全球平均降水量的變化趨勢比較困難。但唯一明確的是全球變化使得全球水循環(huán)過程發(fā)生改變，且降水量變化進一步加速，使得降水的年際與年內(nèi)變化增大，變差系數(shù)顯著增加，因而增加了水文氣象極端事件（如極端干旱、暴雨洪澇等）發(fā)生的概率。如美國國家海洋和大氣管理局（noaa）給出的全球和美國48個州（除阿拉斯加州和夏威夷州以外）的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在過去的20世紀，全球降水增加了1.9%，而美國48個州的降水增加了6.4%，除了美國夏威夷和西南部分地區(qū)減少外，其他地區(qū)均出現(xiàn)增加趨勢。同樣由加拿大環(huán)境部提供的數(shù)據(jù)顯示，1948—2011年加拿大的降水量呈現(xiàn)前降后升，分界點在1970年前后，近40年的降水相對增加了2%~3%。根據(jù)我國《氣候變化國家評估報告》的研究結(jié)果，我國近100年來平均降水變化總體趨勢不顯著，但存在顯著的年際和年代際振蕩以及區(qū)域性變化。從降水量的季節(jié)變化來看，春季和秋季變化較顯著，分別增加20.6mm和減少27.3mm。從降水量的空間分布區(qū)域變化來看，我國東北東部、華北中南部的黃淮海平原和山東半島、四川盆地以及青藏高原部分地區(qū)出現(xiàn)不同程度的下降趨勢，其中山東半島負趨勢特別顯著，海河、黃河、遼河和淮河流域年降水量減少顯著，而全國其他區(qū)域的年降雨量呈現(xiàn)增加趨勢，其中長江下游、華南、東南地區(qū)以及西部內(nèi)陸河顯著增加。這與其他研究結(jié)果得到的中國年均降水變化和年內(nèi)季節(jié)變化保持較好的一致性，但由于選擇的時間序列不同而略有差異。表2給出了我國9大流域片區(qū)降水量變化的主要趨勢。
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3.2蒸散發(fā)變化檢測與歸因分析
蒸散發(fā)過程體現(xiàn)了物質(zhì)和能量的交換，是全球氣候系統(tǒng)動態(tài)平衡中的重要環(huán)節(jié)。既是連接全球水循環(huán)（包含大氣水、地表水和地下水）過程的重要紐帶，也是水陸表面熱量平衡的關(guān)鍵因素，且受能量供給條件、水汽輸送條件與蒸發(fā)介質(zhì)的供水能力等3個方面的影響。其中能量供給主要來源于太陽凈輻射，而太陽凈輻射又受日照時數(shù)及氣溫等因子的影響；水汽輸送條件取決于飽和差及風速的大小；而蒸發(fā)介質(zhì)的供水能力則由下墊面性質(zhì)及植被狀況決定。因此，可以說蒸散發(fā)與氣候變化和土地利用/覆被變化緊密聯(lián)系，對蒸散發(fā)過程的精確估算是真實反映氣候變化和人類活動對流域水文循環(huán)影響的重要前提和基礎(chǔ)。
在蒸發(fā)量的研究中，多數(shù)著眼于蒸發(fā)量的量測結(jié)果，即蒸發(fā)皿蒸發(fā)量，并用其代表區(qū)域蒸發(fā)量。近幾十年來，許多地區(qū)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量存在顯著的減少現(xiàn)象，這種變化正是發(fā)生在全球氣溫顯著增高時期。然而，這種現(xiàn)象與最初的科學認識存在不一致現(xiàn)象，即正常情況下氣溫升高會促進水分蒸發(fā)，即意味著蒸發(fā)皿蒸發(fā)量應(yīng)該增大。但是觀測的結(jié)果與理論發(fā)生嚴重不對應(yīng)的現(xiàn)象，且這種現(xiàn)象在全球許多地方得到驗證，如北半球的美國、中國、俄羅斯、印度、意大利和南半球的澳大利亞、新西蘭等。因此，這種現(xiàn)象被稱為“蒸發(fā)悖論”或“蒸發(fā)謬誤”。對于蒸發(fā)皿蒸發(fā)量減少的原因一直是這個問題討論的重點，有些研究認為云量增多，日照時數(shù)減少，輻射能力下降，蒸發(fā)過程需要的能量減少，因而蒸發(fā)量下降。如左鴻超等利用邊界層梯度輸送理論和能量守恒原理分析了蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的物理意義，通過全國62個觀測站1961—2000年間蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化趨勢研究，發(fā)現(xiàn)其中41個觀測站下降趨勢明顯（最大-24.9mm/a），其余21個站有上升趨勢（最大10.4mm/a），同時指出蒸發(fā)量的變化受多個環(huán)境因子的影響，不能僅根據(jù)某個單因子變化來解釋，但大氣中水汽含量增加明顯，導致云量增加，影響云物理屬性變化，成為影響當前多數(shù)地區(qū)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量下降的一個原因。roderick和farquhar則認為云量和氣溶膠增加導致太陽輻射下降，使蒸發(fā)皿蒸發(fā)量下降，并從溫度日較差變小的事實出發(fā)，從理論上解釋了近年來太陽輻射總量減少引起的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量減少。
通常認為蒸發(fā)皿蒸發(fā)只是有限水面的自由蒸發(fā)，嚴格意義上它僅代表一個地區(qū)接受太陽能量多少的指標，而不能代表水分的變化。而陸地表面的實際蒸發(fā)才是衡量水分變化的客觀變量，兩者有聯(lián)系但不能相互替代。由于實際蒸散發(fā)難以直接觀測，往往需要通過潛在蒸散發(fā)來間接求解，因此，潛在蒸散發(fā)的研究也成為蒸散發(fā)研究的重要環(huán)節(jié)。在全球變暖的大背景下，很多區(qū)域的潛在蒸散發(fā)量具有明顯下降的趨勢，這與蒸發(fā)皿蒸發(fā)量的下降趨勢保持較好的一致性，諸多研究也表明了潛在蒸散發(fā)與蒸發(fā)皿蒸散發(fā)之間的相互關(guān)系，特別在濕潤地區(qū)更密切。
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3.3徑流變化檢測與歸因分析
對于變化環(huán)境下河川徑流的變化檢測與歸因研究，已經(jīng)得到國內(nèi)外水文科學工作者的廣泛關(guān)注，取得了豐富的研究成果。然而，諸多研究結(jié)果表明，全球范圍內(nèi)全球變化和人類活動對區(qū)域徑流的影響沒有一致的變化趨勢，且徑流變化較溫度等要素的變化存在較大的不確定性。全球大部分地區(qū)的徑流量有明顯減少趨勢，如我國淮河以北的大部地區(qū)（其中黃河、海河、遼河流域特別顯著）、撒哈拉沙漠以南的非洲地區(qū)、歐洲南部、南美洲的南部地區(qū)、澳大利亞南部以及北美的西部地區(qū)等。同樣，也有部分地區(qū)呈現(xiàn)增加趨勢，如南美洲南部的拉普拉塔河流域、北美洲的中南部地區(qū)、澳大利亞的北部、我國的南方部分地區(qū)。此外，徑流量的季節(jié)變化表現(xiàn)顯著，如諸多研究結(jié)論表明，冬季氣溫升高將造成大部分降水以雨水形式降落，使得冬季徑流量增加，而夏季徑流量則呈現(xiàn)減少趨勢。根據(jù)我國9大流域片區(qū)徑流變化趨勢分析的研究結(jié)果，表3總結(jié)了我國9大流域徑流變化特征及其歸因分析結(jié)果。
對于河川徑流量變化的歸因分析一直被認為是當前水文科學界的熱點和難點問題之一，即如何判斷徑流變化的驅(qū)動機制，建立徑流量與相應(yīng)驅(qū)動因子的關(guān)系，討論影響河川徑流量變化的主要因子。近年來，針對此問題的研究成果較多，觀點各異。如劉昌明等根據(jù)黃河干流主要水文站近50年來觀測資料，定量分析得出氣候變化是黃河上游干流實際來水量不斷減少的原因，即主要驅(qū)動力為氣候變化，約占75%，同時分析得出中游干流的來水量減少受人類活動的影響偏多。
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3.4存在的主要問題
雖然目前國內(nèi)外水文氣象學者已經(jīng)意識到水文循環(huán)要素變異及其對應(yīng)的水資源安全問題的重要性，并開展了大量的研究工作，對全球及區(qū)域尺度水文循環(huán)要素變化檢測和歸因分析取得了一定的進展，但仍然存在一些問題和困難有待解決，主要包括以下幾個方面。
（1）在針對氣候變化和人類活動對水循環(huán)過程及水資源安全的影響模擬研究中，目前主要假定為確定的下墊面條件，或把上述因素作為水循環(huán)模型的輸入因子考慮，而未能將社會經(jīng)濟變化、自然環(huán)境變化、人類活動影響及水循環(huán)系統(tǒng)耦合在一起構(gòu)建廣義水循環(huán)模型，這在一定程度上也阻礙了水循環(huán)模型作為基礎(chǔ)模型研究變化環(huán)境下的水文過程模擬研究。
（2）水循環(huán)要素變化的檢測往往依賴于實測站點資料數(shù)據(jù)，依據(jù)各種統(tǒng)計方法對多年時間序列數(shù)據(jù)進行分析，可以認為是一種空間有限站點的時間尺度的研究，對于空間尺度上的演變特征考慮較少，且由于觀測站點數(shù)據(jù)固有的不足，使得檢測結(jié)果往往局限于點的時間序列分析或側(cè)重于面的空間分布描述，而無法展現(xiàn)各要素的時空屬性特性。
（3）徑流變化的檢測歸因分析比其他因素要困難，不僅由于土壤濕度和實際蒸散發(fā)缺乏觀測數(shù)據(jù)，還由于其他眾多的“混淆因子”的影響，不弄清楚它們內(nèi)在的自然變化以及眾多驅(qū)動因子對徑流變化的影響，不能得到正確的檢測與歸因結(jié)果。雖說目前諸多的研究都針對徑流變化的歸因分析，但其中的一些多因素影響機理及相互作用問題仍然不清楚，無法簡單地分離各類因素的影響，而忽視各因素的綜合作用效果，如人類活動如何影響氣候變化，以及氣候變化對徑流過程的影響有多少是人類活動引起的。此外對于常用的水文模擬技術(shù)方法，其本身的適應(yīng)性和不確定性問題一直困擾著模型的應(yīng)用，如何選擇或構(gòu)建一個合適的有效的評估模型進行徑流變化歸因分析也成為變化環(huán)境下水循環(huán)過程研究的關(guān)鍵，等等，這些問題都需要進一步的深入探討。
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4結(jié)論與展望
近年來，伴隨氣候變化以及大規(guī)模工程建設(shè)，快速城市化擴張等劇烈的人類活動，水文要素發(fā)生了顯著的趨勢性變化，極端水文事件發(fā)生的機率明顯增加，城市內(nèi)澇災(zāi)害等突發(fā)事件日趨頻繁，致使當前的水資源安全壓力不斷加大，為區(qū)域水循環(huán)及水資源安全提出了諸多挑戰(zhàn)。綜合以上分析可知，目前在變化環(huán)境下的水文效應(yīng)機理研究尤其在定量化研究、水文要素的變異性識別、時空尺度的復雜性問題以及兩類要素對水循環(huán)過程的影響分離等方面仍然不足，未來需要重點加強氣候變化與人類活動對水循環(huán)要素變異的驅(qū)動機理研究，強化水循環(huán)要素時空變異的診斷分析，量化變化環(huán)境下的水循環(huán)過程的時空變異特征并揭示變化條件下的極端水文氣象事件規(guī)律，以便準確把握氣候變化和人類活動影響下的水資源演變規(guī)律，合理調(diào)控，保障人類社會發(fā)展的水資源安全。為此，在今后的研究中具體需要從以下幾個方面努力：
（1）對于實測系列水文循環(huán)要素資料的變化趨勢分析，需要通過物理及統(tǒng)計模型等多種方法檢測其變化趨勢，從自然和人為等多種驅(qū)動因子變異程度及其對這些變化的響應(yīng)尋求對水文要素變化影響最重要的因子。當然對于不同的時空尺度，影響水文要素變化的驅(qū)動因子有所差異，但首先需要突破的是流域尺度上的變化問題。同樣需要特別關(guān)注徑流變化的歸因分析，離不開不同土壤植被的蒸散發(fā)及蒸發(fā)潛力變化趨勢的歸因研究。目前大多數(shù)觀測表明蒸發(fā)潛力呈減少趨勢，但實際蒸散發(fā)是增加還是減少，它們與溫度升高有怎樣的關(guān)系，這對于改進水文模型是非常重要的。在變化環(huán)境下，需要綜合考慮有關(guān)的水文氣象要素（如溫度、日照時數(shù)、水汽壓、相對濕度、比濕、風速、降水、徑流、土壤濕度、蒸發(fā)潛力、實際蒸發(fā)等）變化，從陸-氣水量能量交換的觀點，研究他們在氣候變暖條件下的變化特點與變化趨勢，從最大限度地利用長系列水文氣象要素觀測數(shù)據(jù)，物理模型與統(tǒng)計模型的模擬，水文循環(huán)各分量變化趨勢的檢測與對各種驅(qū)動因子的響應(yīng)分析，到最后從數(shù)量上回答自然的與人為因子貢獻的大小，這種多要素檢測與歸因分析可能會揭示一些新的發(fā)現(xiàn)和認識。
（2）水文與氣象極端事件的變化格局的檢測與歸因分析是全球變化研究的關(guān)鍵部分，因為其直接關(guān)系到社會經(jīng)濟的發(fā)展和國家安全等問題，與國家有關(guān)決策直接相關(guān)，同時也是受變化環(huán)境影響最為顯著的問題。由于極端事件的變化格局與氣候的自然變異及人為的強迫變化有著不同程度的密切聯(lián)系，因此采用什么樣的技術(shù)手段或方法能定量給出自然的與人為強迫的影響，且可以有效分析各自影響的不確定性程度或者貢獻比，可為決策者提供較高的可靠度和理論依據(jù)。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，結(jié)合物理基礎(chǔ)較強的模型和先進的統(tǒng)計技術(shù)方法來開展水文氣象極值的變化格局也逐漸成為今后研究的一個亮點。
參考文獻（略）

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