气候变化对水文水资源影响评价的不确定研究进展

Journal of Water Resources Research 水资源研究, 2020, 9(2), 169-178Published Online April 2020 in Hans. /journal/jwrrhttps:///10.12677/jwrr.2020.92018Review for Impact Assessmentof Climate Change on Hydrologyand Water Resources inUncertainties ResearchAnfeng Qiang1, Ni Wang1,2, Shuhong Mo1,2, Xia Wei11Institute of Water Resources and Hydroelectric Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an Shaanxi2State Key Laboratory of Eco-Hydrologic Engineering in Northwest Arid Region of China,Xi’an University of Technology, Xi’an ShaanxiReceived: Dec. 14th, 2019; accepted: Jan. 27th, 2020; published: Feb. 14th, 2020AbstractThis paper summarized the research progress and application fields on hydrology and water resources on the uncertainty of climate change. It was mainly due to the limited understanding of human beings about the hydrology and water resources uncertainties under climate change. Although scholars and ex-perts attributed many factors to human activities, they ignored the uncertainties of the system itself. The paper summarized the common uncertainty assessment methods and estimated the uncertainty of fu-ture climate change to study and forecast the hydrology uncertainty more accurately. At the same time, the paper came up with clear research direction and guidance recommendations. It is significant to seek change adaptation countermeasures and promote sustainable use of water resources in the context of global climate change.KeywordsClimate Change, Uncertainties, Evaluation Methods气候变化对水文水资源影响评价的不确定研究进展强安丰1，汪妮1,2，莫淑红1,2，魏霞11西安理工大学水利水电学院，陕西西安2西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西西安作者简介：强安丰，男，汉族，博士研究生，主要方向为水文学及水资源。

气候变化对水文水资源影响评价的不确定研究进展收稿日期：2019年12月14日；录用日期：2020年1月27日；发布日期：2020年2月14日摘要本文归纳总结了气候变化对水文水资源不确定性研究进展以及不确定性的应用领域。

气候变化下的不确定性主要源于人的认识受限，并将很多因素归结为人类活动导致引起，却忽视了系统自身存在的不确定性。

总结了常用的不确定评估方法，对未来气候变化的不确定性进行了预估并提出了明确的研究方向和指导建议，旨在更为准确地对水文不确定性进行研究和评估预测，对全球气候变化背景下寻求变化相应对策、促进水资源可持续利用等方面具有重要意义。

关键词气候变化，不确定性，评估方法Copyright © 2020 by author(s) and Wuhan University. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). /licenses/by/4.0/1. 引言随着全球社会经济高速发展和人类活动影响加剧，生态环境逐步恶化，各类环境问题层出不穷，自然灾害频繁发生，其中水资源危机最具代表性，研究自然变化和人类活动影响是目前甚至未来国际地球科学发展最为关键的问题[1]。

全球变暖已经威胁到人类生存和发展，也对地球环境造成严重影响，引起全球广泛关注。

全球变暖不仅对人类生存环境造成严重影响，更会进一步对水资源、生态系统、社会经济发展、政治格局等产生深远影响[2]。

气候变化是全球性、跨疆界性的现象，在长时期内起作用[3]。

大气圈–水圈–生物圈–土壤圈–岩石圈等几个圈层相互耦合和反馈以及地外因素等共同作用可能是导致气候变化的主要因素，全球变暖原因的不确定性和多解性体现在增温幅度估算、碳排放测算、CO 2浓度与温度因果反馈机制、全球碳循环中“碳失汇”定量化及未来气候预估等方面[4]。

不同阶段对水文模型及气候变化认识不一致，例如：前20年的研究会选择一个或多个水文模型，用历史资料作为参数来率定和检验模型，用不同的方法产生将来的气候变化情景用于水文模型的输入，用率定好的水文模型模拟将来的水文情景；10年前认识到不同水文模型对非平稳水文过程的模拟差别巨大；5年前认为不同的历史资料率定的同一个模型对非平稳水文过程的模拟差别巨大。

针对复杂变化情境，我们认识到大部分已有模型不具备在非平稳降雨径流关系情境下的转移功能，需要进一步研究动态水文模型的问题。

气候变化存在不同类型、不同程度的不确定性，这种不确定性来源于未来受制的机会和存在的各种偶然性，不同发展趋势导致未来是不确定的，也就是未来难以预测的。

因此人们利用不同手段、不同资料来预测未来变化和前景，使我们尽可能细致的对未来有前瞻性和可见性，作用当前局势并改善问题。

目前研究中存在的主要问题和未来研究中需要加强的方面，旨在推动环境变化对流域水文过程影响机理研究，最终为气候变化条件下流域水资源可持续管理提供借鉴和参考依据。

气候变化和人类活动对流域水循环的影响缺乏真值，因此开展多种方法比较研究才具有科学参考价值。

开展气候变化趋势及其影响方面的研究，不仅可为我国政府参与国际政府间气候变化会议以及环境外交活动提供科学的数字依据和对共建“一带一路”的气候变化对水文水资源影响评价的不确定研究进展气候格局深刻认识，而且对于寻求环境变化适应对策、促进水源可持续利用等方面具有重要意义。

2. 气候变化对水文水资源研究进展2.1. 不确定性研究进展气候系统具有典型的混沌特征的复杂系统，气候变化及其科学的不确定性是气候学科中的前沿领域[5]。

气候变化的不确定性不仅存在于本身内部，也普遍存在学科外部，其本质是由自身内部结构特征决定，也是气候科学不确定性的根本来源，其结构敏感复杂、演变速度快、难以控制，只有通过人为干预影响其结果变化，很难预测和计算精确结果(人工增雨)。

随着科学技术迅速发展，我们量化自然的不确定性和降低认知上的不确定性的能力将会大大提高，从而提高气候变化预估的可靠性[6]。

王娜[5]从本体论、认识论、方法论及非科学因素等层面对气候科学的不确定性进行了分类，本体论主要指其本身复杂的物理化学过程机制存在不确定性；认识论分为两个层面，一是人类认知能力受限，二是对测量结果分析手段和水平带来的不确定性；方法论角度是从简化实验、计算机模拟给出对不确定性的理解，计算机模拟在一定程度上存在对不确定性的回避，尤其对气候变化复杂问题并非为完全合适的工具；非科学因素是现代科学与各领域相互作用和融合对科研本身的产生不可忽视的影响，在某种程度上不断衍生出的不确定性。

气候变化会导致陆地水文循环过程改变，影响水文水资源系统的结构与功能，给水资源开发利用带来重大挑战[7] [8]。

一直以来在研究气候变化对水文水资源系统的影响时，都是采用气候变化模式与水文模型单向路径耦合技术，气候系统和水文循环二者被看作是静态的、相互独立的过程，在某种统计平衡意义上，这是一种被动反馈型模式。

有学者综述了气候变化和人类活动对水文要素影响的区分和界定方法，探析环境变化因素对流域水文水资源演变规律的影响机理，提出以人为气候变化、气候自然变异和人类活动“三源”方式划分影响流域水文水资源的环境因素并对水文水资源影响的不确定性来源及评估方法进行归纳总结[9]。

目前研究气候变化对水文过程影响的主要工具有GCM (精度低、误差大)、RCM (精度高)和水文模型等，田烨[10]分析了在未来多重不确定性因素影响下气候变化对极端径流的影响，包括排放情景、GCM、水文模型结构和水文参数的不确定性，表1是气候变化下水文不确定性影响的主要来源、程度和本质。

人们普遍认为水文影响下不确定性的主要来源是大气环流模式(GCMs)和温室气体排放情景(GGES)。

由于技术和资料限制，准确地预测未来气候变化情景相当困难，GCM不完善，定量估计第一类不确定性是不可能的，只能采用假设气候变化情景值把GCM模型的输出加上置信区间来反映其不确定性[11]。

但郭亚男[12]通过比较6种降尺度方法，开展气候变化对加拿大魁北克省流域水文影响不确定性的量化研究发现，在所有的变量中不确定性包络线与降尺度法的选择有关，除了CGCM-DASR，所有方法产生的流量过程线非常接近实测降水和温度时间序列模拟的流量过程线。

每一种降尺度方法特有的优点和缺点导致对未来气候预测的不同，尤其是一些降尺度方法无法预测水文学中的极端气候事件，未来气候预测的差异意味着降尺度方法增加了量化气候变化对水文影响的不确定性。

Table 1. The major resources, extent and nature of the uncertainty of the water resources under climate change表1. 气候变化下水文不确定性影响的主要来源、程度和本质来源程度本质情景模式情景不确定性由内部变动产生大气环流模型结构情景不确定性由认识缺乏产生水文模型结构情景不确定性由认识缺乏产生水文模型参数统计不确定性由认识缺乏产生气候变化对水文水资源影响评价的不确定研究进展2.2. 不确定性应用领域气候变化和人类活动共同影响着全球水循环变化过程，气候系统内部的任何变化以及人类活动每个环节都将会在水文循环的关键要素中得到反映或体现，主要体现在大气环流变化(气象、降雨分配)、蒸发变化(水面、土壤)、降水条件变化(陆面降水、河湖降水)，这些条件变化通过改变降水持续时间、时空分布分配、截流、入渗等形式改变产流条件和方式来影响水文平衡要素，使水文循环过程发生变化，水文要素的变化同样对气候系统直接或间接地产生影响。