未来气候变化对淮河流域径流的可能影响
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本文拟基于“气候异常对Baidu Nhomakorabea民经济影响评估业 务系统的研究”专题中水文模式研究工作和模式模 拟的未来气候变化情景 ,采用新安江月分布式水文
模型开展未来气候变化对淮河流域年 、月径流的影 响评估 。
1 资料 、模式与方法
1. 1 研究区域 淮河流域地处我国东部 ,介于长江和黄河流域
之间 ,位于 30°55′～36°36′N ,111°55′～121°25′E ,面 积为 27 ×104 km2 。淮河流域以废黄河为界 ,分淮河 及沂沭泗河两大水系 ,流域面积分别为 19 ×104 km2 和 8 ×104 km2 ,有京杭大运河 、淮沭新河和徐洪河贯 通其间 。淮河流域西部 、西南部及东北部为山区 、丘 陵区 ,其余为广阔的平原 。淮河流域的地形及河网 分布见图 1 。
效率系数均在 80 %以上 。Nash 模型效率系数计算
方法如下 :
M
M
6 6 R2 = 1 -
( Qombs - Qsmim ) /
( Qombs - Qobs ) 2 ( 1)
本文基于 4 个 C GCMs 和 3 种排放情景 ( SR ES 的 B1 ,A1B ,A2 情景 , GFDL 无 B1 情景) 下的模拟 结果 , 共进行了 11 个径流模拟试验 。
2 水文模式模拟检验
图 2 给出 1961 —1987 年淮河流域蚌埠水文站
月平均流量模拟值与实测值对比的例子 ,可以看到
县 、临沂 、大官庄径流及洪泽湖区 、平原区产流量 的总和 。 1. 3 全球模式模拟结果
采 用 由 J SC/ CL IVA R 耦 合 模 式 工 作 组 ( W GCM) 和 PCMD I 共同收集 、为 IPCC 第四次评 估报告 (A R4) 计算的 23 个海气耦合模式 ( C GCM) 中的 4 个模式和 3 种高 、中 、低排放情景下的月降水 量和气温模拟资料 (表 1) ,对淮河流域未来气候变 化 进行分析 。20世纪气候变化模拟时段各模式均
74 2 应 用 气 象 学 报 19 卷
Guo 等[9] 采用大尺度半分布式的月水量平衡模型和 GCMs 气候情景就未来气候变化对我国主要流域的 水资源的影响进行了探讨 。
近几年来全球气候模式发展很快 ,有了一定的 改善 ,非常有必要利用最新全球气候模式结果 ,如利 用 J SC/ CL IVA R 耦合模式工作组 ( W GCM) 和 PC2 MD I( Program for Climate Model Diagno sis and In2 terco mpariso n) 联 合 为 IPCC 第 四 次 评 估 报 告 (A R4) 第一工作组提供的模式模拟结果[10] ,徐影等 利用该资料对南水北调东线工程流域的未来气候进 行了预估[11 ] 。
水文模式网格分辨率为 30 km ×30 km , 气候 资料采用 Cressman 客观分析方法进行网格化 。模 型输入为网格化的月气温和降水量资料 。模式输出 结果有两种形式 ,一种为各网格点上的流量 ,反映该 区域的产流状况 ,另一种为经过汇流计算的主要水 文控制站的流量 ,其可与实测资料进行比较 。流量 值结合流域或网格面积资料可转化为径流深和资源 量。 1. 5 气候变化对径流的影响评估
月平均流量模式模拟值和实测值匹配较好 ,模拟值
能够正确再现实际峰值情况 。经水文模型模拟逐月
月流量和年流量结果误差分析发现 : 月流量 Nash
模型效率系数一般有 60 %～80 % ; 年流量的 Nash
模型效率系数一般好于月流量 ,淮河干流主要控制
水文站如王家坝 、鲁台子 、蚌埠的年流量 Nash 模型
图 1 淮河流域及气象站和水文控制站点分布图 Fig. 1 The st udy area and locatio ns of t he meteorological and hydrological
statio ns over t he Huaihe River Basins
1. 2 气候及水文站点资料 利用国家气象信息中心气候资料室提供的全国
3 科技部国际合作项目“区域气候变化的监测 、模拟和影响研究”(2005DFA20940) 、中意环保合作项目 ———中国南水北调工程 (东线) 可持 续水资源综合管理研究项目 ( SWIM ER2任务 8) 及中国气象局气候变化专项 (CCFS2005222Q H02) 共同资助 。 2008202218 收到 ,2008205228 收到再改稿 。
√ √ √ √
20 世纪模拟结果
√ √ √ √
注 “: √”表示有资料 。
为 1850 —2000 年 ,对未来气候变化的模拟时段为 2001 —2100 年 。 1. 4 水文模式
本研究采用的水文模型 ,是由郝振纯等研制开 发的淮河流域新安江月分布式水文模型[6] 。该水文 模型已在有代表性的流域上经过参数率定和校验以 及模式输出结果检验[6] 。2001 —2004 年 ,国家气候 中心经过进一步业务应用研究 ,已将该模型与实测 气候资料和预测资料相连接 ,进行实时监测评估和 预评估[12 ] 。
引 言
淮河流域处于我国南北气候过渡带 。降水量虽 较为丰沛 ,但时间分布不均匀 ,主要集中在汛期 ,而 且年际变率较大 , 干旱 、洪涝灾害十分频繁[1] 。陈 峪[2 ] 和任国玉等[3 ] 对 1956 —2002 年淮河流域的气 候变化进行研究 ,结果表明 ,淮河流域气温明显增 高 ,降水量减少 。张建云等[4] 通过近 50 年的径流观 测资料分析发现径流也略呈减少趋势 ,加上该地区 人口增长 、社会经济发展等外界因子的影响 ,尤其水 环境污染等问题日益严重 , 致使该地区的水资源供 需矛盾变得更加突出 。此外 ,淮河流域也是南水北 调东线工程的主要供水区和必经之路 ,该地区的气 候变化将影响整个东线工程的调度和分配 。
未来气候如何变化 ,将对该地区的水资源状况 产生很大的影响 ,并影响到这一地区及附近地区的 社会和经济发展 。因此 ,开展未来气候变化及其对
该地区水资源的影响研究是非常必要的 ,并可为该 地区水资源可持续发展 、开发利用和制定合理规划 及南水北调工程建设 、科学调水和部署提供依据 。
我国“九五”重中之重 962908 科技项目“我国短期 气候预测系统的研究”之“气候异常对国民经济影响 评估业务系统的研究”专题中 ,就气候异常对我国四 大流域地区 (包括黄河中下游地区 、海河流域、淮河流 域和长江中下游地区) 的水资源及水分循环影响的评 估模型进行了初步研究 ,建立了四大流域月尺度分布 式水文模型 ,并与区域气候模式输出结果相连接 ,进 行了个例试验研究[5] ,其中郝振纯等[6] 采用敏感性试 验方法就气候变化对淮河流域的水资源影响进行了 评估 。汪美华等[7] 运用多元回归方法 , 在淮河流域建 立有关气候2径流深的数学模型 , 并用该模型进行了 气候 敏 感 性 分 析 。随 着 GCMs 的 不 断 发 展 , 基 于 GCM 结果开展气候影响评估的方法也逐渐得到广泛 的应用 ,如陈英等[8] 基于新安江模型模拟了蚌埠以上 流域的年径流对 7 个不同 GCM 气候情景的响应 ,
通过水文模型模拟计算未来时期的多年平均径 流量 ,并与由 1961 —1990 年实测气候资料输入水文
模型模拟计算的当前时期的多年平均径流量进行差 值对比 ,来探讨未来气候变化对径流量的影响 。该方 法假设未来土地利用 、地形及水利工程建设等条件不 变 ,即假设水文模式中的参数在模拟未来径流变化时 保持不变 ,仅考虑气候变化对径流量的影响。
1) (国家气候中心 ,北京 100081) 2) ( Regional Climate Gro up , Eart h Sciences Center , Got henburg University , Got henburg , Sweden)
摘 要
采用新安江月分布式水文模型 , 结合 1961 —2000 年历史月气候资料和 4 个 CGCMs 的 3 个 SRES 排放情景下 (B1 ,A2 ,A1B) 未来降水和气温情景模拟结果 ,对过去淮河流域的径流进行模拟检验并对未来 2011 —2040 年的径 流影响进行评估 ,为水资源管理和规划提供依据 。结果表明 :水文模型能较好地反映年 、月流量以及多年平均值和 季节的变化 ;年流量模拟一般好于月流量 ,淮河干流主要控制水文站如王家坝 、鲁台子 、蚌埠的年流量模型效率系 数均在 80 %以上 ;多年平均值模拟效果好 ,平均绝对相对误差为 10 %。多数 C GCMs 不同排放情景下气候模拟结 果表明 :未来 2011 —2040 年 ,淮河流域气候将趋于暖湿 ,但年径流量将可能以减少趋势为主 。这对淮河地区水资 源的可持续发展以及东线调水工程水资源统一调配和管理提出了较大的挑战 。淮河流域大部分区域 2011 —2040 年月径流量减少将主要发生在 1 月和 7 —12 月 ,变化趋势较为确定 ;4 —6 月 ,径流量将以增加趋势为主 ,不确定性 较大 ;2 —3 月 ,径流具有增加趋势的地区多分布在淮河以北地区 ,具有减少趋势的地区则多分布在淮河干流及以南 地区和洪泽湖 、平原区 ,这些地区增加或减少趋势的不确定性较大 。 关键词 : 气候变化 ;径流 ;水文模型 ;淮河流域
第 19 卷 6 2008 年 12
期 月
JOU
RNAL
应用气象学报
O F A PPL IED M ETEOROLO GICAL
SC I EN C E
Vol. 19 , No . 6 December 2008
未来气候变化对淮河流域径流的可能影响 3
高 歌1) 2) 陈德亮1) 2) 徐 影1)
743 个气象站点 1961 —2000 年逐月平均气温和降 水资料 (淮河流域内有 33 个) , 以及淮河流域部分 支流或干流上 15 个主要水文控制站 1961 —1987 年 期间的逐月流量资料 (图 1) , 进行径流量模拟和检 验 。除 15 个主要水文控制站的径流模拟外 , 还包括 洪泽湖区 、平原区的产流量 。本文中淮河流域总产 流量简略计为蚌埠以上流域径流及明光 、固镇宿
由于全球气候模式的空间分辨率较低 ,对区域气 候的模拟有偏差 ,国内外常采用δ差值方法 ,进行气 候变化对未来水资源影响研究[13215] ,即采用模拟的未 来气候与模拟的 1961 —1990 年气候值的差值和目前 实测气候序列相叠加作为未来气候变化情景 ,该方法 在一定程度上避免了由于气候模式模拟系统偏差造 成未来气候变化模拟误差增大而影响气候变化对径 流的估计误差。具体算法 : 计算各 CGCMs 1961 — 1990 年基准时段和未来 2011 —2040 年两时段月降水 量和月平均气温多年平均值的差值 ,将其作为未来的 气候变化量 , 该变化量加上 1961 —1990 年逐月实测 气候资料作为未来气候格点场输入到水文模型中 , CGCMs 模拟的格点值通过双线性插值方法降尺度到 水文模型 30 km ×30 km 的网格上 。
6 期 高 歌等 :未来气候变化对淮河流域径流的可能影响 74 3
表 1 研究选取的 4 个 CGCMs 和 SRES 排放情景 Table 1 Results chosen from 4 CGCMs under three emission scenarios of SRES
模型及简称
GFDL_CM2_1 ( GFDL) MPI_ ECHAM5 ( MPI) MRI_CGCM2_3 ( MRI) U KMO_ HADCM3 ( U KMO)
国家
美国 德国 日本 英国
SRES B1 (低排放)
√ √ √
SRES A1B (中等排放)
√ √ √ √
SR ES A2 (高排放)
模型开展未来气候变化对淮河流域年 、月径流的影 响评估 。
1 资料 、模式与方法
1. 1 研究区域 淮河流域地处我国东部 ,介于长江和黄河流域
之间 ,位于 30°55′～36°36′N ,111°55′～121°25′E ,面 积为 27 ×104 km2 。淮河流域以废黄河为界 ,分淮河 及沂沭泗河两大水系 ,流域面积分别为 19 ×104 km2 和 8 ×104 km2 ,有京杭大运河 、淮沭新河和徐洪河贯 通其间 。淮河流域西部 、西南部及东北部为山区 、丘 陵区 ,其余为广阔的平原 。淮河流域的地形及河网 分布见图 1 。
效率系数均在 80 %以上 。Nash 模型效率系数计算
方法如下 :
M
M
6 6 R2 = 1 -
( Qombs - Qsmim ) /
( Qombs - Qobs ) 2 ( 1)
本文基于 4 个 C GCMs 和 3 种排放情景 ( SR ES 的 B1 ,A1B ,A2 情景 , GFDL 无 B1 情景) 下的模拟 结果 , 共进行了 11 个径流模拟试验 。
2 水文模式模拟检验
图 2 给出 1961 —1987 年淮河流域蚌埠水文站
月平均流量模拟值与实测值对比的例子 ,可以看到
县 、临沂 、大官庄径流及洪泽湖区 、平原区产流量 的总和 。 1. 3 全球模式模拟结果
采 用 由 J SC/ CL IVA R 耦 合 模 式 工 作 组 ( W GCM) 和 PCMD I 共同收集 、为 IPCC 第四次评 估报告 (A R4) 计算的 23 个海气耦合模式 ( C GCM) 中的 4 个模式和 3 种高 、中 、低排放情景下的月降水 量和气温模拟资料 (表 1) ,对淮河流域未来气候变 化 进行分析 。20世纪气候变化模拟时段各模式均
74 2 应 用 气 象 学 报 19 卷
Guo 等[9] 采用大尺度半分布式的月水量平衡模型和 GCMs 气候情景就未来气候变化对我国主要流域的 水资源的影响进行了探讨 。
近几年来全球气候模式发展很快 ,有了一定的 改善 ,非常有必要利用最新全球气候模式结果 ,如利 用 J SC/ CL IVA R 耦合模式工作组 ( W GCM) 和 PC2 MD I( Program for Climate Model Diagno sis and In2 terco mpariso n) 联 合 为 IPCC 第 四 次 评 估 报 告 (A R4) 第一工作组提供的模式模拟结果[10] ,徐影等 利用该资料对南水北调东线工程流域的未来气候进 行了预估[11 ] 。
水文模式网格分辨率为 30 km ×30 km , 气候 资料采用 Cressman 客观分析方法进行网格化 。模 型输入为网格化的月气温和降水量资料 。模式输出 结果有两种形式 ,一种为各网格点上的流量 ,反映该 区域的产流状况 ,另一种为经过汇流计算的主要水 文控制站的流量 ,其可与实测资料进行比较 。流量 值结合流域或网格面积资料可转化为径流深和资源 量。 1. 5 气候变化对径流的影响评估
月平均流量模式模拟值和实测值匹配较好 ,模拟值
能够正确再现实际峰值情况 。经水文模型模拟逐月
月流量和年流量结果误差分析发现 : 月流量 Nash
模型效率系数一般有 60 %～80 % ; 年流量的 Nash
模型效率系数一般好于月流量 ,淮河干流主要控制
水文站如王家坝 、鲁台子 、蚌埠的年流量 Nash 模型
图 1 淮河流域及气象站和水文控制站点分布图 Fig. 1 The st udy area and locatio ns of t he meteorological and hydrological
statio ns over t he Huaihe River Basins
1. 2 气候及水文站点资料 利用国家气象信息中心气候资料室提供的全国
3 科技部国际合作项目“区域气候变化的监测 、模拟和影响研究”(2005DFA20940) 、中意环保合作项目 ———中国南水北调工程 (东线) 可持 续水资源综合管理研究项目 ( SWIM ER2任务 8) 及中国气象局气候变化专项 (CCFS2005222Q H02) 共同资助 。 2008202218 收到 ,2008205228 收到再改稿 。
√ √ √ √
20 世纪模拟结果
√ √ √ √
注 “: √”表示有资料 。
为 1850 —2000 年 ,对未来气候变化的模拟时段为 2001 —2100 年 。 1. 4 水文模式
本研究采用的水文模型 ,是由郝振纯等研制开 发的淮河流域新安江月分布式水文模型[6] 。该水文 模型已在有代表性的流域上经过参数率定和校验以 及模式输出结果检验[6] 。2001 —2004 年 ,国家气候 中心经过进一步业务应用研究 ,已将该模型与实测 气候资料和预测资料相连接 ,进行实时监测评估和 预评估[12 ] 。
引 言
淮河流域处于我国南北气候过渡带 。降水量虽 较为丰沛 ,但时间分布不均匀 ,主要集中在汛期 ,而 且年际变率较大 , 干旱 、洪涝灾害十分频繁[1] 。陈 峪[2 ] 和任国玉等[3 ] 对 1956 —2002 年淮河流域的气 候变化进行研究 ,结果表明 ,淮河流域气温明显增 高 ,降水量减少 。张建云等[4] 通过近 50 年的径流观 测资料分析发现径流也略呈减少趋势 ,加上该地区 人口增长 、社会经济发展等外界因子的影响 ,尤其水 环境污染等问题日益严重 , 致使该地区的水资源供 需矛盾变得更加突出 。此外 ,淮河流域也是南水北 调东线工程的主要供水区和必经之路 ,该地区的气 候变化将影响整个东线工程的调度和分配 。
未来气候如何变化 ,将对该地区的水资源状况 产生很大的影响 ,并影响到这一地区及附近地区的 社会和经济发展 。因此 ,开展未来气候变化及其对
该地区水资源的影响研究是非常必要的 ,并可为该 地区水资源可持续发展 、开发利用和制定合理规划 及南水北调工程建设 、科学调水和部署提供依据 。
我国“九五”重中之重 962908 科技项目“我国短期 气候预测系统的研究”之“气候异常对国民经济影响 评估业务系统的研究”专题中 ,就气候异常对我国四 大流域地区 (包括黄河中下游地区 、海河流域、淮河流 域和长江中下游地区) 的水资源及水分循环影响的评 估模型进行了初步研究 ,建立了四大流域月尺度分布 式水文模型 ,并与区域气候模式输出结果相连接 ,进 行了个例试验研究[5] ,其中郝振纯等[6] 采用敏感性试 验方法就气候变化对淮河流域的水资源影响进行了 评估 。汪美华等[7] 运用多元回归方法 , 在淮河流域建 立有关气候2径流深的数学模型 , 并用该模型进行了 气候 敏 感 性 分 析 。随 着 GCMs 的 不 断 发 展 , 基 于 GCM 结果开展气候影响评估的方法也逐渐得到广泛 的应用 ,如陈英等[8] 基于新安江模型模拟了蚌埠以上 流域的年径流对 7 个不同 GCM 气候情景的响应 ,
通过水文模型模拟计算未来时期的多年平均径 流量 ,并与由 1961 —1990 年实测气候资料输入水文
模型模拟计算的当前时期的多年平均径流量进行差 值对比 ,来探讨未来气候变化对径流量的影响 。该方 法假设未来土地利用 、地形及水利工程建设等条件不 变 ,即假设水文模式中的参数在模拟未来径流变化时 保持不变 ,仅考虑气候变化对径流量的影响。
1) (国家气候中心 ,北京 100081) 2) ( Regional Climate Gro up , Eart h Sciences Center , Got henburg University , Got henburg , Sweden)
摘 要
采用新安江月分布式水文模型 , 结合 1961 —2000 年历史月气候资料和 4 个 CGCMs 的 3 个 SRES 排放情景下 (B1 ,A2 ,A1B) 未来降水和气温情景模拟结果 ,对过去淮河流域的径流进行模拟检验并对未来 2011 —2040 年的径 流影响进行评估 ,为水资源管理和规划提供依据 。结果表明 :水文模型能较好地反映年 、月流量以及多年平均值和 季节的变化 ;年流量模拟一般好于月流量 ,淮河干流主要控制水文站如王家坝 、鲁台子 、蚌埠的年流量模型效率系 数均在 80 %以上 ;多年平均值模拟效果好 ,平均绝对相对误差为 10 %。多数 C GCMs 不同排放情景下气候模拟结 果表明 :未来 2011 —2040 年 ,淮河流域气候将趋于暖湿 ,但年径流量将可能以减少趋势为主 。这对淮河地区水资 源的可持续发展以及东线调水工程水资源统一调配和管理提出了较大的挑战 。淮河流域大部分区域 2011 —2040 年月径流量减少将主要发生在 1 月和 7 —12 月 ,变化趋势较为确定 ;4 —6 月 ,径流量将以增加趋势为主 ,不确定性 较大 ;2 —3 月 ,径流具有增加趋势的地区多分布在淮河以北地区 ,具有减少趋势的地区则多分布在淮河干流及以南 地区和洪泽湖 、平原区 ,这些地区增加或减少趋势的不确定性较大 。 关键词 : 气候变化 ;径流 ;水文模型 ;淮河流域
第 19 卷 6 2008 年 12
期 月
JOU
RNAL
应用气象学报
O F A PPL IED M ETEOROLO GICAL
SC I EN C E
Vol. 19 , No . 6 December 2008
未来气候变化对淮河流域径流的可能影响 3
高 歌1) 2) 陈德亮1) 2) 徐 影1)
743 个气象站点 1961 —2000 年逐月平均气温和降 水资料 (淮河流域内有 33 个) , 以及淮河流域部分 支流或干流上 15 个主要水文控制站 1961 —1987 年 期间的逐月流量资料 (图 1) , 进行径流量模拟和检 验 。除 15 个主要水文控制站的径流模拟外 , 还包括 洪泽湖区 、平原区的产流量 。本文中淮河流域总产 流量简略计为蚌埠以上流域径流及明光 、固镇宿
由于全球气候模式的空间分辨率较低 ,对区域气 候的模拟有偏差 ,国内外常采用δ差值方法 ,进行气 候变化对未来水资源影响研究[13215] ,即采用模拟的未 来气候与模拟的 1961 —1990 年气候值的差值和目前 实测气候序列相叠加作为未来气候变化情景 ,该方法 在一定程度上避免了由于气候模式模拟系统偏差造 成未来气候变化模拟误差增大而影响气候变化对径 流的估计误差。具体算法 : 计算各 CGCMs 1961 — 1990 年基准时段和未来 2011 —2040 年两时段月降水 量和月平均气温多年平均值的差值 ,将其作为未来的 气候变化量 , 该变化量加上 1961 —1990 年逐月实测 气候资料作为未来气候格点场输入到水文模型中 , CGCMs 模拟的格点值通过双线性插值方法降尺度到 水文模型 30 km ×30 km 的网格上 。
6 期 高 歌等 :未来气候变化对淮河流域径流的可能影响 74 3
表 1 研究选取的 4 个 CGCMs 和 SRES 排放情景 Table 1 Results chosen from 4 CGCMs under three emission scenarios of SRES
模型及简称
GFDL_CM2_1 ( GFDL) MPI_ ECHAM5 ( MPI) MRI_CGCM2_3 ( MRI) U KMO_ HADCM3 ( U KMO)
国家
美国 德国 日本 英国
SRES B1 (低排放)
√ √ √
SRES A1B (中等排放)
√ √ √ √
SR ES A2 (高排放)