淮河流域氣候變化與淮河干流徑流量變化特征研究

張正濤， 高 超， 翟建青， 金高潔， 劉 青

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淮河流域氣候變化與淮河干流徑流量變化特征研究

張正濤， 高 超， 翟建青， 金高潔， 劉 青

根據(jù)淮河流域1958-2007年觀測氣溫、降水量、徑流量數(shù)據(jù)和NCAR-CCM3、CSIRO_MK3和ECHAM5/MPI-OM三個氣候模式數(shù)據(jù)對該流域氣候變化和淮河干流徑流量進行預估分析。結(jié)果表明：1)淮河流域平均氣溫，在20世紀90年代以前以降溫為主，90年代中后期增溫顯著；季節(jié)上，春秋兩季氣溫呈現(xiàn)波動增加趨勢，冬季增暖速率較高，夏季則呈下降趨勢；年降水量1958-2007年無突變性的增加或減少趨勢，季節(jié)變化上，流域夏季降水量變幅較大。2)預估表明，淮河流域未來氣溫增幅明顯，2011-2060年間三模式平均增溫相對1961-1990年距平達2.61℃，降水相對1961-1990年距平變幅達-84.6 至168.0mm之間波動，相對1958-2007年觀測期淮河徑流量沒有明顯變化，2011-2060年淮河徑流量可能存在上升趨勢。

氣候變化；預估變化趨勢；淮河流域；徑流量

氣候變化及其對人類環(huán)境的影響已成為全球科學界日益重視的重大科學問題?？茖W研究以及政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第四次評估報告表明：氣候系統(tǒng)變暖的客觀事實不容置疑[1]。我國的氣候變化國家評估報告亦指出：中國近100年來年平均地表氣溫也已明顯上升，升高幅度在0.5-0.8℃，增溫速率比同期全球平均略強；近100年來的年降水量沒有出現(xiàn)明顯的趨勢性變化。引發(fā)學者對于氣候變化及其未來趨勢預估的熱點關(guān)注，已有不少學者對國內(nèi)各大流域開展這方面的研究[2-6]。

淮河是我國一條重要的自然地理界線，淮河流域介于長江和黃河兩大流域之間，對于該流域氣候變化方面的研究，多以整個江淮地區(qū)或者對淮河流域單個氣象現(xiàn)象(如梅雨)等的研究為主[7,8]，或研究淮河流域氣候變化對水資源等的影響[9,10]，而對淮河流域過去氣候變化事實和未來情景以及徑流量變化特征研究不多[11,12]。

在中國乃至全球氣候變化的背景下，淮河流域氣候是否有相應的變化，變化規(guī)律如何、未來趨勢如何？這些問題尚未得到系統(tǒng)的研究。本文對淮河流域1958-2007年的觀測氣溫和降水量進行分析，識別該流域氣溫和降水量的變化事實，同時借助ECHAM5/ MPI-OM模式、NCAR-CCM3模式和CSIRO-MK3等全球海-氣耦合模式分析淮河流域未來氣候變化特征并輸入到SWIM水文模型預估淮河干流徑流量變化趨勢。

一、研究區(qū)概況

淮河以北屬暖溫帶, 以南屬北亞熱帶，為重要的自然地理界線?；春恿饔蚩偯娣e約27萬km2, 以廢黃河為界分為淮河和沂沭泗河兩大水系，淮河流域年均氣溫在11-16℃之間, 最高月均氣溫25℃左右, 出現(xiàn)在7月份; 極端最高氣溫可達40℃以上。最低月均氣溫在0℃左右, 出現(xiàn)在1月份, 極端最低氣溫可達-20℃左右。流域多年平均年降水量883mm , 年降水量的地區(qū)變幅為600-1400 mm , 降雨主要是受夏季風影響, 多集中在汛期的5-8月(淮河上游和淮南) 或者6-9月(其它地區(qū)) ?；春恿饔蚨嗄昶骄鶑搅魃罴s為231mm , 其中淮河水系為238mm , 沂沭泗河水系為215mm。

圖1 淮河流域水系及氣象站位置

二、數(shù)據(jù)和研究方法

(一)數(shù)據(jù)

研究數(shù)據(jù)包括實測和預估兩部分。實測數(shù)據(jù)來源于中國氣象局國家氣象信息中心提供的1958-2007年流域內(nèi)176個加密氣象站點逐日氣溫和降水量數(shù)據(jù)，徑流量數(shù)據(jù)來自國家水文年鑒；預估數(shù)據(jù)為德國馬普氣象研究所的海氣耦合模式ECHAM5/ MPI-OM[13]、美國大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research,NCAR)的氣候模式(Community Climate Model)第3版CCM，澳大利亞CSIRO_MK3全球海-氣耦合模式[14,15]，由于模式數(shù)據(jù)均為較高分辨率，為保證精度，采取雙線性內(nèi)插方法降尺度處理，插值至淮河流域176個加密站點，獲取加密站點的三個模式數(shù)據(jù)的各三個情景數(shù)據(jù)(SRES-A2，SRES-A1B和SRES-B1)，即獲得九套淮河流域未來情景數(shù)據(jù)，用于分析淮河流域未來氣候變化特征以及輸入率定好的水文模型，預估未來情景下淮河徑流量變化等。

(二)研究方法

淮河流域氣候變化事實和趨勢的分析主要采取Mann-Kendall 法，其是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，也稱無分布檢驗，優(yōu)點是不遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，更適合于類型變量和順序變量，計算也比較簡便[16]。

未來情景下淮河徑流量預估借助水文模型實現(xiàn)，模型選擇德國波茨坦氣候影響研究所的SWIM模型，以淮河流域蚌埠水文站為代表水文站，選取1964-1975年降水、溫度數(shù)據(jù)作為率定期數(shù)據(jù)，2000-2007年降水、溫度數(shù)據(jù)作為驗證期數(shù)據(jù)率定SWIM水文模型，模型率定驗證過程已另文撰寫[17]。

三、1958-2007年氣候變化

(一)氣溫

淮河流域?qū)厥覛怏w增加導致的全球變暖有著自身獨特的區(qū)域響應。中國范圍在整體升溫趨勢中有若干降溫區(qū)域，淮河流域即在其中。從圖2可知，自1963-1993年31年間流域氣溫距平值(相對于1961-1990年多年平均值，下同)除1965等13年份外均為負值，氣溫在此時段呈下降趨勢。從Mann-Kendall曲線可以看出，氣溫在1972、1974和1985年MK統(tǒng)計值分別達到-2.13、-2.06和-1.97，大于95%置信度的閥值±1.96，表明流域內(nèi)在20世紀70、80年代降溫趨勢明顯，在1997年后MK統(tǒng)計值轉(zhuǎn)為正，流域出現(xiàn)增溫趨勢，而在UF和UB的交點2001年發(fā)生突變，呈現(xiàn)持續(xù)增溫趨勢。

圖2 淮河流域1958-2007年平均溫度/降水距平值及MK曲線(虛線代表 =0.05顯著性水平臨界值)

1958-2007年，淮河流域四個季節(jié)平均溫度距平差異明顯。在春秋兩季流域內(nèi)氣溫呈現(xiàn)波動增加趨勢，夏季流域氣溫變化波動較小其中在20世紀70、80年代以下降為主，而冬季的變化幅度強烈，尤其是1987年之后距平值全為正，多數(shù)年份增加值大于1℃，其中在1999年距平增溫2.75℃，為四季增溫之最。

(二)降水

年降水量的距平值及MK統(tǒng)計值見圖2。淮河流域年降水量對全球變暖的響應與氣溫要素的變化趨勢并不一樣，其MK統(tǒng)計值最大為1964年的1.95，尚達不到95%置信度的1.96，因而1958-2007年無突變性的增加或減少趨勢，但是從1977-2006以來，其MK統(tǒng)計值除1991年外均為負值，反映降水有不顯著的減少趨勢。從圖2降水距平值可知，降水變幅多數(shù)介于100-200mm之間，但是2003年淮河流域受西北太平洋副熱帶高壓異常偏強，加之西南暖濕氣流強盛、導致冷暖空氣在淮河流域交匯，降水量異常偏多，超過多年均值約400mm，造成流域性大洪水[18]。降水量季節(jié)變化：淮河流域夏季降水量變幅較大，尤其是1997年之后，變幅在200mm左右，而2003年夏季增幅更是達302mm，為四季中增幅最大，2003年全流域性洪水與之關(guān)系密切[19]。在1998年的春季，降水距平增幅達到181.3mm，反映出淮河流域降水季節(jié)差異性較大；而秋季降水距平變率不大，多數(shù)在±100mm以內(nèi)振蕩；冬季降水量變化趨勢不明顯，僅1989、1990和2001年增幅達約60mm。

四、2011-2060年氣溫和降水變化預估

圖3為三個模式在淮河流域2001-2100年相對于各自試驗期1961-1990年平均溫度的距平值，未來情景下，淮河流域溫度呈現(xiàn)上升趨勢較為明顯，三模式的九個未來氣候變化情景下，到2100年流域相對于試驗期1961-1990年最大增溫達6.28℃，九個未來情景的平均增溫值也達到4.26℃；在重點關(guān)注的2011-2060年(表1)時段淮河流域三模式最高增溫達4.20℃，平均增溫2.61℃。因而淮河流域的增溫趨勢顯著，將可能給流域水循環(huán)等帶來較大影響。而降溫主要發(fā)生在21世紀的前半葉，且發(fā)生次數(shù)較少，進入2040s之后三個模式的九個情景均呈現(xiàn)不同程度的升溫趨勢。

圖3 淮河流域CSIRO/NCAR/ECHAM5模式試驗期(1961-1990)和模擬期(2001-2100)溫度距平值

相較1958-2007年降水觀測數(shù)值，降水在三個模式的九個未來氣候變化情景中亦沒有顯著的變化(圖4)，呈現(xiàn)較弱的增加趨勢，同時在九個未來氣候變化情景中，降水的增加量和減少量幾近一致，多數(shù)在正負400mm左右。2001-2100年間三個模式的九個未來氣候變化情景中，最大的降水增加量為538.5mm。

表1 淮河流域CSIRO/NCAR/ECHAM5模式2011-2060年溫度距平值最大值和最小值

三個模式的平均情況為降水最大值204.1mm，而降水減小的極端最小值較大，三模式的極值為-651mm，平均態(tài)為-224.5mm，在重點關(guān)注的2011-2060年間淮河流域最大降水增加量達534.1mm，平均增加168.0mm，降水下降趨勢要顯著低于2001-2100時段，下降極值和平均值僅-373.0mm和-84.6mm反映出淮河流域未來極端降水的變化較大，但是在2060年之后變化尤其強烈，且可能降水量下降趨勢更加嚴重。

圖4 淮河流域CSIRO/NCAR/ECHAM5模式試驗期(1961-1990)和模擬期(2001-2100)降水量距平值

表2 淮河流域CSIRO/NCAR/ECHAM5模式2011-2060年降水量距平值最大值和最小值

五、觀測期(1958-2007)淮河干流蚌埠水文站徑流變化及其未來情景預估

(一)觀測期(1958-2007)淮河干流蚌埠水文站徑流變化特征

淮河流域是我國人口最為稠密的地區(qū)之一，生產(chǎn)生活需水量大，同時又是水旱頻發(fā)的地區(qū)，自1958-2007年以來，蚌埠水文站徑流趨勢分析表明徑流變化趨勢并不明顯(圖5)，但是枯水期和豐水期的洪峰流量的變化趨勢呈現(xiàn)顯著態(tài)勢。

圖5 蚌埠站1958-2007年徑流量，超越流量95%百分位數(shù)的天數(shù)及其占全年比例

選擇淮河干流重要控制站蚌埠水文站1958-2007年日徑流資料，逐年提取95%百分位數(shù)的徑流量，取1961-1990年上述徑流量平均值作為極端洪水閾值，獲得逐年超越其閾值的天數(shù)及其占全年徑流量比例形成兩個序列，分析蚌埠水文站極端洪水特征等。由圖5可知，蚌埠水文站極端洪水在1958-2007年間總體沒有明顯變化趨勢，但是從1992年開始其發(fā)生日數(shù)及其占全年徑流量比例有所增加，且占全年徑流量比例增加更快，反映，極端洪水發(fā)生的流量增加迅速。

(二)情景期(2011-2060)淮河干流蚌埠水文站徑流變化預估

將經(jīng)過降尺度處理后的三模式下的九個氣候變化情景的降水、溫度數(shù)據(jù)輸入率定好的SWIM模型[14]，獲得淮河徑流量在2011-2060年的變化情況，由圖6知，徑流量的預估數(shù)據(jù)是存在一個較為寬泛的幅度范圍內(nèi)變動，但九個氣候變化情景的均值曲線為圖6中的紅色粗線條，反映出淮河流域未來徑流量存在一個微弱增加的趨勢，這個1958-2007年淮河徑流量未有明顯變化的趨勢有一定差距(圖5)，1958-2007年觀測期淮河徑流量沒有明顯變化，但是未來2011-2060年淮河流域徑流量可能存在一個上升趨勢，淮河流域水資源緊張的情況可能有所緩解。同時南水北調(diào)的東線工程等經(jīng)過淮河下游，徑流量一定程度的增加，可能減輕南水北調(diào)東線工程對淮河流域的影響。

圖6 蚌埠站2010-2060年CSIRO/NCAR/ECHAM5模式SWIM徑流模擬值

六、討論和結(jié)論

本文采用觀測與預估的氣溫、降水量和徑流量資料，分析了淮河流域1958-2007年氣溫、降水量和徑流量變化，并根據(jù)評估淮河流域2011-2060年上述各要素變化趨勢，得到如下結(jié)論：

1.淮河流域平均氣溫，在20世紀90年代以前以降溫為主，90年代中后期增溫顯著；季節(jié)上，春秋兩季呈現(xiàn)波動增加趨勢，冬季增暖速率相當高，夏季則呈下降趨勢；呈現(xiàn)上述特征可能與西風帶環(huán)流和副熱帶高壓等環(huán)流系統(tǒng)、人類排放引起的大氣中溫室氣體濃度增加等有關(guān)[20]。

3.以NCAR-CCM3、CSIRO_MK3和ECHAM5/MPI-OM三個氣候模式數(shù)據(jù)分析未來2011-2060年氣溫、降水和徑流變化幅度及趨勢得出：淮河流域未來氣溫增幅明顯，2011-2060年間三模式平均增溫相對1961-1990年距平達2.61℃，降水相對1961-1990年距平變幅達-84.6 至168.0mm之間波動，相對于1958-2007年觀測期淮河徑流量沒有明顯變化，未來2011-2060年淮河流域徑流量可能存在上升趨勢，淮河流域水資源緊張的情況可能有所緩解。

[1] IPCC.Climate Change 2007:the physical science basis. Contribution of working group I to the fourth assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change[M].Cambridge,UK and New York,USA:Cambridge University Press,2007.

[2] 姜 彤,蘇布達,王艷君,等.四十年來長江流域氣溫、降水與徑流變化趨勢[J].氣候變化研究進展, 20051(2):65-68.

[3] 劉綠柳,姜彤,原峰.珠江流域1961-2007年氣候變化及2011-2060年預估分析[J].氣候變化研究進展,2009,5(4):209-214.

[4] 任國玉,郭 軍,徐銘志.近50年中國地面氣溫變化基本特征[J].氣象學報,2005,63(6):942-956.

[5] 徐宗學,劉 瀏.太湖流域氣候變化檢測與未來氣候變化情景預估[J].水利水電科技進展,2012,32(1):1-7.

[6] 王珂清,曾 燕,謝志清,等.1961-2008年淮河流域氣溫和降水變化趨勢[J].氣象科學,2012,32(6):671-677.

[7] 田 紅,許吟隆,林而達.溫室效應引起的江淮流域氣候變化預估[J].氣候變化進展, 2008,4(6):357-362.

[8] 汪 靖,何金海,劉宣飛,等.江淮入梅異常的強信號及其對入梅的影響[J].氣象，2008.31(6):2-5.

[9] Gao C,Gemmer M, Zeng XF,et al. Projected Streamflow in the Huaihe River Basin(2010-2100) using Artificial Neural Network(ANN)[J].Environmental research and Risk Assessment, 2010, (24):685-697.

[10] 王學功,王久晟,張 波.淮河與洪澤湖分離方案比較[J].水利水電科技進展，2011,31(1):1-7.

[11] 高 歌,陳德亮,徐 影.未來氣候變化對淮河流域徑流的可能影響[J].應用氣象學報，2008，19(6):741-748.

[12] 高 超,姜 彤,翟建青.過去(1958-2007)和未來(2011-2060)50年淮河流域氣候變化趨勢分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2012,33(1):8-17.

[13] Roeckner E, Bauml G, Bonaventura L, et al. The Atmospheric General Circulation Model ECHAM5. PART I: Model Description. MPI Report No.349[R].Hamburg: Max-Planck-Institute for Meteorology, 2003.

[14] Hansen J, Nazarenko,L, Ruedy. R, et al,,Earth's Energy imbalance: Confirmation and Implication[J]. Research Articles,2005.

[15] H. Fowler and Blenkinsop, S. Changes in drought frequency, severity and duration for the British Isles projected by the PRUDENCE regional climate models[J]. Journal of Hydrology, 2007, 342(1-2): 50-71.

[16] Su BD, Jiang T. Recent trends in temperature and precipitation extremes in the Yangtze River basin, China[J]. Theoretical and Applied Climatology, 2006.83 (1-4)：139-151.

[17] 高 超,金高潔.SWIM水文模型的DEM尺度效應研究[J].地理研究，2012,31(3):399-408.

[18] 信忠保,謝志仁. ENSO事件對淮河流域降水的影響[J].氣象科學，2005，25(4):346-355.

[19] 徐 群;張艷霞.近52年淮河流域的梅雨[J].應用氣象學報，2007，8(2):147-157.

[20] 趙宗慈,王紹武,徐 影,等.近百年我國地表氣溫趨勢變化的可能原因[J].氣候與環(huán)境研究,2005，10(4):808-817.

[21] 何 芬,賴紹鈞，高建蕓,等.南極濤動對福建前汛期降水的預測意義[J],氣象，2012,38(4):2-6.

[22] 尹冬屏,張 背，孫 燕,等.2003年和2006年梅汛期暴雨的梅雨鋒特征分析[J].氣象,2010,36(6):1-6.

[23] 張 靜,朱偉軍,李忠賢.北太平洋濤動與淮河流域夏季降水異常的關(guān)系[J].南京氣象學院學報,2007,30(4):546-550.

責任編輯：劉海濤

Observed(1958-2007)andProjected(2011-2060)TrendsofClimateChangeandStreamflowintheHuaiheRiverBasin,China

Zhang Zhengtao, Gao Chao, Zhai Jianqing, Jin Gaojie, Liu Qing

Based on observed temperature and precipitation data from 1958 to 2007 and climate projection from 2011 to 2060 by NCAR-CCM3、CSIRO_MK3 and ECHAM5/MPI-OM, changing tendencies of annual temperature, annual precipitation and runoff in Huaihe basin were analyzed. The results showed that 1) annual temperature displayed a relatively significant decreasing trend before 1990s and then, increasing. Seasonal temperature would rise most significantly in winter and most decreasing in summer; Annual precipitation show no significant change trend from 1958 to 2007 and had a relatively significant change in summer. 2) Comparing with climate from 1961 to 1990, temperature would increased to 2.61℃ in 2060 and precipitation would change between -84.6 and 168.0mm during 2011-2060 under the three models. Comparing with no tread in 1958-2007, the interannual fluctuations cover an increasing streamflow trend under the three models in 2011-2060.

Climate change; Projection of future climate; Huaihe Basin; streamflow

P467

：A

：1673-1794(2014)04-0010-05

張正濤，安徽師范大學國土資源與旅游學院研究生；通信作者：高超，安徽師范大學安徽師范大學副教授；翟建青，中國氣象局國家氣候中心(北京 100081)；金高潔，劉青，安徽師范大學(安徽 蕪湖 241000)。

國家自然科學基金項目(41101035)；教育部高校博士學科點專項科研基金(20113424120002，20123424110001)；安徽師范大學人才培育基金資助項目(2011rcpy047)；淮河流域氣象開放研究基金(HRM201303)

2013-09-10