氣候變化對中國東部季風(fēng)區(qū)水循環(huán)及水資源影響與適應(yīng)對策*

夏軍，劉春蓁，劉志雨，羅勇，段青云，莫興國，謝正輝

①武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；②水利部水利信息中心，北京 100053；③清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)研究中心，北京 100084；④北京師范大學(xué)全球變化與地球系統(tǒng)科學(xué)研究院，北京100875；⑤中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；⑥中國科學(xué)院大氣物理研究所，北京 100029

氣候變化對中國東部季風(fēng)區(qū)水循環(huán)及水資源影響與適應(yīng)對策*

夏軍①?，劉春蓁②，劉志雨②，羅勇③，段青云④，莫興國⑤，謝正輝⑥

①武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；②水利部水利信息中心，北京 100053；③清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)研究中心，北京 100084；④北京師范大學(xué)全球變化與地球系統(tǒng)科學(xué)研究院，北京100875；⑤中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；⑥中國科學(xué)院大氣物理研究所，北京 100029

中國東部季風(fēng)區(qū)水循環(huán)及水資源變化復(fù)雜，水旱災(zāi)害頻繁，其中既有強(qiáng)烈的季風(fēng)區(qū)自然變化影響，又有氣候變化中二氧化碳排放導(dǎo)致的人為強(qiáng)迫的影響。近些年作者團(tuán)隊(duì)的研究表明：中國陸地水循環(huán)主要變化是由溫室氣體排放的影響疊加在東部季風(fēng)區(qū)顯著的自然變率背景下共同作用形成的，其中自然變率對降水影響的貢獻(xiàn)約占70%，人為強(qiáng)迫的貢獻(xiàn)占30%；隨著未來二氧化碳排放的貢獻(xiàn)率逐步增大，中國極端水旱災(zāi)害有進(jìn)一步增加的態(tài)勢，氣溫每升高1°C，華北農(nóng)業(yè)耗水約增加4%總用水量；氣候變化對中國東部季風(fēng)區(qū)長江、黃河、淮河、海河以及珠江等八大流域的水循環(huán)以及南水北調(diào)(中線)重大調(diào)水工程有突出的影響與風(fēng)險(xiǎn)，需針對水資源脆弱性變化與水安全問題，采取適應(yīng)性的對策與措施。

氣候變化；水循環(huán)；水資源；脆弱性；適應(yīng)性；對策

氣候變化是當(dāng)前國內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)，而水循環(huán)是聯(lián)系地球系統(tǒng)中地圈、生物圈、大氣圈的紐帶，是全球氣候變化的核心問題之一。水循環(huán)受自然變化和人類活動的雙重影響，并決定著水資源形成及與水土相關(guān)的環(huán)境演變[1-6]。我國降水時空分布極為不均，尤其在人口分布最為密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快的東部季風(fēng)區(qū)，水資源短缺、旱澇災(zāi)害以及與水相關(guān)的生態(tài)環(huán)境問題非常突出[7-12]。

按照自然地理區(qū)劃，東部季風(fēng)區(qū)是我國三大自然區(qū)之一，范圍包括大興安嶺以東、內(nèi)蒙古高原以南、青藏高原以東的地區(qū)。土地面積占全國的46%，而人口占到全國的95%，是國家最主要的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展區(qū)域，也是受氣候變化影響最為敏感、水資源問題最為突出的地區(qū)[13]。東部季風(fēng)區(qū)直接聯(lián)系著我國最為重要的大江大河，其中包括松花江、遼河、海河、黃河、淮河、長江、東南諸河、珠江等八大流域系統(tǒng)(圖1)。它們是全國水資源評價(jià)和規(guī)劃中十大流域片中最核心的區(qū)域，也是實(shí)現(xiàn)區(qū)域水資源優(yōu)化配置以及南水北調(diào)重大調(diào)水工程實(shí)施的地區(qū)[14-20]。在氣候變暖背景下，區(qū)域水循環(huán)時空變異問題突出，導(dǎo)致北方地區(qū)水資源可利用量減少、耗用水增加和極端水文事件頻發(fā)，加劇了水資源的脆弱性，影響我國水資源配置及重大調(diào)水工程與防洪工程的效益，從而危及水資源的安全保障。由此引導(dǎo)出亟待研究的四個問題：過去怎么變？未來怎么變？機(jī)理是什么？如何應(yīng)對變化？與我國東部季風(fēng)區(qū)聯(lián)系的流域水循環(huán)及其組成的陸地水循環(huán)與水資源安全，已成為國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃) (2010CB428400)重點(diǎn)研究的課題，也是地球系統(tǒng)的水科學(xué)前沿和重要的應(yīng)用基礎(chǔ)問題[21-23]。

圖1 中國自然地理三大分區(qū)及東部季風(fēng)區(qū)位置示意圖

1 氣候變化與水資源的幾個基本概念的說明

在探索和研究氣候變化與水資源問題以及科普或介紹相關(guān)成果時，經(jīng)常遇到一些基本概念，在此加以說明和注解[18-21]：

(1) 全球變暖：指人類經(jīng)濟(jì)活動產(chǎn)生大量溫室氣體(CO2)導(dǎo)致地球升溫的溫室效應(yīng)。

(2) 氣候變化：指氣候隨時間的變化，無論其原因是自然變率 (陸-海-氣作用等)，還是全球變暖的結(jié)果(圖2)。

圖2 氣候發(fā)生變化的概念示意圖

(3) 下墊面人類活動：主要指陸地表面由于河流開發(fā)、跨流域調(diào)水以及農(nóng)業(yè)化、城市化耗用水等，導(dǎo)致水循環(huán)發(fā)生不同程度改變的活動。

(4) 檢測與歸因：檢測是指揭示氣候發(fā)生變化的過程，但不提供其原因。歸因是指探測到變化最可能原因的過程。它們是研究氣候變化對水循環(huán)及水資源影響的兩個關(guān)鍵的科學(xué)問題，也是難點(diǎn)問題。

(5)脆弱性與適應(yīng)性：脆弱性指氣候變化對水資源(如供需關(guān)系與配置等)造成不利影響的程度。適應(yīng)性為變化環(huán)境下所采取不斷學(xué)習(xí)與調(diào)整的系統(tǒng)過程，改進(jìn)水資源的規(guī)劃與管理的對策。

氣候變化政府間專門委員會(IPCC)第五次評估報(bào)告(AR5)強(qiáng)調(diào)了氣候變化導(dǎo)致的災(zāi)害、社會經(jīng)濟(jì)活動聯(lián)系的暴露度的風(fēng)險(xiǎn)與脆弱性和適應(yīng)性的互動關(guān)系，如圖3所示[4]。

圖3 氣候變化與社會經(jīng)濟(jì)活動聯(lián)系的災(zāi)害、暴露度、脆弱性以及風(fēng)險(xiǎn)示意圖[4]

2 氣候變化與水循環(huán)

氣候變化與水循環(huán)是當(dāng)今全球變化及其影響與適應(yīng)對策研究的重要內(nèi)容[27-28]。其重要性在于水文循環(huán)不僅為人類社會發(fā)展提供了可再生的淡水資源，同時又給人類帶來了水旱災(zāi)害，而水循環(huán)的周期與強(qiáng)度又受到氣候與人類活動兩個因素的制約。當(dāng)前，氣候變化及其影響已成為全球性的熱門話題，不僅是國內(nèi)外科學(xué)家聚焦的研究內(nèi)容，而且受到各國政府和社會的廣泛關(guān)注。在眾多的氣候變化影響問題中，關(guān)系到人類生存發(fā)展、生態(tài)環(huán)境與生活質(zhì)量的水資源安全問題至關(guān)重要[24-28]。

目前，雖然國內(nèi)外針對氣候變化與水循環(huán)的研究已取得了豐碩的成果，但由于地球氣候系統(tǒng)中涉及水問題的復(fù)雜性，制約水循環(huán)變化的各種自然與社會因素以及水資源和水旱災(zāi)害的變化規(guī)律等很多問題尚未被認(rèn)識，有待于今后進(jìn)一步研究。

2.1 水循環(huán)

“黃河之水天上來，奔流到海不復(fù)回”。古代詩人用質(zhì)樸的語句淺顯地描繪了陸地水循環(huán)。那時人們不知道奔流到海的黃河之水，還將通過蒸發(fā)、凝結(jié)、降水、徑流等過程后再次返回海洋。

一個完整的海-陸水循環(huán)過程：在太陽輻射的驅(qū)動下，陸面及海洋的水分被蒸發(fā)成為空氣中的水蒸氣，在大氣中被氣流輸送到各地；遇到適當(dāng)?shù)臈l件，水汽凝結(jié)成降水，落到地表的雨雪，一部分重新蒸發(fā)至大氣，一部分滲入土壤巖層，轉(zhuǎn)化為壤中流及地下水；河川徑流、壤中流與地下水最后匯入大海。這是一個沒有起點(diǎn)和終點(diǎn)的周而復(fù)始的循環(huán)過程。這一循環(huán)過程可分解為水汽蒸發(fā)、水汽輸送、凝結(jié)降水、水分入滲與滲透，以及地表、地下徑流等五個基本環(huán)節(jié)。水循環(huán)又有海上水循環(huán)(即海洋水經(jīng)蒸發(fā)被帶到上空再經(jīng)降水過程返回海洋)和陸地水循環(huán)(陸地水經(jīng)土壤植被蒸發(fā)、蒸騰作用被帶到高空再經(jīng)降水過程返還陸地，主要存在于內(nèi)陸地區(qū))，同時水循環(huán)還可以分解為陸地水循環(huán)與大氣水循環(huán)兩個分支，它們分別服從陸地和大氣的水量平衡及能量平衡。陸地分支由降水、出入本區(qū)的徑流、蒸發(fā)及土壤水含量的變化組成。水循環(huán)大氣分支由流出及流入本區(qū)上空的水汽量、蒸發(fā)量、降水量和本區(qū)上空水汽含量的變化組成。

從全球水文循環(huán)各種通量的多年平均值可以看到[2]：洋面蒸發(fā)是陸面蒸發(fā)的6倍，陸面降水大約是洋面的1/4；在陸面，降水大于蒸發(fā)，而海洋相反。對全球而言，陸面和洋面蒸發(fā)的水量等于它們上空的降水量，而由海洋輸送給大氣的水汽量等于由陸面流向海洋的徑流量。對于大陸，年徑流、蒸發(fā)及降水之間的比值大致為1∶2∶3。陸地上空，大氣水庫儲存的水可以被降水在15天用光，或用23天被蒸發(fā)裝滿；而海洋上空，大氣水庫儲存的水可以在7.5天內(nèi)以降水形式用光，或在6.8天內(nèi)被蒸發(fā)充滿。這說明，海洋上空的水循環(huán)比陸地上空的水循環(huán)更活躍。

水循環(huán)是地球氣候系統(tǒng)的重要組成部分，其空間尺度覆蓋了全球、半球、大陸尺度、區(qū)域尺度以及流域尺度，其時間尺度有月、季、年、年際、年代際、百年際至千年際等。通過大氣、陸地、海洋間的水量和能量交換，大氣圈中的水、冰雪圈中的水、生物圈和巖石圈中的水與水圈中的水(地球氣候系統(tǒng)五大圈層)相互作用與轉(zhuǎn)化，既為人類提供了可再生的淡水資源，又給人類帶來了水旱災(zāi)害。

2.2 氣候及氣候變化

我國作為農(nóng)耕國家，早在宋代就從農(nóng)業(yè)耕作時令的角度將一年的氣候分成了24節(jié)氣、72候，它們反映了我國農(nóng)業(yè)氣候的一種平均狀態(tài)。氣候的科學(xué)含義是指地球上某一地區(qū)多年時段大氣的年平均統(tǒng)計(jì)狀況，是該時段多種天氣的綜合表現(xiàn)。氣候通常由某一時段的平均值以及相對于平均值的距平來表示，主要反映一個地區(qū)的冷、暖、干、濕等基本特征[13]。

氣候變化是指氣候平均狀態(tài)隨時間的變化，包括氣候平均值和距平(變率)兩者中的一個或兩個出現(xiàn)了統(tǒng)計(jì)意義上的顯著變化。氣候平均值的升、降表明氣候平均態(tài)的變化。氣候距平值越大，說明氣候變化的幅度越大，氣候狀態(tài)越不穩(wěn)定，氣候異常則越明顯(圖2)。

氣候變化的時間尺度有年、年代際、世紀(jì)至千年尺度，甚至更長時間尺度的變化；其空間尺度覆蓋了流域、區(qū)域、大陸、半球至全球尺度的變化。1880—2012年全球地表平均氣溫大約升高了0.85 ℃。期間，陸地比海洋增溫快，高緯度地區(qū)比中低緯度地區(qū)增溫大，冬半年增溫比夏半年明顯。1983—2012年是過去1 400年來最熱的30年，而21世紀(jì)前的10年又是近百年來最暖的10年。我國最近60年氣溫上升尤其明顯，平均每10年升高約0.23 ℃，幾乎是全球的兩倍。自1981年以來，我國的地表平均溫度上升了0.91 ℃，

1901年以來，全球陸地上的降水沒有明顯增加或減少的趨勢，但空間分布有變化。北半球中緯度陸地上的降水增多。近百年來，我國年平均降水量以20～30年為周期的年代際變化為主，沒有明顯的趨勢性變化，但存在明顯的年代際與年代際震蕩和區(qū)域性變化。1910s、1930s、1950s、1970s和1990s屬于多雨期，1900s、1920s、1940s、1960s屬于少雨期。1961—2013年中國年平均降水量無明顯的增減趨勢，但年際變化明顯。1998、1973、2010年最多，2011、1986、2009年最少。近50年來，西部地區(qū)降水增加15%～50%，華南地區(qū)降水增加5%～10%，華北和東北大部分地區(qū)減少10%～30%。東部季風(fēng)區(qū)頻繁出現(xiàn)“南澇北旱”。

從科學(xué)意義上講，氣候變化的原因有氣候系統(tǒng)內(nèi)部自然變率、太陽活動和火山活動構(gòu)成的自然強(qiáng)迫以及溫室氣體、氣溶膠等大氣成分變化和土地利用變化等人為強(qiáng)迫共同作用兩方面因素[16]。氣候系統(tǒng)內(nèi)部自然變率主要由海洋-大氣-陸地相互作用產(chǎn)生，并往往表現(xiàn)為不同時間尺度、不同頻率的簡諧波疊加而成的周期性振蕩以及突變。例如：對我國夏季氣候異常以及降水異常有顯著影響并具有2～8年周期的厄爾尼諾-南方濤動(ENSO)、具有準(zhǔn)20年和準(zhǔn)50～70年周期的太平洋年代際振蕩(PDO)、青藏高原冬春積雪的年代際變化、北極濤動、東亞季風(fēng)環(huán)流的減弱與加強(qiáng)以及太陽周期性活動等等。溫室氣體、氣溶膠等大氣成分變化和大范圍土地利用引起的植被覆蓋變化對氣候的影響是通過地球氣候系統(tǒng)的太陽輻射強(qiáng)度和地面對輻射反照率的變化產(chǎn)生的。氣候變化不是現(xiàn)在才發(fā)生的，過去60萬年就發(fā)生了6次冰河期，但是近百年氣候變化的速度增加了?，F(xiàn)在北極冰蓋在9月份的大小，相當(dāng)于50年前的一半；海平面上升的速度是1870年以前的2倍。人類生產(chǎn)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展使大氣的化學(xué)成分變化，如CO2、CH4、CFCs等溫室氣體濃度的顯著增加改變了地球大氣系統(tǒng)的輻射平衡，引起地球的平均氣溫升高了0.8 ℃。即使立刻停止所有溫室氣體排放，氣溫仍將比過去上升約1 ℃。在氣溫達(dá)到平衡前，海水溫度的上升仍將持續(xù)幾十年。這種人為強(qiáng)迫因子對氣候自然波動的周期與振幅以及突變點(diǎn)有著“調(diào)諧”作用。例如：在沒有氣候變暖的影響時，PDO年代際的轉(zhuǎn)變應(yīng)發(fā)生在20世紀(jì)60年代中期，溫室氣體排放的人為因子使其年代際轉(zhuǎn)型發(fā)生在70年代末，滯后了10年。

3 氣候變化對中國東部季風(fēng)區(qū)水循環(huán)水資源影響與對策

氣候與水循環(huán)是一個非常復(fù)雜的非線性相互作用的過程[26]。在氣候自然變率與人為強(qiáng)迫的作用下，通過大氣環(huán)流的變化，降水的時空分布、強(qiáng)度和總量，以及雨帶的遷移、氣溫、空氣濕度、風(fēng)速、蒸發(fā)等將偏離多年平均的狀況，進(jìn)而引起全球水循環(huán)及區(qū)域水循環(huán)的變化。同時，另一種作用于流域的下墊面的人類活動，如土地利用的變化、農(nóng)林墾殖、森林砍伐、城市化、水資源開發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境變化等也將引起陸面對太陽輻射的反照率、粗糙度、不透水層面積的擴(kuò)大等物理參數(shù)的變化，進(jìn)而改變降雨落到地面后的蒸發(fā)、入滲、產(chǎn)流和匯流來影響陸地水循環(huán)。上述過程都不是孤立的，在地球氣候系統(tǒng)中既具有相互依存與相互制約的整體性，同時又具有其各自特點(diǎn)的差異性。

在“氣候變化對中國東部季風(fēng)區(qū)水資源安全影響與適應(yīng)對策的基礎(chǔ)研究”項(xiàng)目(973計(jì)劃)支持下，我們團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)5年研究，同心協(xié)力、團(tuán)結(jié)合作、兢兢業(yè)業(yè)、科研創(chuàng)新，取得了系統(tǒng)性的科研成果與若干新的進(jìn)展，包括：

(1) 在國內(nèi)首次推出基于質(zhì)量控制與分析訂正后的高密度氣象觀測臺站的格點(diǎn)數(shù)據(jù)集，建設(shè)水文-氣象數(shù)據(jù)庫，為科學(xué)認(rèn)識東部季風(fēng)區(qū)在氣候變化背景下區(qū)域水循環(huán)及水資源變化的特征規(guī)律打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)?；谒?氣象新的觀測與檢測，給出了中國陸地水循環(huán)要素變化、水平衡關(guān)系與物理圖像，其中包括1960—1985年與1986—2013年中國水汽—降水—徑流變化的水循環(huán)收支與比較(圖4和表1)。

圖4 中國東部季風(fēng)區(qū)水循環(huán)及水汽收支示意圖

表1 1960—1985年與1986—2013年中國水汽—降水—徑流水循環(huán)收支比較萬億m3

(3) 發(fā)展了陸-氣水循環(huán)雙向耦合模型和陸面同化系統(tǒng)新方法，為研究氣候變化對水循環(huán)影響的檢測與歸因提供了科學(xué)基礎(chǔ)與途徑。利用陸-氣雙向耦合模式，辨識了氣候變化和下墊面人類活動對水循環(huán)的影響及其成因，其中包括南水北調(diào)(中線)跨流域調(diào)水對區(qū)域水循環(huán)的影響、地下水開采對局地區(qū)域氣候的反饋影響、全球變暖和氣候自然變率對水資源的影響與貢獻(xiàn)。對于區(qū)域尺度及流域尺度水循環(huán)，如近20年來我國東部地區(qū)頻繁出現(xiàn)的南澇北旱，除了氣候變暖因素外，可能主要是由于氣候系統(tǒng)本身的年代際自然變率，如東亞季風(fēng)波動、厄爾尼諾-南方濤動與太平洋年代際振蕩等大尺度大氣環(huán)流形態(tài)的變化引起。我們的初步研究表明，目前所觀測到的中國區(qū)域增溫現(xiàn)象，大部分可以歸因于人類活動引起的溫室氣體排放增加的影響。無論是年降水量、徑流量的變率(mm/10a)歸因都表明(圖5)：東部季風(fēng)區(qū)降水自然變率是導(dǎo)致徑流(水資源)變化最主要的驅(qū)動因子(貢獻(xiàn)率達(dá)70%～90%)，全國平均約占70%，這是中國季風(fēng)區(qū)氣候與自然地理特性決定的。另外，溫室氣體排放引起的氣候變化導(dǎo)致降水變化，其影響的變幅在[-50, +100] mm，全國平均的影響貢獻(xiàn)率為30%。溫室氣體排放引起氣候變化導(dǎo)致的徑流量(水資源)變化的變幅在[-50, +50] mm。在未來CO2排放增加的情景下，氣候變化影響的貢獻(xiàn)率將逐步增大，也是水資源變化的重要驅(qū)動因子，需要在水資源規(guī)劃和管理時加以新的認(rèn)識與考慮。

圖5 氣候變化對中國年降水和徑流變化影響的歸因分析示意圖

(4) 針對未來氣候變化影響的不確定性與情景預(yù)估難題，研發(fā)了貝葉斯多模式集成的概率預(yù)估不確定性理論，提出了評估多模型概率預(yù)估可信度和面向流域水文過程的降尺度方法，為量化和減少氣候變化預(yù)估的不確定性提供了一種新的途徑。依據(jù)IPCC-AR5不同排放情景(RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5)下大氣環(huán)流模式集(GCMs)未來降水集合預(yù)估與綜合判斷，未來20～30年(2020—2040年)東部季風(fēng)區(qū)水文極端事件(水旱災(zāi)害)發(fā)生的頻率與強(qiáng)度有增強(qiáng)的態(tài)勢，強(qiáng)降雨天數(shù)普遍增加，洪澇災(zāi)害可能進(jìn)一步增加。此外，中國東部季風(fēng)區(qū)過去63年和未來30～50年極端干旱呈現(xiàn)波動上升的態(tài)勢(圖6)，由此將加大未來30年中國水資源供需矛盾和水資源脆弱性，尤其北方(華北、東北糧食主產(chǎn)區(qū))農(nóng)業(yè)水資源需水的壓力。

圖6 2000－2100年中國北方極端干旱變化趨勢預(yù)估

(5) 針對非平穩(wěn)水文極值系列洪水頻率問題的挑戰(zhàn)，發(fā)展了一種與氣候變化影響聯(lián)系的非穩(wěn)態(tài)極值洪水頻率計(jì)算新方法，改進(jìn)了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)洪水估算的頻率分析理論的不足。以淮河防洪為例，應(yīng)用新提出的模型方法，計(jì)算出未來氣候變化下淮河上游主要控制水文站王家壩斷面，2020—2050年20年一遇洪峰流量值較基準(zhǔn)期(1970—2000年)增加23.3%～29.9%。其結(jié)果將導(dǎo)致蓄滯洪區(qū)運(yùn)用頻次增加，洪水淹沒風(fēng)險(xiǎn)增加(圖7)。因此，考慮氣候變化影響對于保障我國流域防洪安全十分重要。

圖7 應(yīng)用考慮氣候變化的模型方法計(jì)算未來20年一遇洪水的淹沒圖

(6) 發(fā)展了水資源脆弱性多元函數(shù)分析的理論與方法，聯(lián)系氣候變化、社會經(jīng)濟(jì)影響與適應(yīng)性過程和風(fēng)險(xiǎn)，建立了脆弱性與適應(yīng)性的聯(lián)系，提高了應(yīng)對氣候變化影響的水資源適應(yīng)性管理與對策的科學(xué)性。研究表明：占全國總?cè)丝?5%、國土面積近一半的東部季風(fēng)區(qū)，90%處在比較脆弱和嚴(yán)重脆弱的狀態(tài)；中國面臨的水資源安全壓力巨大，尤其是中國北方；氣候變化影響下，東部季風(fēng)區(qū)需水量進(jìn)一步增加，華北地區(qū)氣溫上升1 ℃，農(nóng)業(yè)耗水增加大約25 mm。氣候變化影響下2030年水資源需求關(guān)系分析顯示，長江區(qū)新增需水313億m3，中下游和漢江脆弱性加大，給南水北調(diào)(中線)工程供水增加新的壓力。未來氣候變化影響下，采用GCMs和陸-氣耦合模型與脆弱性方法綜合估算，我國東部季風(fēng)區(qū)較脆弱和嚴(yán)重脆弱的區(qū)域?qū)⒚黠@擴(kuò)大，特別是中國南方和長江流域增加較多(圖8)。

圖8 中國東部季風(fēng)區(qū)2000年和未來30年最不利情況水資源脆弱性

以南水北調(diào)(中線)工程運(yùn)行與管理面對氣候變化影響的問題分析為例(圖9)，在氣候變化背景下已經(jīng)呈現(xiàn)三個突出的變化：其一是長江支流漢江上游丹江口水庫調(diào)水區(qū)和中國北方海河受水區(qū)的徑流變化，數(shù)據(jù)表明20世紀(jì)80年代后丹江口入庫徑流一直呈下降態(tài)勢，盡管2000年有所恢復(fù)，但總體上仍處于枯水期。1990—2012年實(shí)際入庫的徑流相對1954—1989年規(guī)劃設(shè)計(jì)減少21.5%。未來氣候變化影響下，預(yù)估的結(jié)果顯示海河的徑流先降，2040年稍有上升，但漢江上游呈現(xiàn)下降態(tài)勢。其二是調(diào)水區(qū)的水資源脆弱性發(fā)生了變化。研究表明，氣候變化影響下調(diào)水后對漢江的脆弱性是增加的，亟待采取適應(yīng)性對策。其三是調(diào)水區(qū)和受水區(qū)的豐枯遭遇發(fā)生了變化。從過去的資料觀測，丹江口和海河的徑流同枯概率明顯增大，1956—1989年為9% ，1990—2011年上升為30%；從未來變化態(tài)勢來看，同枯概率均會上升。因此，現(xiàn)行水資源規(guī)劃、設(shè)計(jì)洪水和重大調(diào)水工程規(guī)劃設(shè)計(jì)與管理不考慮氣候變化影響將存在巨大風(fēng)險(xiǎn)，迫切需要修編現(xiàn)行規(guī)范，采取必要的適應(yīng)性對策與措施。

(7) 提出了應(yīng)對氣候變化中國東部季風(fēng)區(qū)水資源適應(yīng)性管理的對策與建議，包括盡快推動國家層面水資源適應(yīng)性管理的規(guī)劃與建設(shè)，盡快實(shí)施應(yīng)對氣候變化水資源適應(yīng)決策系統(tǒng)的能力建設(shè)(監(jiān)控、評估與對策)，積極推進(jìn)國家應(yīng)對氣候變化影響科技創(chuàng)新驅(qū)動的基礎(chǔ)研究，積極推進(jìn)變化環(huán)境下國家水資源安全保障發(fā)展戰(zhàn)略等。以實(shí)施中國嚴(yán)格水資源管理的“三條紅線”的對策措施為例，即：水資源開發(fā)利用控制紅線，到2030年全國用水總量控制在7 000億m3以內(nèi)；用水效率控制紅線，到2030年用水效率接近或達(dá)到世界先進(jìn)水平，萬元工業(yè)增加值用水量降低到40 m3以下，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)提高到0.6以上；水功能區(qū)限制納污紅線，到2030年主要污染物入河湖總量控制在水功能區(qū)納污能力范圍之內(nèi)，水質(zhì)達(dá)標(biāo)率提高到95%以上。研究表明：未來氣候變化最不利條件下，采取該適應(yīng)性水資源調(diào)控與對策，可使季風(fēng)區(qū)流域水資源脆弱性的變化和減少的幅度達(dá)21.3%，可持續(xù)發(fā)展度增加幅度達(dá)18.4%，適應(yīng)性管理的效益顯著(圖10)。

圖9 氣候變化背景下南水北調(diào)(中線)工程徑流變化示意圖

4 結(jié)論與展望

全球變化與水資源是當(dāng)今國際地球系統(tǒng)科學(xué)重要的前沿問題之一，也是人類未來可持續(xù)發(fā)展所要面對的重大需求問題。中國是全球人口最多、面臨水資源壓力最為嚴(yán)峻的發(fā)展中國家，中國的氣候變化與水資源研究已經(jīng)成為國際全球變化與適應(yīng)性管理的一個熱點(diǎn)問題。

東部季風(fēng)區(qū)是我國三大自然區(qū)之一，土地面積占全國46%，人口占全國95%，是我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快、受氣候變化影響最為劇烈、水資源和水旱災(zāi)害也最為突出的區(qū)域。本文深入淺出地介紹了氣候變化與水資源相關(guān)的基本概念，闡述了氣候變化與水循環(huán)問題，希望引起更多非專業(yè)讀者對該問題的重視與興趣。

在國家973項(xiàng)目等支持下，通過產(chǎn)學(xué)研團(tuán)隊(duì)的合作，綜合水文、氣象長期觀測結(jié)果和水文、氣候兩大學(xué)科優(yōu)勢，系統(tǒng)開展針對國家重大需求最為關(guān)注的4個問題的科學(xué)研究，獲得了新的成果與認(rèn)識，包括：

(1) 我國陸地水文循環(huán)的主要變化是溫室氣體(CO2)排放影響疊加在東部季風(fēng)區(qū)顯著的自然變率背景下共同作用形成，其中自然變率導(dǎo)致徑流變化的貢獻(xiàn)率平均為70%，溫室氣體排放貢獻(xiàn)占30%。

(2) 在未來CO2排放增加的情景下，我國極端水旱災(zāi)害有增加的態(tài)勢；氣溫每升高1 ℃，華北農(nóng)業(yè)耗水約增加25 mm，相當(dāng)于增加4%的總用水量。

圖10 中國東部季風(fēng)區(qū)實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理的適應(yīng)性對策效果示意圖

(3) 隨著未來CO2排放貢獻(xiàn)率的逐步增大，氣候變化是水循環(huán)變化的重要驅(qū)動因子，因此，現(xiàn)行水資源規(guī)劃、設(shè)計(jì)洪水和重大調(diào)水工程規(guī)劃設(shè)計(jì)與管理要是不考慮氣候變化的影響，將存在巨大風(fēng)險(xiǎn)。在未來最不利條件下，如果采取適應(yīng)對策，那么季風(fēng)區(qū)水資源脆弱性的減少幅度可達(dá)21.3%，可持續(xù)發(fā)展度增幅可達(dá)18.4%。應(yīng)對氣候變化保障我國水安全的適應(yīng)性管理與對策十分重要和必要，針對變化環(huán)境下的流域水資源規(guī)劃和重大水利工程管理，迫切需要修編現(xiàn)行規(guī)范。

盡管項(xiàng)目取得了一定的新進(jìn)展，但是由于中國東部季風(fēng)區(qū)水資源影響的復(fù)雜性和氣候變化以及下墊面高強(qiáng)度人類活動影響的不確定性，對于流域蒸散發(fā)機(jī)理，年代際自然變率、全球變暖和下墊面人類活動對徑流水資源的高階影響，應(yīng)對氣候變化制定防洪標(biāo)準(zhǔn)等方面的研究，仍需進(jìn)一步探索、認(rèn)識與總結(jié)，以解決好水與人類未來的水安全重大戰(zhàn)略問題。

致謝本文是國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃) (2010CB428400)全體參加人員的成果總結(jié)，對所有參加該項(xiàng)目的科研與工作人員表示衷心的感謝！對參加該項(xiàng)目研究的中國科學(xué)院、中國氣象局、水利部和教育部等部門大力的支持，表示誠摯的謝意！

(2016年5月4日收稿)

[1] Gulbenkian Think Tank on Water and the Future of Humanity. Water and the future of humanity: Revisiting water security [M]. [S. l.]: Springer, 2013.

[2] CHAHINE M T. The hydrological cycle and its in fl uence on climate [J]. Nature, 1992, 359: 373-380.

[3] IPCC. Climate change 2007: Impacts, adaptation and vulnerability -Working Group II contribution to the fourth assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [R]. [S. l.]: Cambridge University Press, 2007.

[4] IPCC. Climate change 2013: The physical science basis -Working Group I contribution to the fifth assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [R]. [S. l.]: Cambridge University Press, 2013.

[5] OKI T, KANAE S. Global hydrological cycles and world water resources [J]. Science, 2006, 313(5790): 1068-1072. doi: 10.1126/ science.1128845.

[6] PAHL-WOSTL C, DOWNING T, KABAT P, et al. Transition to adaptive water management: The NeWater project. NeWater Working Paper 1 [R]. Institute of Environmental Systems Research, University of Osnabrück, Osnabrück, Germany, 2005: 1-17.

[7] LIU C Z, XIA J. Detection and attribution of observed changes in the hydrological cycle under global warming [J]. Advances in Climate Change Research, 2011, 2(1): 31-37.

[8] XIA J. Screening for climate change adaptation: water problem, impact and challenges in China [J]. International Journal on Hydropower &Dams, 2010, 17(2): 78-81.

[9] XIA J, CHEN J X, WENG J W, et al. Vulnerability of water resources and its spatial heterogeneity in Haihe River Basin, China [J]. Chinese Geographical Science, 2014, 24(5): 525-539.

[10] XIA J. Special issue: Climate change impact on water security & adaptive management in China [J]. Water International, 2012, 37(5): 509-511.

[11] 陳志愷. 持續(xù)干旱與華北水危機(jī)[J]. 中國水利, 2002 (4): 8-11.

[12] 陳雷. 實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度保障經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展[J].中國水利, 2009(5): 9-17.

[13] 丁一匯, 任國玉. 中國氣候變化科學(xué)概論[M]. 北京: 氣象出版社, 2008.

[14] 李善同, 許新宜. 南水北調(diào)與中國發(fā)展[M]. 北京: 經(jīng)濟(jì)科學(xué)出版社, 2004.

[15] 劉昌明, 何希吾. 中國21世紀(jì)水問題方略[M]．北京: 科學(xué)出版社, 1996.

[16] 劉春蓁, 夏軍. 氣候變暖條件下水文循環(huán)變化監(jiān)測與歸因研究的幾點(diǎn)認(rèn)識[J]. 氣候變化研究進(jìn)展, 2011, 6(5): 313-318.

[17] 姜文來. 應(yīng)對我國水資源問題適應(yīng)性戰(zhàn)略研究[J]. 科學(xué)對社會的影響, 2010(2): 24-29.

[18] 秦大河, 丁一匯, 蘇紀(jì)蘭, 等. 中國氣候與環(huán)境演變(上卷)——?dú)夂蚺c環(huán)境的演變及預(yù)測[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2005.

[19] 秦大河, 陳宜瑜, 李學(xué)勇. 中國氣候與環(huán)境演變(下卷) ——?dú)夂蚺c環(huán)境變化的影響與適應(yīng)、減緩對策[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2005.

[20] 水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院. 全國水資源綜合規(guī)劃水資源調(diào)查評價(jià)[R]. 北京: 水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院, 2004: 230.

[21] 王紹武, 羅勇, 趙宗慈, 等. 氣候變暖的歸因研究[J]. 氣候變化研究進(jìn)展, 2012, 8(4): 308-312.

[22] 夏軍, TANNER T, 任國玉. 氣候變化對中國水資源影響的適應(yīng)性評估與管理框架[J]. 氣候變化研究進(jìn)展, 2008, 4(4): 215-219.

[23] 夏軍, 劉春蓁, 任國玉. 氣候變化對我國水資源影響研究面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2011, 26(1): 1-12.

[24] 夏軍, 談戈. 全球變化與水文科學(xué)新的進(jìn)展與挑戰(zhàn)[J]. 資源科學(xué), 2002, 24 (3): 1-7.

[25] 夏軍. 跨流域調(diào)水及其對陸地水循環(huán)及水資源安全影響[J]. 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 17(6): 8-20.

[26] 夏軍. 水文非線性系統(tǒng)理論與方法[M]. 武漢: 武漢大學(xué)出版社, 2002.

[27] 夏軍, 劉昌明, 丁永健, 等. 中國水問題觀察(第一卷)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2011.

[28] 中國國家發(fā)展和改革委員會. 中國應(yīng)對氣候變化國家方案[R]. 北京: 中國國家發(fā)展和改革委員會, 2007.

(編輯：沈美芳)

Impact of climate change and adaptive strategy on terrestrial water cycle and water resources in East Monsoon Area of China

XIA Jun①, LIU Chunzhen②, LIU Zhiyu②, LUO Yong③, DUAN Qinyun④, MO Xinguo⑤, XIE Zhenhui⑥
①State Key Laboratory of Water Resources & Hydro Power Engineering Sciences, Wuhan University, Wuhan 430072, China; ②Water Resources Information Center, Beijing 100053, China; ③The Center for Earth System Science, Tsinghua University, Beijng 100084, China; ④Institute of Global Change and Earth System Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China; ⑤Institute of Geographical Sciences and Natural Resource Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China; ⑥Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China

The change of water cycling and water resources in China Eastern monsoon area is rather complicated, which has both strong monsoon in fl uences of natural changes and climate change impact caused by carbon dioxide emissions due to anthropogenic forcing. The major change of land water cycle is the co-action of greenhouse gas emissions impact superposition in the eastern monsoon region and the natural variability of interaction, which the natural variability contribution to the in fl uence of precipitation accounted for about 70% and anthropogenic forcing about 30%. With future increasing CO2emissions contribution rate, the extreme fl oods will have further increasing. Also, along with rising temperature of 1 °C in North China, the agricultural water consumption will increase about 4% of the total water consumption. Thus, there are signi fi cant impacts of climate change and its risk on China’s eastern monsoon region, which covered almost of eight major river basins, such as Yangtze river, Yellow River, Huai River, Hai River and Pearl River, as well as the major water transfer (middle line). For the water security issue, it is necessary to take adaptive countermeasures and measures to reduce the vulnerability of water resources and their risks.

climate change, water cycle, water resource, vulnerability, adaptation, strategy

10.3969/j.issn.0253-9608.2016.03.002

*國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2010CB428400)資助

?通信作者，中國科學(xué)院院士，研究方向：系統(tǒng)水文學(xué)非線性理論與方法、生態(tài)水文與水資源可持續(xù)管理。E-mail: xiajun666@whu.edu.cn