CMIP5RCP情景下漢江上游流域徑流對氣候變化的響

應(yīng)聶曉 丁玲玲

摘要 以漢江上游流域?yàn)檠芯苛饔?，建立SWAT分布式水文模型，以黃家港站1981—1990年月徑流數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證。采用CMIP5模式RCP 2.6、RCP 4.5 和 RCP 8.5情景下的輸出數(shù)據(jù)集，利用率定好的SWAT模型模擬未來氣候變化對研究流域徑流的影響。結(jié)果表明，不同RCP情景下2021—2050年漢江上游流域平均氣溫、降水量、徑流量較基準(zhǔn)期都呈增加趨勢，增幅從大到小依次為RCP 8.5、RCP 4.5、RCP 2.6，并且降水量的增幅均大于徑流量的增幅。3種情景下冬季降水量和徑流量均呈增加趨勢，且增幅較大；春季降水量和徑流量均呈減少趨勢，RCP 4.5和RCP 8.5情景下減幅較大；夏季和秋季降水量和徑流量均呈增加趨勢，RCP 8.5情景下增幅較大，RCP 2.6情景下增幅較小。

關(guān)鍵詞 氣候變化；徑流響應(yīng)；CMIP5模式；SWAT模型；漢江上游流域

中圖分類號 P339 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）02-0076-04

Abstract Based on the upper reaches of the Hanjiang Basin， a distributed hydrological SWAT model was established， and the monthly runoff in Huangjiagang station from 1981 to 1990 was used to calibrate and verify model parameters. Then based on the output data set under RCP scenarios （RCP2.6， RCP4.5 and RCP8.5） from the phase 5 of the Coupled Model Intercomparison Project （CMIP5）， the calibrated SWAT model was used to simulate the influence of future climate on the runoff of the upper reaches of the Hanjiang Basin.The analysis results show that compared with the baseline period， the average temperature， precipitation and runoff of the upper reaches of the Hanjiang Basin in the future period （2021-2050） will all increase under RCP scenarios， the amplification from large to small is in order as following： RCP8.5， RCP4.5， RCP2.6， but the increment amplitude of precipitation will be more than that of runoff. Precipitation and runoff will all increase greatly under RCP scenarios in winter， while precipitation and runoff will all decrease under RCP scenarios in spring， with a larger decrease under RCP4.5 and RCP8.5. And the precipitation and runoff will all increase under RCP scenarios in summer and autumn， with a larger increase under RCP8.5 and a smaller increase under RCP2.6.

Key words Climate change；Runoff response；CMIP5 climate model；SWAT model；The upper reaches of the Hanjiang Basin

全球氣候變化將改變流域的水文過程，直接或間接地影響流域的產(chǎn)流量和時空分布[1]。政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）最新報告顯示，溫室氣體排放增加是導(dǎo)致20世紀(jì)氣候變化的主要原因，未來在大氣中CO2濃度倍增的情況下，全球平均氣溫將持續(xù)上升，某些地區(qū)的降雨量將出現(xiàn)較大幅度的波動，除部分區(qū)域外，干濕地區(qū)間和干濕季節(jié)間的降水差異將會增大，旱澇災(zāi)害的頻率將會增加[2]。

漢江上游流域是南水北調(diào)中線工程水源區(qū)，2014年12月12日南水北調(diào)中線工程正式開閘通水，它對緩解受水區(qū)水資源短缺現(xiàn)狀及改善受水區(qū)生態(tài)環(huán)境具有重要作用[3]。漢江上游流域未來水文水資源的演變規(guī)律將直接關(guān)系到南水北調(diào)中線工程運(yùn)行的可靠性和水源區(qū)的水資源安全，是跨流域水資源調(diào)配與管理運(yùn)行的重要依據(jù)[4]。近些年，基于氣候變化的漢江上游流域水文變化研究逐漸展開[5-7]，關(guān)于域徑流對未來氣候變化的響應(yīng)也有一些研究[8-10]，主要是結(jié)合GCMs輸出結(jié)果或假定氣候要素變化情景的方法，研究流域未來水文要素對氣候變化的響應(yīng)過程。CMIP5模式公布至今時間較短，在國內(nèi)各個流域的應(yīng)用較少[11]。筆者基于SWAT模型及最新的CMIP5模式對未來氣候的預(yù)測結(jié)果，分析了RCP 2.6、RCP 4.5和RCP 8.5情景下漢江上游流域降水量、氣溫和徑流量的變化特征及趨勢，以期為南水北調(diào)中線工程的運(yùn)行管理及區(qū)域水資源優(yōu)化配置提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

漢江是長江最大的支流，干流全長1 577 km，流域面積約15.9萬km2，研究區(qū)域?yàn)榈そ谒畮煲陨系臐h江上游，長約925 km，占漢江總長的59%，集水面積為9.52萬km2，漢江上游以黃家港水文站為控制站，河段位于秦嶺、大巴山之間，流域呈羽葉狀，干流大致為東西方向。漢江上游屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均氣溫為14.6 ℃，多年平均降水量為904 mm，降水量年內(nèi)分布不均，多集中在7—9月，多年平均徑流量為367.8億m3。水面蒸發(fā)量為700～1 000 mm，其分布是西南少、東北多。

1.2 數(shù)據(jù)來源

流域氣象觀測數(shù)據(jù)來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，包括研究流域9個氣象站點(diǎn)的1961—1990年逐日氣象要素?cái)?shù)據(jù)序列，另外逐日降雨量數(shù)據(jù)還包括來自流域內(nèi)195個雨量站的數(shù)據(jù)。水文數(shù)據(jù)采用黃家港水文控制站實(shí)測的1981—1990年逐月天然徑流量序列。

流域DEM資料來自美國USGS網(wǎng)站提供的GTOPO30公共域，分辨率為500 m×500 m。土壤數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院南京土壤研究所土壤數(shù)據(jù)庫，為中國資源與環(huán)境數(shù)據(jù)庫中土地資源與環(huán)境大類下土壤小類的數(shù)據(jù)。為了模型輸入的需要，將這一分類結(jié)果進(jìn)行了重新分類并賦予其適用于SWAT模型的標(biāo)準(zhǔn)代碼。土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)來自國家測繪總局提供的30 m國家土地覆蓋分幅TIF圖，采用漢江上游流域1990年的土地利用數(shù)據(jù)，并根據(jù)SWAT模型中土地利用/覆蓋分類標(biāo)準(zhǔn)，將其分為12類。

Murphy等[12]研究表明，多個氣候模式的平均模擬效果優(yōu)于單個模式的模擬效果，該研究CMIP5模式輸出數(shù)據(jù)采用由北京師范大學(xué)全球變化與地球系統(tǒng)科學(xué)研究院提供的基于13 個CMIP5 氣候模式統(tǒng)計(jì)降尺度的集合數(shù)據(jù)集。筆者所使用的對漢江上游流域的降尺度結(jié)果包括氣候基準(zhǔn)時期（1961—1990年）及未來時期（2021—2050年）3種氣候變化情景RCP 2.6、RCP 4.5 和 RCP 8.5（RCP為典型濃度路徑）逐日平均溫度和降水量，為減少氣候模式模擬系統(tǒng)偏差，采用Delta方法[13]對每個情景下的降尺度模擬結(jié)果進(jìn)行校正。

1.3 研究方法

基于SWAT模型在評價氣候變化對流域水文水資源影響方面有著廣泛的應(yīng)用前景[14-15]，筆者選用ArcSWAT2005模型開展CMIP5 RCP情景下未來漢江上游流域的徑流響應(yīng)。徑流模擬方法選擇SCS 徑流曲線數(shù)法，以日為時間單位進(jìn)行徑流演算。潛在蒸散發(fā)計(jì)算選擇Penman-Monteith 公式，河道匯流演算采用變動存儲系數(shù)法。徑流模擬的時間尺度為月，參數(shù)率定也以月徑流效率系數(shù)為評價指標(biāo)。筆者采用自動優(yōu)選與手工優(yōu)選相結(jié)合的方法對參數(shù)進(jìn)行率定，參數(shù)率定的原則：先上游后下游；先調(diào)整總水量和蒸發(fā)、地表徑流、地下徑流等各部分水量平衡，再調(diào)整地表和河道匯流時間等過程；先調(diào)整地表徑流，再調(diào)整土壤水、蒸發(fā)和地下徑流[16]。

筆者通過反復(fù)調(diào)試，將漢江上游流域劃分為42個子流域，生成的積水面積為15萬km2，根據(jù)優(yōu)勢土地利用類型/土壤類型方法生成水文響應(yīng)單元（HRU），閾值設(shè)定為5/20，即占子流域面積5%以上的土地利用及占該類土地利用20%以上的土壤類型生成HRU。最后，將漢江上游流域劃分為42個子流域和241個HRU。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型的校準(zhǔn)與驗(yàn)證

選用Nash-Sutcliffe模擬效率系數(shù)（Ens）、相關(guān)系數(shù)（R）和相對誤差3個指標(biāo)評估模型漢江上游流域的適用性。Ens越大，R越高，相對誤差越小，說明模擬效果越好。Nash-Sutcliffe模擬效率系數(shù)的計(jì)算公式為

Ens=1-ni=1（QEi-QOi）2ni=1（QOi-QOi）2（1）

式中，QOi為實(shí)測徑流值，QEi為模擬徑流值，QOi為實(shí)測徑流的平均值，n為模擬的時段數(shù)。Ens越接近1.0，說明模型的模擬效率越高；Ens為負(fù)值，說明模型模擬值比直接使用實(shí)測值的可信度更低，通常取>0.5作為徑流模擬效率的評價標(biāo)準(zhǔn)[10]。

利用SWAT2005自動敏感性分析工具確定敏感性等級最高的6個參數(shù)：SCS徑流曲線系數(shù)CN2、土壤有效含水量SOL-AWC、土壤蒸發(fā)補(bǔ)償系數(shù)ESCO、地下水再蒸發(fā)系數(shù)GW-REVAP、淺層地下水再蒸發(fā)或下滲的閾值深度REVAPMN、淺層地下水回歸流閾值深度GWQMN，在參數(shù)率定中主要利用黃家港控制站實(shí)測徑流量對以上6個參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。筆者根據(jù)1961—1990年的氣象資料，在1990年土地利用情形下，將1961—1980年作為模型的初始條件形成期，取1981—1987年黃家港控制站的實(shí)測徑流數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行逐月的徑流校準(zhǔn)，對參數(shù)進(jìn)行率定；采用校準(zhǔn)后的參數(shù)，取1988—1990年黃家港控制站月徑流數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗(yàn)證。校準(zhǔn)期和檢驗(yàn)期模型評價結(jié)果見表1、2和圖1。結(jié)果顯示，在校準(zhǔn)期表征模型效率的Ens達(dá)0.90，R為0.96，相對誤差為4.4%；檢驗(yàn)期月徑流表征模型效率的Ens為0.87，R為0.92，相對誤差為8.3%。模型的校準(zhǔn)與驗(yàn)證結(jié)果表明，在漢江上游流域的地理環(huán)境下，筆者構(gòu)建的分布式水文模型SWAT能較準(zhǔn)確地模擬流域的徑流過程，說明運(yùn)用該模型在漢江上游流域進(jìn)行徑流模擬是可行的。

2.2 未來氣候變化

由表3可知，3種情景下各年代氣溫、降水量均呈增加趨勢，各年代平均氣溫增幅從大到小依次為RCP 8.5、RCP 4.5、RCP 2.6；21世紀(jì)20、40年代3種情景下降水量的增幅相差不大，增幅相差最大的年代是21世紀(jì)30年代，RCP 2.6、RCP 4.5、RCP 8.5情景下的年降水量增幅分別是1.61%、5.82%、14.27%，這在一定程度上反映了未來降水預(yù)測的不確定性。