氣候變化下水文模擬不確定性若干問題討論

張 力，趙自陽，王紅瑞，楊亞鋒,2，李曉軍

(1.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院, 北京 100875; 2.華北理工大學(xué)理學(xué)院, 河北 唐山 063210;3.濟(jì)南市水利工程服務(wù)中心, 山東 濟(jì)南 250099)

氣候變化和水文不確定性是21世紀(jì)最大的挑戰(zhàn)之一，同時(shí)也是水文領(lǐng)域23個(gè)未決科學(xué)問題中的研究熱點(diǎn)[1-2]。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)在第六次評估報(bào)告中指出，到21世紀(jì)末降水模式和溫度將發(fā)生顯著變化，進(jìn)一步加劇水循環(huán)速度，與之相關(guān)的水資源供應(yīng)和需求方面的不確定性不斷增加，為決策者統(tǒng)籌水資源管理系統(tǒng)帶來了更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[3-4]。然而，水資源系統(tǒng)內(nèi)在的灰色、模糊以及隨機(jī)屬性為其組成和影響因素帶來廣泛不確定性[5]，這種不確定性及其相互作用可能導(dǎo)致規(guī)劃工作的額外復(fù)雜性，并影響后續(xù)決策過程。水資源系統(tǒng)的多周期、多層次和多目標(biāo)特征也可能進(jìn)一步放大這些不確定性，引發(fā)用水者之間的潛在沖突，加劇缺水危機(jī)[6-7]。在氣候變化的背景下，預(yù)計(jì)到2025年將有18億人生活在缺水國家或地區(qū)[8]，致使正確考慮不確定性已成為水資源系統(tǒng)規(guī)劃的基礎(chǔ)[9-10]。此外，聯(lián)合國教科文組織在2012年發(fā)布的第四版《世界水資源發(fā)展報(bào)告》中強(qiáng)調(diào)，歷史經(jīng)驗(yàn)將不足以估計(jì)用水量與未來需求變化之間的關(guān)系，水資源調(diào)控需充分考慮環(huán)境影響中的風(fēng)險(xiǎn)和不確定性[11]。

倘若與水文模型相關(guān)的預(yù)測不確定性結(jié)果沒有通過氣候變化影響分析得到正式處理和傳播，那么這些研究中得出的水文變化結(jié)論可能被夸大，從而誤導(dǎo)水資源管理決策者[12]?，F(xiàn)階段在全球和區(qū)域范圍內(nèi)已發(fā)表許多有關(guān)水文系統(tǒng)不確定性主題的研究[13-14]，學(xué)者們也開發(fā)了多種數(shù)學(xué)規(guī)劃方法用于處理水資源管理問題中的不確定性[15]。如金菊良等[16-17]分別采用投影尋蹤權(quán)重優(yōu)化、聯(lián)系數(shù)和耦合協(xié)調(diào)度等方法，降低了水資源承載力評估中的不確定性風(fēng)險(xiǎn)；張金萍等[18]基于小波變換和集對分析研究了鄭州市降雨-徑流的不確定性關(guān)系，為該地區(qū)徑流預(yù)測提供了理論支撐；王京晶等[19]應(yīng)用GLUE(generalized likelihood uncertainty estimation)算法討論了基流分割前后流量數(shù)據(jù)對城市雨洪模擬的不確定性影響。然而，不確定性分析在許多模型構(gòu)建過程中仍然不是標(biāo)準(zhǔn)的做法，實(shí)際應(yīng)用過程中向決策者們展示沒有充分考慮不確定性限制結(jié)果的方式仍屢見不鮮[20-21]。鑒于已有研究的不足，本研究基于不確定性本質(zhì)，從氣候變化視角全面綜述氣候變化下水文系統(tǒng)模擬中的不確定性，進(jìn)而展望該領(lǐng)域的未來研究方向，以期為深入探究區(qū)域水循環(huán)機(jī)理、指導(dǎo)防災(zāi)減災(zāi)、加快推進(jìn)韌性城市建設(shè)等提供參考。

1 不確定性的來源與分類

廣義上，不確定性可以被視為信息的一種屬性[22]。Knight[23]將不確定性定義為由于決策者認(rèn)知不足而不能將概率分配給結(jié)果，在水文科學(xué)背景下，這個(gè)定義為水文領(lǐng)域研究者提供了標(biāo)準(zhǔn)。Funtowicz等[24]將水資源系統(tǒng)中的不確定性描述為不準(zhǔn)確、不可靠和近乎無知這3類信息不足的情況；Larry[25]將其定義為事件可能發(fā)生在可控范圍之外，是水文水資源系統(tǒng)的基本屬性。為了涵蓋水文不確定性的所有維度，IPCC第五次評估報(bào)告中將不確定性定義為：由于先驗(yàn)信息不足或?qū)σ阎挛锎嬖诜制缍鴮?dǎo)致的一種不完整的認(rèn)知狀態(tài)。

地球上具有廣闊的海洋面積和熱容，全球平均表面溫度的細(xì)微變化都需要大量的熱能來驅(qū)動(dòng)。與1900—2000年的平均地表溫度相比，1880年以來地表溫度每10年上升0.08℃，1981年以來變暖速度進(jìn)一步加快，每10年上升0.18℃，2020年是有史以來地表溫度第二高的年份，陸地面積創(chuàng)下歷史新高(圖1)。IPCC第四次評估報(bào)告中指出這些額外的熱量導(dǎo)致了區(qū)域性和季節(jié)性的極端溫度，加劇了強(qiáng)降雨，改變了區(qū)域水文循環(huán)規(guī)律。在氣候變化對水資源影響的量化中，研究者大多基于降尺度技術(shù)對某一特定情景下的全球氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并應(yīng)用其驅(qū)動(dòng)水文模型來闡釋水文過程的響應(yīng)機(jī)理。而由于自然氣候系統(tǒng)和流域水文循環(huán)過程具有不同時(shí)空尺度的非線性反饋，致使不確定性廣泛存在于氣候變化情景、評價(jià)模型以及評估過程中[26]。盡管氣候變化下水文系統(tǒng)中的不確定性本質(zhì)上難以量化，但是了解不確定性的來源和影響對于理性決策以及提高對水資源風(fēng)險(xiǎn)和可靠性的認(rèn)知仍然十分重要[27]。

圖1 1880—2020年地表溫度變化Fig.1 Surface temperature change from 1880 to 2020

1.1 氣候變化情景的不確定性

水文系統(tǒng)預(yù)測變化的不確定性源于氣候系統(tǒng)的內(nèi)部可變性。氣候情景作為表征人類和環(huán)境相互作用系統(tǒng)中不確定性的手段，在結(jié)合水文模型和水資源評價(jià)模型的基礎(chǔ)上，已經(jīng)成為評估氣候變化對水文過程影響的前沿方法[28]?，F(xiàn)有氣候情景可分為4類：增量情景、慣性情景、類比情景、GCMs(general circulation models)情景。增量情景是假定到未來某一特定時(shí)期氣候要素的變化量，特點(diǎn)是操作簡單，但不具備氣候、水文預(yù)測功能；慣性情景是假定未來氣候變化延續(xù)已有變化趨勢，特點(diǎn)是忽略了氣候的不同周期及其組合；類比情景又稱為古氣候比擬法，基于分析千萬年時(shí)間尺度下的氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行類比，特點(diǎn)是難以獲得可信資料，且人類活動(dòng)對自然影響越來越大，難以準(zhǔn)確衡量；GCMs情景是利用全球氣候模式模擬未來的氣候變化情況，能反映地球系統(tǒng)各圈層復(fù)雜關(guān)系和溫室氣體排放響應(yīng)?？紤]到前3個(gè)氣候情景的不足，將GCMs情景作為本文討論的核心，造成其不確定的關(guān)鍵來源可從氣候模式、情景設(shè)定以及降尺度方法方面考慮[29]。

1.1.1氣候模式不完善性

GCMs的結(jié)構(gòu)、物質(zhì)和能量交換過程和代表性濃度路徑是影響氣候模式模擬結(jié)果的主要不確定性因素[30]。GCMs結(jié)構(gòu)由于情景的參考運(yùn)行和擾動(dòng)運(yùn)行之間的差異多變，模型參數(shù)化處理難度增大，致使預(yù)測結(jié)果存在顯著差異性[31]；海洋、大氣與大陸三者間的物質(zhì)和能量交換機(jī)制為評估過程帶來不確定性，一些簡單模式為了簡化這些尺度上的物理過程，對海冰和大氣運(yùn)動(dòng)進(jìn)行粗糙處理造成誤差；區(qū)域土地利用變化和氣溶膠也可能復(fù)雜化不同尺度上的歸因，造成一定誤差[32-33]。因此，完善區(qū)域氣候模式和全球海陸氣耦合模型已成為現(xiàn)階段精準(zhǔn)預(yù)測全球或者區(qū)域變化的重中之重。在IPCC第六次評估報(bào)告中，盡管應(yīng)用了更為全面的海洋-大氣耦合環(huán)流模型(coupled ocean-atmosphere general circulation model，CGCM)，提高了其模擬精度和參數(shù)優(yōu)化方案，但與實(shí)際氣候狀況相比其模擬水平仍需優(yōu)化改進(jìn)。

1.1.2情景設(shè)定不確定性

情景不確定性指由未來經(jīng)濟(jì)社會(huì)和人類活動(dòng)的不可預(yù)測性導(dǎo)致未來溫室氣體(greenhouse gas，GHG)排放預(yù)測的不確定[34]?，F(xiàn)階段應(yīng)用較為廣泛的排放預(yù)測情景為1992年發(fā)布的IS92情景和后續(xù)提出的經(jīng)濟(jì)社會(huì)共享情景(shared socioeconomic pathways，SSPs)，其中SSPs情景應(yīng)用于IPCC第五、第六次評估報(bào)告。使用預(yù)測情景進(jìn)行影響研究代表了一種自上而下的方法來解決問題，其對于真實(shí)反映氣候變化下水文系統(tǒng)的脆弱性、敏感性來說至關(guān)重要。因此，目前影響氣候變化評估可靠性的最大問題，即精準(zhǔn)可靠地研發(fā)未來幾十年甚至上百年的氣候情景。水文模擬不確定性的另一關(guān)鍵是選擇氣候情景，單一氣候變化情景下降尺度輸出只能得出許多現(xiàn)實(shí)可能性中的單一軌跡。然而，這種單一的軌跡本身并不能完全代表未來復(fù)雜水文過程下的水文情景，更不足以用于準(zhǔn)確預(yù)估氣候變化帶來的水文影響。因此，在影響評估中常采用系列情景而非單一的最佳猜測或者平均水平情景。Simonovic等[35-36]指出，由于使用的未來排放情景存在差異，氣候?qū)Ψ篮橛绊懙难芯可写嬖诓淮_定性，該研究利用GCMs的輸出來評估防洪系統(tǒng)的有效性并得出結(jié)論，不同的氣候情景提供了不同的水文參數(shù)估計(jì)值。

1.1.3降尺度技術(shù)不確定性

早期情景不確定性的來源僅通過GCMs的結(jié)構(gòu)差異或排放情景設(shè)定來解釋[37]，氣候模式降尺度方法的選擇作為另一不確定性的重要來源，很少受到關(guān)注[38-39]。一般來說GCMs的空間尺度可達(dá)幾百千米，時(shí)間上也是以年或月作為基本單位，相比較之下水文模型的時(shí)空尺度更為精細(xì)化。因此從時(shí)空分辨率的角度，GCMs的輸出數(shù)據(jù)與水文模型需求不一致，導(dǎo)致其不能用于模型驅(qū)動(dòng)來源，無法科學(xué)支撐未來水資源評價(jià)，亟須降尺度處理以滿足氣候模式和水文模型之間接口匹配性問題。目前已經(jīng)開發(fā)了基于動(dòng)態(tài)降尺度的區(qū)域氣候模型(regional climate models，RCMs)和統(tǒng)計(jì)降尺度(statistical downscaling，SD)方法來滿足這一要求[40]。RCMs的開發(fā)基于動(dòng)態(tài)公式，使用GCMs的初始和與時(shí)間相關(guān)的橫向邊界條件，以犧牲有限區(qū)域建模為代價(jià)實(shí)現(xiàn)更高的空間分辨率，主要缺陷是計(jì)算成本較大，僅適用于部分研究區(qū)。盡管有所改進(jìn)，RCMs的輸出尺度對于某些實(shí)際應(yīng)用來說仍然過于粗糙，例如小流域水文響應(yīng)機(jī)制分析和田間農(nóng)業(yè)影響研究，需要當(dāng)?shù)睾吞囟ǖ攸c(diǎn)的精細(xì)化氣候情景。此外，根據(jù)不確定性爆炸理論，RCMs建模中的每一部分都會(huì)對后續(xù)級聯(lián)產(chǎn)生影響[41]。SD方法通過將代表大尺度一些變量的狀態(tài)與其他預(yù)測變量的狀態(tài)聯(lián)系起來，具有靈活性高、計(jì)算方法相對容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用較為廣泛[42]。然而，無論使用哪一種降尺度方法，計(jì)算結(jié)果中始終存在誤差，如何對數(shù)據(jù)進(jìn)行降尺度處理也是氣候變化情景應(yīng)用的不確定性根源之一。

1.2 評價(jià)模型的不確定性

在氣候變化對水文過程影響的研究中，常用手段是借助率定好的水文模型，結(jié)合插值、區(qū)域氣候因子空間降尺度轉(zhuǎn)換等方法將氣溫、降水作為輸入數(shù)據(jù)，獲取水文模型的產(chǎn)匯流結(jié)果，進(jìn)而分析氣候變化對徑流的貢獻(xiàn)[43-44]。然而，評價(jià)過程中與水文模型相關(guān)的不確定性往往被忽略[45]。事實(shí)上，流域水文過程不僅受到降水、氣溫、日照、相對濕度等氣候因子的影響，同時(shí)也受到地形地貌、植被覆蓋等下墊面因子的影響。而流域水文模型通過模型結(jié)構(gòu)、參數(shù)和輸入數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)描述方式對這一復(fù)雜系統(tǒng)形成機(jī)理和變化規(guī)律進(jìn)行概化，其計(jì)算過程和結(jié)果必然會(huì)衍生出一系列的不確定性。

1.2.1模型結(jié)構(gòu)不確定性

模型結(jié)構(gòu)不確定性反映了仿真模型或設(shè)計(jì)程序無法精確表示系統(tǒng)真實(shí)的物理機(jī)制或過程(圖2)，主要原因有兩方面[46]：一是缺乏對變化環(huán)境下水文物理循環(huán)機(jī)制的足夠認(rèn)知，導(dǎo)致無法構(gòu)建反映真實(shí)水循環(huán)機(jī)理的流域或區(qū)域水文模型。以下墊面變化顯著的黃土高原地區(qū)為例，賀振等[47]認(rèn)為該地區(qū)下墊面條件較差，無法有效滯留地表徑流，因此得出黃土高原地區(qū)產(chǎn)流機(jī)制以超滲地面徑流為主導(dǎo)這一共識。然而胡彩虹等[48]基于水文學(xué)原理和數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方法，對黃河中游典型流域場次洪水的降雨徑流特征進(jìn)行了分析，初步表明蓄滿產(chǎn)流以及混合產(chǎn)流模式可能存在于黃土高原地區(qū)，那么在該區(qū)域水文模型產(chǎn)流模塊構(gòu)建時(shí)，僅考慮一種產(chǎn)流機(jī)制將無法保證模擬結(jié)果的可靠性。二是由于水文過程極其復(fù)雜，包括截留、填洼、下滲、蒸散發(fā)等多個(gè)過程[49]，同時(shí)在氣候因子和下墊面因子的共同影響下，加劇了精細(xì)刻畫水文過程形成機(jī)理和認(rèn)知變化規(guī)律的難度[50]。盡管部分學(xué)者認(rèn)為，模型結(jié)構(gòu)不確定性影響的重要性遠(yuǎn)不如氣候變化[51-53]，然而這一結(jié)論可以部分歸因于所使用的小樣本量。通過量化對比結(jié)構(gòu)和參數(shù)的不確定性，H?jberg等[54]表明，結(jié)構(gòu)不確定性對模型性能的影響占主導(dǎo)地位，并且無法通過優(yōu)化參數(shù)不確定性補(bǔ)償；Rojas等[55]也得出相似結(jié)論，結(jié)構(gòu)不確定性可能占預(yù)測結(jié)果不確定性的30%以上。

圖2 模型結(jié)構(gòu)不確定性示意圖Fig.2 Schematic diagram of model structure uncertainty

1.2.2模型參數(shù)不確定性

將特定的參數(shù)集作為概念簡化結(jié)果，對于每個(gè)水文模型來說都是必要的[56]，但不是所有模型參數(shù)都能通過觀測試驗(yàn)直接獲取，參數(shù)不確定性是指在集成和概念化過程中無法估計(jì)這些有效參數(shù)的結(jié)果。在構(gòu)建水文模型模擬時(shí)由于缺乏相應(yīng)的觀測數(shù)據(jù)而不得不借助參數(shù)估計(jì)的方法基于已有數(shù)據(jù)間接確定，給出滿足模擬要求的模型參數(shù)取值[57]。參數(shù)不確定性也可能是水文系統(tǒng)空間異質(zhì)性和觀測誤差的結(jié)果，例如某些參數(shù)(如水力傳導(dǎo)率)可以在點(diǎn)尺度上進(jìn)行測量，但它們的值在流域尺度上差異很大，盡管在操控模型時(shí)采用一套參數(shù)的模擬效果能獲得令人滿意的精度要求[58]，但是對整個(gè)流域做均一化處理，在物理意義方面勢必會(huì)有所欠缺。有模型構(gòu)建者提出基于現(xiàn)場觀測試驗(yàn)和先驗(yàn)信息能夠直接率定出合適的模型參數(shù)[59]，然而，縱使在高密度試驗(yàn)條件下得到某一特定時(shí)空尺度下的參數(shù)結(jié)果，往往也難以達(dá)到令人滿意的模擬效果。另外，即便模型能夠精細(xì)刻畫水文循環(huán)過程，由于校準(zhǔn)數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤，也可能產(chǎn)生參數(shù)不確定性。

1.2.3模型輸入不確定性

水文系統(tǒng)中模型的輸入數(shù)據(jù)也是高度不確定的(圖3)，這種不確定性的影響分為3類：①測量誤差。例如，水文模型中影響模擬結(jié)果最重要的輸入資料是降水?dāng)?shù)據(jù)[60]，然而已有長時(shí)間序列降雨徑流模擬研究中通常存在一個(gè)問題：由于20世紀(jì)60年代及以后的一段時(shí)間內(nèi)，對降雨的觀測技術(shù)還很落后，水文站一般是利用自制雨量筒結(jié)合刻度尺對降雨進(jìn)行觀測后編入當(dāng)?shù)厮哪觇b，致使原始數(shù)據(jù)與實(shí)際降雨過程有較大出入。因此，基于這類數(shù)據(jù)得出的模擬結(jié)果可靠性不高。②觀測站點(diǎn)空間布局無序，數(shù)據(jù)樣本缺乏代表性。準(zhǔn)確計(jì)算水文氣象數(shù)據(jù)的空間分布值是復(fù)雜的，為了提高這些數(shù)據(jù)的質(zhì)量，最好的辦法是增加監(jiān)測站點(diǎn)的密度，然而在高程、坡度等不規(guī)則的區(qū)域往往是難以實(shí)現(xiàn)的[61-62]，同樣構(gòu)成輸入不確定性問題。③數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)錄誤差[63]。水文建模通常涉及使用觀測流量數(shù)據(jù)評估模型精度，然而實(shí)際河道中流量數(shù)據(jù)難以直接連續(xù)測量，而連續(xù)監(jiān)測水位高度的方法較容易實(shí)現(xiàn)，所以通常只觀測水位，流量則由水位-流量關(guān)系曲線轉(zhuǎn)換得來[64]。這種轉(zhuǎn)換不僅傳播隨機(jī)誤差，還受到水位-流量關(guān)系曲線插值和外推等方法的影響[65]。已有研究表明，外推誤差在傳統(tǒng)水位-流量關(guān)系曲線計(jì)算方法的不確定性中占據(jù)主導(dǎo)，導(dǎo)致流量數(shù)據(jù)的不確定范圍為5%～25%[66-67]。

圖3 模型輸入不確定性示意圖Fig.3 Schematic diagram of model input uncertainty

1.3 評價(jià)過程的不確定性

1.3.1人類活動(dòng)影響不確定性

人類活動(dòng)為氣候變化提供了更多不穩(wěn)定因素[68-69]。通常，氣候變化會(huì)導(dǎo)致大氣溫度上升和降水模式的改變，而人類活動(dòng)對水循環(huán)過程有直接(如取水)或間接(如土地利用變化和水利工程建設(shè))的影響[70]。隨著人口膨脹和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，人類活動(dòng)在水文過程中的重要性很可能超過氣候變化[71]，因此，區(qū)分它們對水循環(huán)的驅(qū)動(dòng)效應(yīng)對于為水資源管理決策提供科學(xué)支撐來說非常重要。人類活動(dòng)主要從3個(gè)方面影響區(qū)域水循環(huán)機(jī)理：①水土保持措施改變下墊面狀況從而使原有產(chǎn)匯流范圍和路徑發(fā)生改變，坡面產(chǎn)流過程的糙率系數(shù)也隨之改變，縱使氣候因子不發(fā)生顯著突變，未來的水文情勢也會(huì)或多或少受其影響[72-73]；②跨流域調(diào)水、開采地下水等引水工程直接影響區(qū)域用水結(jié)構(gòu)；③修建水利工程導(dǎo)致河網(wǎng)縱向連通性降低，影響河道匯流過程[74]。在實(shí)際過程中這三者共同作用且相互影響，評估其作用時(shí)應(yīng)適當(dāng)將其分割開來單獨(dú)考慮，而不是將所有人類活動(dòng)歸為一個(gè)影響因子。

1.3.2概率分布函數(shù)不確定性

評估極端氣候條件下流量的演變情勢通常需要進(jìn)行水文頻率計(jì)算，因此需要考慮選取合適概率分布函數(shù)的不確定性。其不確定性主要來源于概率分布函數(shù)線型選擇、分布參數(shù)的確定以及水文資料樣本選取等。目前水文頻率計(jì)算常用的概率分布函數(shù)有皮爾遜Ⅲ型分布、廣義極值分布、三參數(shù)對數(shù)正態(tài)分布等[75](表1)。由于洪水產(chǎn)生的主導(dǎo)因素不同，各流域選取的分布線型也存在差異。參數(shù)估計(jì)方法包括矩法、適線法以及權(quán)函數(shù)法等，方法的選擇會(huì)對結(jié)果產(chǎn)生顯著影響[76]。此外，水文序列的長度、系列代表性及樣本抽樣方法對水文頻率計(jì)算結(jié)果的影響也不容忽視。杜鴻等[77]應(yīng)用4種抽樣方法和2種極值統(tǒng)計(jì)模型，結(jié)合K-S(Kolmogorov-Smirnov)法分析淮河流域極端流量時(shí)空演變規(guī)律，表明兩種統(tǒng)計(jì)模型均能較好地?cái)M合極端流量，百分位閾值法的模擬精度優(yōu)于其他超閾限峰值法。

表1 水文頻率計(jì)算常用的概率分布函數(shù)Table 1 Commonly used probability distribution functions for hydrological frequency calculation

1.3.3氣象水文耦合技術(shù)不確定性

現(xiàn)有氣象-陸面水文全耦合研究技術(shù)還有長足發(fā)展空間[78]，傳統(tǒng)的氣候水文耦合研究大多只考慮了大氣和陸面過程單向反饋過程，采用不同類別的模型對大氣或陸面過程單獨(dú)進(jìn)行研究，操作過程較為單一且應(yīng)用簡單，應(yīng)用范圍相對較廣[79-80]。但流域水文要素變化與區(qū)域氣候存在互饋機(jī)制，缺乏二者間雙向耦合的理論方法與關(guān)鍵技術(shù)研究，對水文和氣象兩個(gè)基礎(chǔ)學(xué)科的交叉融合造成阻隔，對研究成果的完整性和精確性也產(chǎn)生了一定誤差?？紤]到大氣與水文之間存在互饋?zhàn)饔?，一些學(xué)者通過將氣候模式與水文模型協(xié)同編譯運(yùn)行并且不破壞二者間的獨(dú)立性，進(jìn)一步完善了陸面水文與氣候全耦合技術(shù)。如Senatore等[81]以意大利南部的一個(gè)流域?yàn)檠芯繀^(qū)，通過集成氣象研究預(yù)報(bào)模型(weather research and forecasting，WRF)和一套水文物理參數(shù)構(gòu)建陸面水文-氣候全耦合模型，并將模擬結(jié)果與原始非耦合模型橫向?qū)Ρ龋砻魅詈夏Ｐ驮谟^測降雨以及水循環(huán)模擬方面性能更好；Wagner等[82]采用氣象與水文全耦合的方式，將WRF和HMS水文模型擴(kuò)展為中尺度模型系統(tǒng)，在鄱陽湖流域進(jìn)行應(yīng)用和檢驗(yàn)，結(jié)果表明全耦合模型系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)地表和地下的側(cè)向徑流以及地下水、非飽和帶、地表和大氣之間的雙向相互作用。

2 氣候變化對水文過程影響不確定性的研究進(jìn)展

2.1 敏感性分析法

敏感性分析用于量化模型參數(shù)調(diào)整或輸入數(shù)據(jù)誤差對運(yùn)行結(jié)果的影響[83]，可分為局部和全局敏感性分析[84]。局部敏感性分析的核心思想是控制變量，即每次只修改單個(gè)輸入?yún)?shù)，通過計(jì)算模擬結(jié)果的變化進(jìn)而確定所選參數(shù)對分析結(jié)果不確定性的貢獻(xiàn)?；诖耍拿舾行员欢x為模型對已知?dú)夂蜃兓蜃拥捻憫?yīng)，即降水和溫度的變化導(dǎo)致作物蒸散、徑流和地下水補(bǔ)給的變化。這種方法簡單易行，例如Bao等[85]通過假定氣候影響下的降雨變化(以2%為步長，變化范圍為-20%～20%)和溫度變化(以0.2℃為步長，變化范圍為-2～2℃)，對淮河流域4個(gè)子匯水區(qū)的徑流、蒸發(fā)和土壤濕度進(jìn)行了敏感性分析，結(jié)果表明水文變量對降雨更為敏感，其次是溫度，但其缺陷在于忽略了模型參數(shù)之間的內(nèi)在相關(guān)性。全局敏感性使用不同GCMs的集合或者在參數(shù)略微改變的情況下多次運(yùn)行來確定，優(yōu)勢在于可同時(shí)分析模擬結(jié)果對多個(gè)參數(shù)或輸入因子的響應(yīng)[86]。然而，GCMs設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)差異，如大氣和海洋的垂直和水平分辨率以及各種過程的參數(shù)化，為計(jì)算引入了更多的不確定性。

2.2 概率分析法

概率是研究者最為熟悉和應(yīng)用最為廣泛的量化氣候變化下水文不確定性的手段。目前應(yīng)用較廣的概率分析方法有：基于貝葉斯理論的蒙特卡羅(Monte Carlo)隨機(jī)模擬[87]、廣義似然不確定性估計(jì)法(GLUE)[88]和方差分析(analysis of variance，ANOVA)法[89]。蒙特卡羅法不僅可以生成多種情景，同時(shí)可以從概率分析的角度來衡量不同情景的權(quán)重。Guo等[90]曾使用該方法生成具有不同參數(shù)集的徑流序列，并通過非參數(shù)方法估計(jì)徑流的概率密度函數(shù)，然后針對不同的GCM輸出和假設(shè)氣候情景定量估計(jì)模型參數(shù)和徑流不確定性。隨后研究者又結(jié)合隨機(jī)過程中的馬爾可夫過程衍生出馬爾可夫鏈-蒙特卡洛方法(Markov chain Monte Carlo，MCMC)，極大地提高了蒙特卡洛方法的采樣效率，成為水文氣候科學(xué)領(lǐng)域不可或缺的工具[91]。GLUE方法在似然函數(shù)的選取與閾值確定方面有著更高的主觀性和靈活性，是目前最常用于不確定性估計(jì)的經(jīng)驗(yàn)頻率方法。ANOVA法將總的集合不確定性進(jìn)一步分解為來自不同來源(情景、模型結(jié)構(gòu)等)的貢獻(xiàn)率以及它們之間的相互作用[92]，比其他概率分析方法所需要的假設(shè)更少，并且可以很容易地用于量化與模型-情景耦合相關(guān)的不確定性。Bosshard等[93]基于ANOVA法定量計(jì)算了氣候模型、統(tǒng)計(jì)處理方法和水文模型對萊茵河近景和遠(yuǎn)景下水文模擬不確定性的貢獻(xiàn)率，結(jié)果表明，總體不確定性不是由3個(gè)因素的個(gè)體不確定性累加而來，而三者之間的交互作用占總體不確定性的5%～40%。

2.3 氣候模型和情景模擬分析方法

并非所有的不確定性都能以概率的形式描述。情景分析是目前氣候影響研究中最依賴的技術(shù)，其通過組合能夠模擬可能發(fā)生的不同情景，例如采用不同的氣候模式、排放情景、降尺度方法和水文模型均可視為不同的情景。田燁[94]采用4種未來排放情景、3種氣候模式、3種水文模型模擬未來情景下的最大徑流，發(fā)現(xiàn)水文模型參數(shù)對未來極端徑流不確定性的貢獻(xiàn)作用最大，GCMs的貢獻(xiàn)作用僅次于水文模型參數(shù)，水文模型結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)率最低；Jung等[95]考慮了GCMs結(jié)構(gòu)、未來GHG排放情景、土地利用變化情景、自然變化和水文模型參數(shù)這5種不確定性，采用兩種溫室氣體排放情景下的兩種未來土地利用條件來量化城市洪水頻率變化的不確定性，結(jié)果表明流域洪水頻率變化對氣候變化的敏感性高于土地利用變化。然而，在情景分析中會(huì)不可避免地遇見兩個(gè)問題：一是目前情景設(shè)定的發(fā)展略滯后于氣候模型，研究者們應(yīng)該致力于解決這一發(fā)展不平衡問題，以提供最新的影響評估情景；二是大多數(shù)氣候情景構(gòu)建方法是基于模型的氣候變化估計(jì)與觀測氣候數(shù)據(jù)相結(jié)合，而由于觀測數(shù)據(jù)集難以涵蓋年代際尺度氣候變化的全部范圍，以及由于使用不同的方法將模式和觀測氣候數(shù)據(jù)結(jié)合起來，進(jìn)一步將不確定性引入到氣候情景中。在氣候情景中，這些與使用觀測氣候數(shù)據(jù)有關(guān)的不確定性通常被忽略。

3 研究展望

不確定性仍然是可持續(xù)水資源管理的挑戰(zhàn)，本研究從氣候變化情景、水文模型和評價(jià)過程3方面討論氣候變化下水文模擬中的不確定性，概述了目前量化不確定性的主流方法，未來對于氣候變化下水文模擬的不確定性應(yīng)著重開展以下研究：

a.極端水文事件研究。極端氣候事件伴隨著全球變暖頻頻發(fā)生，如2021年7月河南遭受強(qiáng)暴雨，鄭州及周邊地區(qū)多個(gè)站點(diǎn)的日降雨量突破歷史極值，造成嚴(yán)重的暴雨洪澇災(zāi)害。鑒于目前氣候模式對極端氣候事件的模擬效果不盡如人意，而復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可對此類非線性演變特征進(jìn)行深入剖析，可考慮應(yīng)用其增強(qiáng)對極端氣候事件預(yù)估的可靠性。

b.輸入數(shù)據(jù)冗余性處理。水文系統(tǒng)模擬中需要大量輸入數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，是否可以從不確定性人工智能角度中的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)出發(fā)，通過局部信息采集、特征識別、目標(biāo)修正等技術(shù)達(dá)到整體認(rèn)知，科學(xué)處理各種輸入數(shù)據(jù)時(shí)間窗問題和冗余性，從而為無資料地區(qū)徑流預(yù)測提供科學(xué)支撐是亟待解決的問題。

c.水文過程異方差性。變化環(huán)境下流域水文序列存在波動(dòng)集群效應(yīng)，具有較強(qiáng)的異方差性和波動(dòng)性。徑流模擬過程中眾多動(dòng)態(tài)不確定性因素的累積傳導(dǎo)效應(yīng)會(huì)造成預(yù)測結(jié)果的不可靠，然而其在水文領(lǐng)域中并沒有得到應(yīng)有的關(guān)注。因此，基于異方差性波動(dòng)模型揭示變化環(huán)境下非平穩(wěn)異方差性水文序列的發(fā)生規(guī)律是解決當(dāng)下水科學(xué)問題的現(xiàn)實(shí)需求。