氣候變化對渭河流域水文干旱特征的影響研究

師晟國

（西安水文水資源勘測中心,陜西 西安 710100）

1 研究區(qū)概況

渭河流域位于東經(jīng)103°～110°和北緯34°～38°之間,流域面積13.48 km2,全長818 km。年平均氣溫約為13.3℃,年平均降水量為558 mm～750 mm,總體趨勢從北到南逐漸增加。多年平均徑流量103.7億m3。隨著近些年氣候發(fā)生劇烈變化,渭河流域缺水形勢日趨嚴(yán)峻,出現(xiàn)了更為嚴(yán)重的干旱事件。本文采用位于主河道上、中、下游的北道、咸陽和臨潼水文站校準(zhǔn)水文模型參數(shù),并采用GCM預(yù)測以上站點(diǎn)在氣候變化情景下的未來月徑流量。河流流量和干旱特征的觀測值被用作對比未來氣候變化相對于歷史實(shí)測值的變化強(qiáng)度。

2 研究方法及數(shù)據(jù)來源

2.1 GCM數(shù)據(jù)

基于兩種代表性濃度路徑（RCP4.5和RCP8.5）下40個(gè)全球氣候模式（GCM）的年降水量數(shù)據(jù),本研究選取了3種CMIP5全球氣候模式,即降水變化范圍最大的干旱情景,其模式名稱為CSIRO-Mk3-6-0,降水變化范圍最大的濕情景為MIROC5；降水變化范圍處于中間的情景為FGOALS-g2。以CMIP5歷史時(shí)段模擬的45年（1960年～2004年）為基準(zhǔn)期,以未來三個(gè)不同時(shí)段（2010年～2054年、2030年～2074年和2055年～2099年）作為未來時(shí)期。GCMs的預(yù)測結(jié)果存在一定的系統(tǒng)偏差,因此其在使用前需進(jìn)行誤差訂正,采用δ-比例法對GCMs進(jìn)行偏差校正,該方法將GCMs模擬的歷史時(shí)期與未來時(shí)期之間的月平均降水量的變化量疊加在觀測到的歷史降水和溫度數(shù)據(jù)上,以代表未來的氣候變化。GCMs經(jīng)過偏差訂正后產(chǎn)生了18個(gè)未來月氣候預(yù)測結(jié)果（2個(gè)RCP和3個(gè)未來時(shí)期下的3個(gè)GCM）,將以上預(yù)測結(jié)果輸入SWAT模型通過模擬獲得月徑流量。

2.2 水文模擬與干旱指數(shù)

采用的水文模型為土壤和水評估工具SWAT模型進(jìn)行月徑流模擬,該模型被廣泛應(yīng)用于氣候變化下月徑流量的模擬。SWAT是一個(gè)基于物理的、計(jì)算高效的半分布式流域水文模型。研究流域基于河網(wǎng)被劃分為多個(gè)子流域,以上子流域又被細(xì)分為多個(gè)水文響應(yīng)單元（HRU）。該模型已被廣泛用于世界各地的不同流域,是檢驗(yàn)水文對土地利用和氣候變化響應(yīng)的有效工具。

采用徑流干旱指數(shù)SDI作為分析流域干旱特征變化的評估指標(biāo)。SDI采用月累積徑流量的計(jì)算公式如下：

式中：Vk和Sk分別為參考時(shí)段累積流量的均值和標(biāo)準(zhǔn)差；Vi,k為第i個(gè)水文年和第k個(gè)參考周期的累積流量；Qi,j為第i個(gè)水文年及第j個(gè)月的月流量。

本文選取k = 4,代表SDI的12個(gè)月時(shí)間尺度,N是年數(shù),j是月份。式（1）和式（2）的區(qū)別在于,后者為累積流量的對數(shù)變換。

當(dāng)SDI值小于0時(shí)被定義為干旱事件。本文以干旱事件的次數(shù)作為頻率,干旱持續(xù)時(shí)間為SDI值連續(xù)為負(fù)的月數(shù),干旱強(qiáng)度為SDI的量級。

3 結(jié)果分析

3.1 氣候變化下水文干旱特征的變化

3.1.1 水文干旱事件頻率的變化

圖1 為在兩種RCP情景（RCP4.5和RCP8.5）下,三個(gè)GCM在未來三個(gè)時(shí)期（2010年～2054年、2030年～2074年和2055年～2099年）相對于基準(zhǔn)時(shí)期（1960年～2004年）的水文干旱頻率變化。CSIROMk3-6-0模式預(yù)測的干旱頻率呈增加趨勢,而MIROC5模式預(yù)測的干旱頻率呈減少趨勢,原因是由于CSIRO-Mk3-6-0模式降水量變化范圍較小,屬于干旱型GCM,而MIROC5模式屬于濕型GCM。FGOALS-g2 模式作為中間GCM,預(yù)測了干旱頻率的中位數(shù)變化。未來時(shí)段干旱事件頻率隨時(shí)間的變化表現(xiàn)出不同的變化趨勢（見圖1）。例如,在RCP 8.5排放情景下,在2010年～2054年,CSIROMk3-6-0干旱事件發(fā)生頻率增加了4次,該變化在2030年～2074年期間增加了6次,在2055年～2099年期間增加了8次。對于濕潤GCM （MIROC5模式）,在RCP 8.5情景下未來3個(gè)時(shí)段干旱事件分別減少了1、5和14次。不同排放情景下氣候模式并未表現(xiàn)出一個(gè)確定的變化。例如,在濕潤GCM（MIRCO5）的RCP 4.5情景下,其在2030年～2074年期間干旱事件頻率減少了12次,而在同期RCP 8.5情景下降至4次。在2055年～2099年期間,RCP 8.5的數(shù)值大于RCP 4.5。

圖1 在兩種排放情景下未來時(shí)段（2010年～2054年、2030年～2074年和2055年～2099年）與基準(zhǔn)期(1960年～2004年)相比干旱頻率(干旱事件數(shù))的變化

3.1.2 水文干旱持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度的變化

在兩個(gè)RCP情景下,當(dāng)前和未來時(shí)期臨潼站（最下游站）水文干旱事件持續(xù)時(shí)間的累積分布頻率曲線的變化見圖2?？梢钥闯觯涸谌齻€(gè)大氣環(huán)流模式中,干旱持續(xù)時(shí)間變化明顯。CSIRO-Mk3-6-0和FGOALS-g2模型在兩個(gè)RCP下預(yù)測的未來一段時(shí)間內(nèi)CDF曲線的水文干旱持續(xù)時(shí)間較基線期更長。此外,水文干旱持續(xù)時(shí)間在CDF曲線上的變化也不成比例。CSIRO-Mk3-60模式預(yù)測的未來三個(gè)時(shí)期水文干旱持續(xù)時(shí)間在低頻率（持續(xù)時(shí)間較長）干旱中比在高頻（持續(xù)時(shí)間較短）干旱中更顯著。干旱GCM的干旱持續(xù)時(shí)間的變化也隨未來時(shí)期而變化,即21世紀(jì)末（2055年～2099年）的變化比21世紀(jì)初（2010年～2054年）的變化更顯著。相比之下,濕型和中間型GCM的干旱持續(xù)時(shí)間變化（MIRCO5和FGOALS-g2）相對于干型GCM相對較小。圖3給出了兩種排放情景下,歷史觀測數(shù)據(jù)和三個(gè)選定的GCM在未來三個(gè)時(shí)期的干旱強(qiáng)度累積分布。未來時(shí)段干旱強(qiáng)度的變化顯著,干旱GCM下干旱強(qiáng)度呈增加趨勢（CSIROMk3-6-0）,而濕GCM下干旱強(qiáng)度呈降低趨勢（MIROC5）。中間降水變化GCM的 FGOALS-g2干旱強(qiáng)度變化較小,其變化符合預(yù)期。未來干旱強(qiáng)度的變化也隨著未來時(shí)段的變化而變化,即21世紀(jì)末（2055年～2099年）的變化比21世紀(jì)初（2010年～2054年）的變化更為顯著。這一結(jié)論適用于所有的GCM和不同的排放情景。GCM中間降水變化對21世紀(jì)末干旱強(qiáng)度的預(yù)測除在RCP 8.5條件下外,其實(shí)情景的變化幅度均較小。

圖2 歷史觀測和三個(gè)選定的GCM在兩種排放情景及未來三個(gè)時(shí)期的水文干旱持續(xù)時(shí)間累積分布

圖3 兩種排放情景下未來三個(gè)時(shí)段水文干旱強(qiáng)度的累積分布

3.2 降水和溫度對水文干旱特征的影響

3.2.1 降水對水文干旱的影響

進(jìn)一步分析未來時(shí)段（2010年～2054年、2030年～2074年和2055年～2099年）與基準(zhǔn)期（1960年～2004年）相比,在兩種排放情景下,三個(gè)選定的GCMs水文干旱事件數(shù)量的變化,以上分析僅采用GCM改變了降雨量,并保持溫度與歷史觀測值不變。降水和溫度的變化與圖1相似,說明降水是水文干旱影響的主要因素。但兩者之間也存在差異,圖4數(shù)值較高,說明未來水文干旱頻率在降水和溫度同時(shí)變化時(shí)的變化要大于僅降水變化時(shí)的計(jì)算結(jié)果。在RCP 4.5排放情景下,FGOALS-g2 GCM（中間降水變化GCM）降水和溫度同時(shí)變化的情況下,未來干旱頻率的變化與僅降水變化的情況相同。在兩種排放情景下,3個(gè)GCM的當(dāng)前和未來3個(gè)時(shí)段臨潼站干旱持續(xù)時(shí)間的累積分布結(jié)果與圖2相似,但干旱持續(xù)時(shí)間略短。例如,在干旱GCM的CSIRO-Mk3-6-0和RCP 8.5排放情景下,2020年～2074年干旱持續(xù)時(shí)間最長可達(dá)6年,降水和溫度均有變化。在干旱強(qiáng)度上也存在同樣的規(guī)律,降水和溫度的變化將導(dǎo)致未來的干旱強(qiáng)度變強(qiáng)。

圖4 兩種排放情景下3個(gè)GCM（僅溫度變化和降水不變)的干旱頻率（干旱事件數(shù))與基線期（1960年～2004年)對比

3.2.2 溫度對水文干旱的影響

考慮到降水和溫度同時(shí)變化以及降水單獨(dú)變化下未來干旱特征的差異不同,進(jìn)一步采用SWAT模型在僅溫度變化和降水不變的情況下進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果表明：溫度對水文干旱事件的影響較明顯,溫度升高導(dǎo)致干旱事件的數(shù)量增加。隨著氣溫的升高,水文干旱事件數(shù)量的變化隨著時(shí)間的推移而增加。排放情景的影響隨時(shí)間呈非線性,其影響在近期（2010年～2054年）有限,到21 世紀(jì)末可能會非常顯著。臨潼站歷史觀測和3個(gè)GCM在未來3個(gè)時(shí)段的水文干旱持續(xù)時(shí)間的累積分布表明僅在未來發(fā)生溫度變化的情況下,降水與歷史觀測保持一致。在中間GCM下,未來干旱持續(xù)時(shí)間的變化并不大,降水是干旱事件發(fā)生頻率及持續(xù)時(shí)間的主要影響因素。溫度對干旱持續(xù)時(shí)間的影響不可忽視,特別是21世紀(jì)末RCP 8.5排放情景下（圖4）,干旱GCM中CSIROMk3-6-0的干旱持續(xù)時(shí)間顯著延長。溫度對干旱強(qiáng)度的影響比對干旱持續(xù)時(shí)間的影響更顯著,因?yàn)槲磥聿煌瑫r(shí)期的干旱強(qiáng)度和GCM與觀測相比有顯著變化。

4 結(jié)論

在干旱的GCM下,渭河流域未來時(shí)段水文干旱事件發(fā)生的頻率可能會增加,干旱持續(xù)時(shí)間會更長,干旱強(qiáng)度會更大,而在濕潤GCM條件下則相反,在中間GCM的降水變化（+5%）下,干旱特征幾乎保持不變。如果近50年降水和氣溫的變化趨勢在未來持續(xù),渭河流域很可能處于GCM的干燥狀態(tài)。溫度對徑流和干旱特征產(chǎn)生了更大的間接影響。該方法可應(yīng)用于不同流域和地區(qū)的干旱特征變化預(yù)測。在未來氣候變化下的區(qū)域干旱減災(zāi)規(guī)劃中具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。