全球变化下的水资源研究进展I——气候变化王加虎，郝振纯，李丽（河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京 210098）摘要：全球变化突出的表现在气候变化上，气候变化下的水循环研究是一个备受关注的问题。
简述了气候变化的相关知识；比较了用于变化气候下水资源研究的四种不同类型的气候情景；详细介绍了气候变化与水资源研究的四种不同方法以及径流、水量、水质、极端事件等方面的相关成果；概述了研究气候变化下水资源的水文模型及其存在的问题；讨论了未来的研究趋势。
关键词：全球变化；水资源；气候变化；进展中图分类号：文献标识码：A全球变化主要表达人类社会、经济、政治和环境系统的越来越不稳定，自然科学界突出强调其中的地球环境系统及其变化，包括全球变暖、植被破坏与生物多样性的丧失、土地退化、淡水资源短缺等[1]。
气候作为人类赖以生存的自然环境的一个重要组成部分，它的任何变化都会对自然生态系统以及社会经济产生深刻影响[2]。
水资源对气候变化尤其是全球变暖的响应问题，包括水循环过程、水量时空分布、降水极端事件与洪涝灾害等的改变，事关人类的生存与发展[3]。
长期以来，水文学者把气候静态地看作某种统计的平衡，忽略了变化环境下的水资源形成与演化规律问题[4]。
随着对全球变化尤其是气候变化认识的不断深入，水文、水资源对全球气候变化响应问题已引起广泛的关注，尤其是近年来，这方面的研究工作迅速增加[5]。
1气候变化全球变化突出地表现在气候变化上，气候的变化包括自然波动和人为影响两个方面。
气候的自然波动至少包含三种不同的周期[6]：①数千年至万年以上时间尺度的古气候变化，研究它有助于揭示气候系统变化的机理，并为预测未来的气候变化提供依据；②数十至数百年时间尺度的气候变化，它直接决定着人类生存的气候环境；③季节至年际的气候波动，是检测长期气候变化的关键。
导致某些地区的季节至年际显著气候波动的现象有很多，其中厄尔尼诺/南方涛动（ENSO）事件是全球许多地区年际气候变化的最重要自然现象。
气候除了自然的周期性波动以外，越来越多地受到人为因素的影响，其中最显著的是全球大气化学组成的改变，主要是臭氧耗减和温室气体的增加。
人类活动是导致过去100年中全球气候变化的最重要因素，人为引起的变化已经可以与自然变化区分开来，而且人为影响的结果已大于过去1000年的气候自然变化的结果[7]。
近10年来，温室气体的增温效应及幅度大小具有很大的不确定性，存在着诸多分歧[8]。
在全球变暖的大背景下，近百年来中国的气候也在变暖，以西北、华北、东北最为明显，尤其是华北地区出现了暖干化趋势。
人类对气候变化，特别是气候变暖所导致的气象灾害的适应能力相当弱，大多数科学家断言气候变化是人类面临的一种巨大环境风险。
按现在的一些发展趋势，科学家预测有可能出现的影响和危害有[9]：①海平面上升；②影响农业和自然生态系统；③加剧洪涝、干旱及其他气象灾害；④影响人类健康。
2气候变化与水资源气候对水循环的影响有直接和间接两种方式。
直接影响主要来自大气环流变化引起的降水时空分布、强度和总量的变化、雨带的迁移以及气温、空气湿度、风速的变化等。
间接的影响主要来自陆面过程，地表反照率、粗糙度及界面水汽交换乃至土壤水热特性的变化，这些既响应气候又影响气候的下垫面因素，引发了不同时空尺度的降水、土壤水、蒸发及地表水和地下水的变化。
2.1气候情景已经发生的气候变化可以通过观测和重建的资料获得，但人们更关注未来可能发生的气候变化。
关于未来气候变化对水文、水资源影响的研究，气候情景的选择是先决条件。
“情景”一词指“预料或期望的一系列事件的梗概或模式”，是描绘未来可能会怎样的可选择的景象，是分析各种驱动因子如何影响未来排放结果并评估相关的不确定性的一种较为合适的工具。
各种不同的情景构成了可供选择的未来世界的发展蓝图。
气候情景大致可分为四类：—————————————— 收稿日期：基金项目：国家重点基础研究发展规划项目（G199043400），江苏省高等学校研究生创新计划项目（B04010）作者简介：王加虎（1975－），男，江苏连云港人，河海大学博士研究生，主要从事水文水资源研究。
Email: TigerLLy@①类比情景，主要是指古气候比拟法[10]，从地质年代变化过程的记录中，如从树木年轮、花粉沉积、植物种类、河湖泥沙沉积以及冰核中化学同位素的比例寻找依据，重建气温、降水等气候因子的变化过程，并分析其规律。
古气候比拟法的实质是分析数千年至万年以上时间尺度的气候数据，但是难以反映近期人类活动对自然变化越来越大的干扰[11]，再加上难以获得长度足够而且可信的资料，所以很少被水文学者使用。
②惯性情景，即假定未来一定时期的气候变化将延续已有的变化趋势，根据仪器观测的资料序列分析气候波动对水文、水资源的影响[12]，并为研究温室效应引起的气候变化对水文、水资源影响提供依据。
这种方法着重考察数十至数百年时间尺度的气候变化，将实测资料各要素之间的关系进行外延。
该方法忽略了实测资料中气候的不同周期及其组合，考虑到当前全球气候变暖的最直接背景事件是现代小冰期事件[13]，所以这一方法很可能放大未来气候恶化的程度。
③增量情景，即假定到未来某一特定时期气候要素（温度、降水等）的变化量，如ΔT=1℃，2℃；ΔP=0%，±10%，±20%，以这些假定及其交叉组合为依据来分析探讨流域水文、水资源对气候变化的响应，这种方法称为增量情景研究。
该方法被许多水文学者使用，但它只是一种敏感性试验，不具有气候、水文预测功能[14]。
④GCMs情景，指通用环流模型（General Circulation Models: GCMs）模拟的全球未来的气候变化情况。
目前的水文学者除了使用CO2倍增情景外，还有4个常用的GCMs情景，分别对应IPCC给定的4种排放方案，习惯上简称相应的GCMs输出结果为A1、A2、B1、B2情景[15]。
现有的GCMs对一些重要的物理过程的处理还相当粗糙，许多对区域气候具有重要意义的特征并不能由目前分辨率的GCMs解决。
由于地球气候系统的复杂性和缺乏可靠的资料，不同GCM模型的结果差异甚大，所有GCM模型的可信度还有待提高[16]。
目前，对未来气候变化的预测具有相当的困难和不确定性。
在这种情况下，关于哪一个情景是最好的问题仍然得不到答案。
既不能因GCMs目前的结果甚至还不能准确地模拟当前的平均气候状况就否定应用GCMs 的输出结果，也不能因为假定方法的局限性而削弱用各种假定的气候情景进行水文敏感性分析的价值[17]。
在目前的气候变化与水资源研究当中，以增量情景和GCMs情景应用的最多。
2.2研究方法有学者直接把气候模式输出的径流结果来研究水资源情势[18]，或通过干旱指数、径流系数分析等方法进行水资源评估。
水文学者则更多地通过水文模型来计算出水资源情景，具体的研究方法大致分为以下四种。
2.2.1敏感性分析气候因子（主要是气温、降水）与水资源（主要是径流）之间逐年或逐月的关系，很容易从实测资料中通过回归分析得到。
把拟定的增量情景带入分析结果就可以得到径流对气候各因子的敏感性。
很多学者使用这一方法来研究径流与气候变化的关系。
众多的研究表明，冰川及融雪径流对气温增加最为敏感，其短期效果可能略有益处，但长期效果是弊多利少[19]。
敏感性分析是气候变化与水资源关系研究方法中简洁而成熟的一个，包括利用水文模型进行情景预测、气候情景预测等很多更深入的研究，大多以敏感性分析作为定性的基础[20]。
2.2.2水文模型与增量情景选定水文基准系列（如1961～1990年）并率定水文模型，用假定的增量情景或多个GCMs情景的综合结果，对基准系列的温度、降水、辐射、风速等值进行修正后，输入水文模型，得到气候均值变化后的径流变化。
这种用增量情景修正典型年资料的思路是近年来使用较多的一种方法。
这类研究可以看作是传统水文模型的应用实例。
以此为依托，泥沙、供需水等方面的研究也得到了发展。
但同时也要看到，这类方法只考虑了气候突变时的情景，缺乏气候缓慢变化过程中的水资源信息。
2.2.3气-陆单向连接理论上说，GCM估计的水文变量的变化能直接用于估计水资源的变化。
但GCM模拟的水文要素有两个主要的局限性[21]：一是水文参数化很简单，并常常不能提供详细的对水资源管理必需的信息；二是空间分辨率太粗，不能提供水文学方面关心的典型尺度上的水文信息。
第一个问题催生了气-陆单向连接的思路，即把GCMs的计算结果（如降水、气温）输入到更详细的区域水文模型，用水文模型的产汇流计算结果来评估气候变化对水文、水资源的影响。
第二个问题的解决依赖于空间尺度的转换，即将GCMs的输出结果进行一定的加工处理以获得次网格气候要素的变化信息，具体方法包括：①各种内插方法[22]，简单但是因为小尺度的气候要素（比如降雨）主要由地形、小尺度降雨过程等原因所决定，所以很难获得客观、合理的次网格气候要素值[23]；②将局地气象要素观测值与大尺度网格点上相应的气象要素值之间建立同归方程，然后由回归方程求取次网格尺度的气候要素信息，此方法需要假定区域和局地尺度气候之间的关系保持不变；③将较高分辨率的中/小尺度模式嵌入到GCMs中，但是目前的区域气候模式对降水模拟、预测的准确率还不高，局部地区 2的模拟还存在着系统误差[24]。
上述三种方法也可以综合使用。
GCM与水文模型各自对水量平衡及热量平衡进行演算，由于对陆面参数的处理和取值不同，它们对水量平衡及热量平衡描写不一致。
另外，因为不能共享对边界层物理过程模拟的结果，水文模型不能实时地利用大气强迫改进土壤水和蒸发的计算以提高其模拟精度，GCM模型也不能借鉴水文模拟的结果并用实测径流资料实时地验证其对陆面过程的模拟精度，从而影响对GCM模型的进一步改进。
2.2.4气-陆耦合气-陆模型耦合是近年才开展的边缘学科和交叉学科，也是气象和水文科学发展的前沿研究课题。
其主要思路是在气候模型的基础上，通过陆地表面过程参数化给气候模型提供更恰当的大气底层边界条件。
陆面过程很可能是今后提高模式模拟能力最重要的方面之一[25]。
国际[26]国内[27]均有研究成功的报道，但是许多重要的与水分循环有关的物理过程（水分循环与输送、土壤水扩散、大尺度降水的非均匀性等）的简化和概化，影响了陆面气候的模拟。
气-陆耦合研究目前存在三个问题。
第一个难题是网格内的不均匀性，包括地表（土壤、植物、地貌、土地利用等）和降水两个方面。
地表性质的不均匀性结合降水分布的不均，使问题更加复杂。
许多学者为解决网格内土壤～植被不均匀性的影响，提出和建立了相应的地表过程参数化方案，但尚缺乏一个带有普遍意义的理论框架[28]。