基于CMIP6的金沙江流域径流及水文干旱预估.pdf

第 卷第 期 水 资 源 保 护 年 月.基金项目:国家重点研发计划项目()中国长江三峡集团有限公司科研项目()作者简介:张丹()女工程师博士主要从事水资源管理研究:.通信作者:梁瀚续()男硕士研究生主要从事水文水资源研究:.:/基于 的金沙江流域径流及水文干旱预估张 丹梁瀚续何小聪时玉龙(.长江勘测规划设计研究有限责任公司湖北 武汉 .四川大学水利水电学院四川 成都.中国长江三峡集团有限公司流域枢纽运行管理中心湖北 宜昌)摘要:针对金沙江流域近年来水旱灾害频发并对水与能源安全构成严重威胁的问题基于 的 种全球气候模式()耦合 水文模型预估了金沙江流域 年径流的变化趋势采用标准化径流指数()探究了流域未来水文干旱的演变趋势 结果表明:历史时期(年)空间降尺度效果和 模型的径流模拟效果均较好能够提供可靠的径流及水文干旱预估数据金沙江流域未来径流呈显著增加趋势小得石站增速最快屏山站次之石鼓站最慢且.情景的趋势率大于.情景金沙江流域未来呈湿润化趋势水文干旱近期(年)较为严重远期(年)将减弱从空间上看金沙江干流石鼓和屏山站的干旱频率、历时、烈度高于支流雅砻江小得石站关键词:气候变化径流水文干旱金沙江流域中图分类号:文献标志码:文章编号:()/(.):().().().()().:第六次评估报告明确指出人类活动导致全球气候以前所未有的速度变暖加剧了极端水文气象事件的频率和强度 全球变暖将加速全球水文循环过程更改降水的时空分布格局加剧区域干旱和洪水的风险可能导致干燥地区变得更干燥湿润地区变得更湿润 已有研究表明无定河流域、锡尔河流域未来径流增加而水文干旱将变得更加严重湄公河流域水文干旱未来近期较严重远期将缓解 世纪以来长江流域 年、年以及澜湄流域 年发生的特大干旱均造成了严重的经济损失 流域径流情势和水旱灾害与地区安全和发展密切相关厘清气候变化背景下的径流情势和水旱灾害的演变规律有助于降低水安全风险促进社会和经济可持续发展金沙江流域地跨高原山地气候区和亚热带季风区气候变化敏感 上游属长江源区生态脆弱下游人口密集工农业较为发达 作为南水北调西线工程和滇中引水工程的调水源区金沙江流域水资源丰富同时也是我国最大的水电基地理论水能资源蕴藏量达.亿 对长江上游经济带建设具有重要战略意义 然而近年来金沙江流域水旱灾害频发对经济社会发展造成严重影响 为进一步强化金沙江流域水资源综合管理保障水安全亟须揭示流域径流及干旱的时空演变特征特别是未来气候变化背景下的演变规律 但当前的研究是主要基于第五次国际耦合模式比较计划()的金沙江流域未来径流预估较少涉及干旱流域未来水文干旱趋势有待进一步探索 此外最近研究发 现 与 相 比 ()模式改进了对气候物理过程的模拟降低了降水、气温及潜在蒸散发模拟的不确定性同时显示出更大的升温速率和降水增幅未来极端干湿情况可能变得更为严重尤其是在高原地区 然而目前基于 气候变化情景下径流及干旱预估的研究还较为缺乏尤其是在流域尺度上 基于此本文利用 的 种全球气候模式()即、系统性解析气候变化背景下金沙江流域未来径流及水文干旱的时空演变趋势以期为金沙江流域水资源管理和水旱灾害防治提供参考 研究区概况与数据来源金沙江是长江流域重要的干流金沙江流域位于 流域地势由西北向东南倾斜海拔落差超过 最高处位于发源地各拉丹东雪山附近海拔为 最低处位于流域出口宜宾附近海拔为 (图)金沙江流域具有典型的高原气候和季风气候特征气候垂直差异明显 金沙江上游区域位于高原山地气候区内年降水量为 年径流量为 亿 亿 出口水文站为石鼓 控制面积约 万 雅砻江流域大部分位于高原山地气候区内年降水量为 年径流量为 亿 亿 出口水文站为小得石控制面积约 万 金沙江中下游区域大部分位于亚热带季风气候区内年降水量为 年径流量为 亿 亿 出口水文站为屏山控制面积约 万 金沙江流域蕴藏丰富的水能资源共规划超 座梯级水电站包括金沙江上游 座中游干流河段 座下游干流 座支流雅砻江 座总装机容量超过 万 图 金沙江流域水系及水文站点分布.本文 采 用 的 数 据 主 要 包 括 ()模型的驱动数据(气象、水文和下垫面数据)和未来气候变化情景下的 全球气候模式数据等 其中 模型气象驱动数据为.时段为 年该数据集是国家气候中心根据中国 多个国家级地面气象台站的观测资料制作的格点化观测数据包括逐日降水、气温(最高气温、最低气温)、风速等气象要素数据空间分辨率为.已广泛用于气候变化研究、水文模型驱动和气候模式评估等领域 全球气候模式数据包括.和.两种情景分别代表中等强迫情景和高等强迫情景是现阶段输出相对较为完整的情景试验选取时段分别为历史时期(年)和未来时期(年)水文资料包括金沙江流域石鼓、小得石、屏山水文站 年的实测月流量数据来源于长江流域水文年鉴 下垫面数据中 数据来自中国科学院地理空间数据云 数据集空间分辨率为 土地利用数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心土壤数据来源于国家青藏高原科学数据中心植被数据来源于马里兰大 学(:/./.)研究方法.模型 模型可以同时模拟水量和能量平衡通过参数网格化表征土壤蓄水容量、地表植被和降水的空间不均匀性对产流的影响因而广泛运用于高寒及山区流域的水文模拟 模型将土壤分为 层上两层反映土壤水分的动态变化下层反映土壤含水量的季节变化同时将陆 气之间的主要水文气象过程参数化包括土壤层蒸发()、地表植被蒸腾()、冠层蒸发()、侧向热通量()、感热通量()、向下的长波辐射()、向下的短波辐射()、地热通量()、下渗()、渗透()、基流()和径流()模型中每个网格独立计算实现各网格的陆面过程后利用汇流程序将陆面过程的结果汇集到流域出口 模型产流和汇流过程需要的输入数据主要包括植被参数、植被类型、土壤参数、气象驱动、流向、流程以及有效面积等数据 该模型有 个需要确定的水文参数其中顶部薄层土壤的厚度()取.基流非线性增长指数()取 剩余 个参数需根据流域的径流资料进行率定 为蓄水容量曲线参数表征网格含水量在空间上的分布情况取值范围为 .为非线性基流占最大基流速率的比例取值范围为 为基流在底层土壤中一日内的最大值取值范围为 为非线性基流发生时下层土壤与土壤最大含水量的比值取值范围为 和 分别为第二层和第三层土层的厚度取值范围为.为探究未来气候条件下金沙江流域径流的变化将全流域按.空间分辨率划分为 个网格以搭建 模型 采用多目标樽海鞘群算法以月径流的纳什效率系数()和相对偏差()为目标函数进行参数率定辅以决定系数()评价模拟效果 其中 和 越接近于 越接近于 表明模拟效果越好.空间降尺度与偏差校正利用双线性插值法对 中的 种 的最高气温、最低气温和降水日数据进行空间降尺度然后使用分位数映射()法根据.数据集对降尺度后的日数据进行统计偏差 校 正 最 后 用 泰 勒 图评 估 历 史 训 练 期(年)偏差校正效果双线性插值是利用目标点 ()周围 个临近点的值在横坐标和纵坐标方向上做线性内插来取得目标点函数值 ()(图)首先在 方向上进行线性插值得到:()()()()()()()()其中()()在 方向上进行线性插值得到:()()()()图 双线性插值示意图.法是典型的频率订正法对日尺度降水和温度的误差校正效果较好 与所有统计后处理算法一样 法假定气候模型的偏差是平稳的即历史与未来时期的偏差分布一致 该方法首先构建历史训练期观测值和模拟值累积概率分布函数之间的传递函数再利用构建的传递函数校正未来时段的模拟值 本文选取经验累积概率分布函数作为累积概率分布函数选取较为简单的一次线性函数作为传递函数 经验 法构造如下:()()式中:为偏差校正的结果、分别为实测数据和模式数据在历史训练期的经验累积分布函数为模式 在预测期的原始数据.干旱指数计算采用标准化径流指数()表征水文干旱 该指标仅以径流数据为输入基于径流的变化来衡量区域缺水程度计算简单、灵活广泛应用于水文干旱评估 以 月为研究的时间尺度对各月径流分别建立 分布函数而后利用等概率变换将径流的累积分布转化至标准正态分布.干旱识别水文干旱被定义为 连续小于干旱阈值的月份序列 在研究时段内当 低于干旱阈值时表示干旱事件开始当 重新高于干旱阈值时表示干旱事件结束 干旱频次是指发生干旱的事件次数干旱历时是指单次干旱从开始到结束的持续时间干旱频率是干旱月数与时段总月数之比干旱烈度定义为单次干旱事件中 与阈值之差累积和的绝对值 本文采用游程理论识别水文干旱同时为增加干旱识别的精度参考文献将间隔时间很短(小于 月)的两次干旱事件进行合并具体步骤为:当 小于干旱阈值时初步判定本月为干旱月将间期小于 月的两次干旱事件合并为一次干旱事件干旱历时为两次干旱历时与间隔期之和干旱烈度为两次干旱烈度之和(图)依据文献水文干旱阈值设定为 且 范围为(.和(分别代表重旱和特旱图 游程理论示意图.结果与分析.模型率定与验证 年后金沙江和雅砻江上库容超 亿 的向家坝、锦屏 级、溪洛渡、鲁地拉、观音桥、白鹤滩和乌东德水电站相继蓄水发电极大地改变了年内径流过程 因此选取 年的气象水文资料率定和验证 模型其中 年、年、年分别作为 模型的预热期、率定期和验证期 根据参数率定结果模型最优取值组合为、分别取.、.、.、.、.表 为 模型径流模拟效果图 为各水文站月径流模拟结果 由表 和图 可见金沙江流域各水文站月径流的模拟值与实测值拟合效果均较好 均大于.均大于.且 均小于 表明构建的 模型在金沙江流域具有较好的适用性可以进一步应用于未来气候变化情景下的径流预估表 模型径流模拟效果 水文站率定期验证期石鼓.小得石.屏山.()石鼓()小得石()屏山图 各水文站月径流模拟结果.气候变化下流域未来降水、气温和径流预估.模拟能力评估采用 对双线性插值后的 日气象数据进行统计偏差校正用泰勒图评估 年金沙江流域最高气温、最低气温及降水的模拟效果(图)模式的气象要素值与观测值的距离越接近代表模式模拟精度越高 由图()()可见不同 模式下最高气温和最低气温模拟场与观测场在日、月尺度上点的分布均非常接近日尺度和月尺度的相关系数分别大于.和.表明各 模式对最高、最低气温都具有较强的模拟能力 对比观测数据与 种单模式和多模式集合平均()模式可以发现观测数据与 模式最接近表明 模式的模拟效果最好 由图()()可见由于降水在时空上具有波动性较大、()最高气温日尺度()最高气温月尺度()最低气温日尺度()最低气温月尺度()降水日尺度()降水月尺度图 年不同 模式气象要素的泰勒图.异质性较强的特点不同 模式对降水的模拟精度明显低于气温 是日尺度降水模拟效果最好的单模式效果最差的是 是月尺度降水模拟效果最好的单模式效果最差的是 模式下日尺度和月尺度模拟降水与实测降水的相关系数分别为.和.月尺度上的模拟效果明显优于日尺度 尽管不同 模式对降水的模拟效果具有一定偏差但总体上是可接受的可以用于金沙江流域未来气候预估 此外单个模式气候预估的不确定性较大 模式可以降低气候模式的不确定性对气温和降水的模拟效果明显更优预估气候变化结果的可信度更高.未来气候与径流的变化趋势基于.和.情景下校正后的 模式预估金沙江流域未来(年)气温和降水的变化趋势 结果表明未来最高、最低气温和降水均呈显著增加趋势最高气温(最低气温)在.和.情景下增加的趋势率分别为./(./)和./(./)未来降水在.和.情景下增加的趋势率分别为./和./气温和降水的增速均为.情景大于.情景用校正后的未来时期气温及降水的 模式驱动 模型预估未来不同气候情景下各水文站的径流变化情况结果如图 所示(图中表示在 水平上显著).和.两种情景下金沙江流域各水文站未来径流均呈显著增加趋势石鼓站趋势率分别为./和./小得石站趋势率分别为./和./屏山站趋势率分别为./和./雅砻江流域小得石站增速最快 各水文站径流增加的趋势率.情景大于.情景与预估流域未来降水的变化趋势基本一致 不同时期的径流变化表明相较 年金沙江流域各水文站多年平均径流在未来近期(年)变幅较小石鼓、小得石和屏山站分别变化.、.和.在未来远期(年)变幅较大石鼓、小得石和屏山站分别变化.、.和.气候变化下金沙江流域未来干旱特征预估图 为未来各水文站 月尺度的 时间序列 各水文站在.和.两种情景下 均呈显著增大趋势其中石鼓趋势率分别为 ()石鼓()小得石 ()屏山图 未来各水文站年径流变化.()石鼓()小得石 ()屏山图 未来各水文站 月尺度的 时间序列./月和./月小得石趋势率分别为./月和./月 屏 山 趋 势 率 分 别 为./月和./月表明整个金沙江流域未来呈湿润化趋势 在.情景下石鼓站干旱开始时间主要集中于夏季()小得石和屏山站主要集中于春、秋两季()在.情景下各水文站干旱开始时间均集中于夏、秋两季()表 为未来不同气候情景下各水文站的干旱特征 总体而言在.和.情景下未来干旱特征变量均为近期较强、远期较弱 具体来说在.情景下近期各水文站干旱频次为 干旱频率为.平均历时为.月平均烈度为.远期各水文站干旱频次为 干旱频率为.平均 表 未来不同气候情景下各水文站干旱特征 水文站情景时期干旱频次干旱频率/平均历时/月平均烈度重、特旱频次 最小值石鼓.近期.远期.近期.远期.小得石.近期.远期.近期.远期.屏山.近期.远期.近期.远期.历时为.月平均烈度为.在.情景下近期各水文站干旱频次为 干旱频率为.平均历时为.月平均烈度为.远期仅屏山站发生 次短历时干旱烈度为.同时重、特旱频次和 最小值也呈近期较强、远期较弱的特征表明未来远期极端干旱事件的数量和强度有所降低 相较.情景.情景下干旱的频次、频率均大幅减少远期几乎不发生干旱而近期干旱平均历时、平均烈度和重、特旱频次均高于.情景 从空间上看金沙江干流石鼓和屏山站的干旱频率、平均历时、平均烈度以及重、特旱频次高于支流雅砻江的小得石站.讨论秦鹏程等基于 多模式预估了金沙江流域未来降水、气温和径流均呈增加趋势 等基于 多模式预估了长江上游呈湿润化趋势干旱烈度将减弱 本文结果与前人结果具有一致性主要是由于 和 的气候要素具有相似变化趋势 然而 模式显著改善了气候物理过程的模拟降低了降水、气温及潜在蒸散发模拟的不确定性显示出更大的升温速率和降水增幅本文基于最新的 模式更为精准与系统地解析了金沙江流域未来径流及水文干旱的时空演变趋势 此外金沙江流域是南水北调西线工程和滇中引水工程的调水源区同时也是中国最大的水电基地未来径流增加水文干旱减弱有望增加梯级水库群的水力发电量促进国家西电东输的战略实施同时有助于缓解调水工程对调水源区水安全与水力发电量的影响 未来可进一步研究气候变化情景下的径流及干旱变化对金沙江梯级水库发电影响以及水库的适应性优化调度方案金沙江流域历史径流模拟结果表明上游站石鼓模拟精度略低可能是由于青藏高原气象观测站点稀疏 地形起伏较大 基于观测台站插值 的.气象数据集在该区域存在较大的不确定性同时本文选取 模型模拟径流未考虑源区冰川的作用可能给径流的模拟和预估带来一定误差 此外本文仅使用单一水文模型来预估金沙江流域的未来径流未来径流的模拟存在许多不确定因素例如水文模型的结构、模型参数率定以及全球气候模式的结构和初始条件 已有研究表明水文模型的不确定性小于情景模式的不确定性但分析和研究所有因素的不确定性仍是当前面临的重要挑战 模式能够有效降低 异质性带来的不确定性提高径流及水文干旱预测的准确性 需要注意的是本文仅聚焦于气候变化基于 多模式预估了金沙江流域未来气象要素并驱动 模型未考虑未来人类活动(例如取用水、水库修建和运行、土地利用与覆被变化)对径流及干旱预估的不确定性影响 未来需综合考虑径流变化的驱动因子深化对变化环境下水文响应规律的理解以期为金沙江流域水资源管理和水旱灾害防治提供可靠依据 结 论.基于历史气象数据构建的 模型在金沙江流域适用性较好各水文站月径流模拟的 均大于.均大于.统计降尺度校正后的 模式能够有效地捕捉金沙江流域最高气温、最低气温和降水的变化且 模式效果优于单一模式 因此耦合统计降尺度的 和 模型能够应用于金沙江流域未来气候变化下径流及水文干旱预估.未来.和.两种情景下金沙江流域气温和降水均呈显著增加趋势 模式下最高气温(最低气温)趋势率分别为./(./)和./(./)降水趋势率分别为./和./各水文站未来径流在两种情景下均呈显著增加趋势雅砻江流域小得石站增速最快且增加趋势.情景大于.情景未来远期(年)各站径流增幅较大为 .金沙江流域未来呈湿润化趋势 趋势率.情景大于.情景且水文干旱主要集中发生于夏、秋两季 未来干旱特征指标(频次、频率、历时、烈度、极端干旱强度)均为近期(年)较高远期(年)较低 从空间上看金沙江干流石鼓和屏山站的干旱频率、历时、烈度高于支流雅砻江小得石站参考文献:姜大膀王娜.报告解读:水循环变化.气候变化研究进展():.(.:.():.().:.():.():.:():.夏军陈进佘敦先.年长江流域极端干旱事件及其影响与对策.水利学报():.(.():.()吴桂炀陈杰陈启会等.金沙江流域近 年气象水文干旱时空变化特征.人民长江():.(.():.().沈嘉聚杨汉波刘志武等.长江上游径流对气象要素变化的敏感性分析.水资源保护():.(.():.()秦鹏程刘敏杜良敏等.气候变化对长江上游径流影响预估.气候变化研究进展():.(.():.().:.():.:.:.鞠艳张珂李炳锋等.金沙江流域实际蒸散发时空分布特征及其影响因子.水资源保护():.(.():.()吴佳 高学杰.一套格点化的中国区域逐日观测资料及与其他资料的对比.地球物理学报 ():.(.():.()王倩之 刘凯 汪明.降尺度数据对中国极端降水指数模拟能力的评估.气候变化研究进展 ():.(.():.()粟晓玲褚江东张特等.西北地区地下水干旱时空演变趋势及对气象干旱的动态响应.水资源保护():.(.():.().:.张林燕 郑巍斐 杨肖丽等.基于 多模式集合和 的黄河源区干旱时空特征分析.水资源保护 ():.(.():.().():.:.:.刘永伟王文刘元波等.基于 法的径流数据同化对 模型参数优化效果评估.河海大学学报(自然科学版)():.(.()():.().():.(/):.:?.():.():.顾磊陈杰尹家波等.气候变化下中国主要流域气象水文干旱潜在风险传播.水科学进展():.(.():.()石朋詹慧婕瞿思敏等.黄河源区气象干旱与水文干旱关联性分析.水资源保护():.(.():.().:.:.:.郑丽虹刘懿任立良等.黄河流域气象干旱与水文干旱时空特征及其传递关系.水资源保护():.(.():.()李昱席佳张弛等.气候变化对澜湄流域气象水文干旱时空特性的影响.水科学进展():.(.():.().:.:.:.:.:.:.:.():.薛联青白青月刘远洪.人类活动影响下塔里木河流域气象干旱向水文干旱传播的规律.水资源保护():.(.():().:.(收稿日期:编辑:王芳)(上接第 页).:.刘哲源刘攀李赫.水风光互补适应性调度的集合卡尔曼滤波方法.水力发电学报():.(.():.().:.刘宝碇.随机规划与模糊规划.北京:清华大学出版社.():.王金文王仁权张勇传等.逐次逼近随机动态规划及库群优化调度.人民长江():.(.():.().():.:.张曦康重庆张宁等.太阳能光伏发电的中长期随机特性分 析 .电 力 系 统 自 动 化 ():.(./.():.()吕清泉张珍珍马彦宏等.区域光伏发电出力特性分析研究.发电技术():.(.():.()侯婷婷周小兵张维等.湖北省典型地区风电和光伏电站出力特性分析.湖北电力():.(.():.()鲍正风张雅琦刘志武.三峡电站中长期发电计划计算方法研究.水利水电技术():.(.():.()王菁刘志武.编制水电站年度发电计划相关问题的探讨.水电自动化与大坝监测():.(.():.()(收稿日期:编辑:王芳)