“双碳”情景下抚河流域径流变化特征_王媛.pdf

收稿日期：；修回日期：基金项目：教育事业发展（地方教育附加）年双一流人才启动费（）；江苏省研究生教育教学改革课题（）；中国气象局气候变化专项（）作者简介：王 媛（），女，河南商丘人，硕士研究生，主要研究方向为水文与水资源。：通信作者：姜 彤（），男，北京市人，教授，博士，主要从事气候变化对水资源影响和风险评估研究。：，（）：“双碳”情景下抚河流域径流变化特征王 媛，苏布达，王艳君，占明锦，杨晨辉，姜 彤（南京信息工程大学 地理科学学院，南京；江西省气候中心，南昌）摘 要：根据中国提出的碳达峰、碳中和目标，将 分为“双碳”情景（、）和高碳情景（、）。采用 水文模型，分析 世纪近期（年）、中期（年）和末期（年）抚河流域径流变化趋势，以期为“双碳”目标下的流域水资源管理提供建议。研究表明：年，抚河流域实测年平均气温以 （）的速率显著上升；年降水以 （）速率显著下降。“双碳”情景下，相较基准期（年），近期、中期、末期抚河流域年均气温增幅依次加大；年降水量呈波动上升趋势。同期年平均流量呈上升趋势；月份至次年 月份平均流量增加，月份平均流量呈下降趋势；日流量的丰水极值下降，枯水极值则有所增加，水文极端事件发生可能性降低。与“双碳”情景对比，高碳情景下年均气温增幅更大；近期和末期年降水增幅明显；年平均流量整体增幅大于“双碳”情景，月份平均流量增幅明显；丰水极值也呈增加趋势。关键词：径流变化；气温降水变化；“双碳”情景；未来预估；抚河流域中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；，）：，（，）（，），（）（），（）（）：），（），（），（）；，），；第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报 年 月 ，：；研究背景 年全球地表平均温度增幅明显，相比 年上升（），且未来 全球温升预计达到或超过。人为温室气体的排放持续增长是升温加速的主要原因，其中化石燃料燃烧所排放的二氧化碳对温室气体排放的贡献达到。为减缓全球变暖速度，践行低碳发展，中国提出了“双碳”目标，目的是使二氧化碳排放在 年前达到峰值，在 年前实现碳中和。“双碳”目标是对我国环境有重要影响的战略部署，也是应对气候变化的重要途径。作为清洁能源，水资源对于“双碳”目标的实现具有重要的意义，可与风能、太阳能相结合，减少二氧化碳的排放；城市生活的低碳发展与产业转型也需要大量的水资源。全球变暖背景下，水循环加速，影响了径流的时空分布格局。已有研究表明，年间全球 条最大的入海河流中，年径流表现为显著下降的河流占比达到，仅 的河流年径流表现为上升趋势，全球径流变化具有明显的区域差异。中国主要江河实测径流量多呈下降趋势，长江以南地区出现区域性缺水现象。鄱阳湖是长江重要通江湖泊之一，地势狭长，南北气候差异较大，径流变化区域差异明显。年后鄱阳湖流域，特别是抚河流域汛期和枯季径流均减少，流域枯水期供水压力在一定程度上增加，水资源供需问题日益突出。气候模式是研究气候变化对径流影响的重要工具。目前已有研究进行气温与降水的模拟评估与预估，主要是运用全球气候模式中的国际耦合模式比较计划第五阶段（）的结果。相比而言，国际耦合模式比较计划第六阶段（）在气候变率和变化问题上考虑了更加详细的要素，在不同共享社会经济路径和典型浓度路径基础上运用了新的气候情景。新的 包含 中的 种典型浓度路径，增加了 种新的辐射强迫情景，且融合了共享社会经济路径，以反映未来社会经济发展，因此相比 路径，新的 路径更适合探究“双碳”目标下的气候变化。以往研究主要基于 预估流域未来径流，基于 数据结合“双碳”目标特定政策预估气候变化对径流影响的研究还较少。抚河是鄱阳湖流域第二大支流，流域水资源量充足，且径流量年际变化明显，极端水文事件发生频繁。现有对鄱阳湖流域气候变化研究中，以抚河流域为主体的研究偏少，少量已有研究考虑的气候情景少且采用的气候模式较为陈旧。为探究“双碳”目标下抚河流域径流对气候变化的响应，根据新的 路径下中国地区二氧化碳排放达峰时间，将 路径分为“双碳”情景（、）和高碳情景（、），采用 水文模型，利用 气候模式，模拟分析“双碳”情景下流域在 年的气温降水和径流变化，并对比分析“高碳”情景下的相应变化，以期为流域水资源管理提供参考依据。研究区概况、数据与方法 研究区概况抚河（，）位于江西省东部，是长江鄱阳湖流域第二大支流，发源于武夷山脉西麓江西省抚州市广昌县，流域面积 ，约占鄱阳湖流域总面积的，全长，多年平均流量 ，水资源量充足。抚河流域气候温和、雨量充沛、日照充足，属亚热带湿润季风气候。春季受亚热带季风影响，降雨历时长、范围广；夏季受太平洋热带气候侵袭，形成暴雨。水位涨落持续时间较长，具有平原河流特性，径流量极值变化较大。地势东南高而西北低，面向鄱阳湖倾斜。下游李家渡水文站（，）是抚河入鄱阳湖的重要控制站，控制面积为 （图）。数 据李家渡水文控制站 年的逐日径流观测数据来源于中华人民共和国水文年鉴。图 显示的是李家渡水文站降水与径流深双累积曲线，可以看出降水与径流深双累积曲线的斜率变化小，反映径 第 期王 媛 等“双碳”情景下抚河流域径流变化特征2 5N 3 0N图 抚河流域主要气象站、水文站和气候模式格点分布 ，图 李家渡站降水量与径流深双累积曲线 流资料一致性较好；数字高程数据（）来自美国宇航局的，分辨率为 ；土壤数据分辨率为 ，采用联合国粮食及农业组织（）统计数据；土地利用数据采用的是中国科学院资源环境科学数据中心提供的 年的 的土地利用数据，分辨率为 。气象观测数据采用的是由中国气象局国家气象信息中心提供的 年逐日降水、平均气温、日照时数、风速和相对湿度数据，包括抚河流域 个气象站的相应气象观测数据。国际耦合模式比较计划（）构建了迄今为止内容最广的气候模式数据库，其中 基于典型浓度路径及不同的共享社会经济路径提出了新的气候情景。本文采用的气候模式数据是 中 个 路径（表）完备的 个全球模式逐日数据（表），包括历史模拟试验期（年）和 预估期（年）。文中采用多模式集合研究，以降低气候变化预估的不确定性。研究方法“双碳”情景的选择碳达峰是二氧化碳的排放不再增长，达到峰值之后逐步降低；碳中和是采用植树造林等绿色减排方式，吸收产生的二氧化碳，达到产生和吸收平衡。表 简介 情景名称强迫类别（社会经济情景）年人为辐射（）非常低强迫情景（可持续发展路径）低强迫情景（可持续发展路径）低强迫情景（不均衡路径）低排放路径（中间路径）低排放路径（不均衡路径）较强迫情景（区域竞争路径）高排放路径（传统化石燃料为主的路径）表 文中采用的 模式 模式名称所属国家、研究中心原始分辨率降尺度后分辨率加拿大气候模拟与分析中心法国国家科学实验中心 法国 物理学研究所 日本海洋地球科学与技术局、大气海洋研究所和国家环境变化研究所 德国普朗克气象研究所 中国提出的双碳目标是二氧化碳排放在 年前达到峰值，在 年前实现碳中和。根据碳排放数据（年）和中国提出的双碳目标，个 中 年前达到碳达峰，年前达到碳中和时排放相对较少的路径为、，本文统称为“双碳”情景。与“双碳”情景下的碳排放量相比，在 年后达到碳达峰，碳排放量仍较大的 和，则为高碳情景（图）。图 中国碳排放路径方案 水文模型率定与验证本文对抚河流域的径流研究采用（）模型。模型是具 长江科学院院报 年 有很强的物理机制的分布式水文模型，于 年由美国农业部（）开发完成并实现运用，可以用来模拟长时段的径流变化，适用于多种尺度的流域模拟。模型可定量分析自然因素和人类活动对流域径流的影响，且在以降水为主要径流补给的流域模拟效果较好。文中将 年设定为预热期，利用抚河流域 年和 年逐日气象和水文资料开展 模型的参数率定和验证。选取 相关研究揭示的鄱阳湖流域径流模拟敏感参数（表），对抚河流域本地参数进行了自动率定，运行次数设置为 次。的参数对模拟效果影响明显（值决定参数的敏感性，越接近于 表明敏感性程度越高），即为敏感参数（表）。表 模型参数敏感性 序号参数名参数含义敏感度参数范围最优参数值径流曲线系数敏感土壤蒸发补偿系数敏感深层地下水蒸发系数敏感土壤有效含水量敏感侵蚀方程 中植被覆盖 不敏感基流分割系数不敏感平均坡长不敏感生物混合效率不敏感冠层最大储水量不敏感深层地下水渗透系数不敏感 模型效果的检验采用决定系数 和纳什效率系数（）。反映模拟值和观测值的统计差异程度，反映模拟值和观测值变化的一致性，和 越接近于 则表明模拟结果越好。抚河流域李家渡水文控制站逐月径流模拟和实测对比显示，模型较好地反映了径流年内分布，月流量模拟的 和 在率定期和验证期均；日流量的峰值和枯值模拟值较实测值个别月份偏低，整体来看，年内变化模拟值与实测值吻合度较高，率定期和验证期 和 均，模型精确度高，表明 模型能够很好地模拟抚河流域的降水径流关系（图 和表）。气候和径流变化预估以 年作为基准期，年、年和 年分别作为未来预估01 0 0 02 0 0 03 0 0 0径流量/(m3s-1)05 0 01 0 0 01 5 0 02 0 0 02 5 0 03 0 0 0径流量/(m3s-1)1 9 6 4-0 11 9 6 5-0 11 9 6 6-0 11 9 6 7-0 11 9 6 8-0 11 9 6 9-0 11 9 7 0-0 11 9 7 1-0 11 9 7 2-0 11 9 7 3-0 11 9 7 4-0 11 9 7 5-0 11 9 7 6-0 11 9 7 7-0 11 9 7 8-0 11 9 7 9-0 11 9 8 0-0 1日期(年-月)1 9 8 1-0 11 9 8 2-0 11 9 8 3-0 11 9 8 4-0 11 9 8 5-0 11 9 8 6-0 11 9 8 7-0 11 9 8 8-0 11 9 8 9-0 11 9 9 0-0 11 9 9 1-0 11 9 9 2-0 11 9 9 3-0 11 9 9 4-0 11 9 9 5-0 11 9 9 6-0 11 9 9 7-0 11 9 9 8-0 11 9 9 9-0 12 0 0 0-0 1日期(年-月)(a)(1 9 6 41 9 8 0)(b)(1 9 8 12 0 0 0)观测值 模拟值 1 9 8 1-0 12 0 0 1-0 1图 抚河流域率定期和验证期月平均流量的模拟与实测比较 表 率定期和验证期 水文模型模拟效果的检验 要素率定期验证期日流量月流量的近期、中期和末期，对比分析年均气温和年降水变化。通过模拟抚河流域的年平均流量、月平均流量、径流极值的变化趋势，开展“双碳”情景下抚河流域径流变化的研究。其中，以 代表丰水极值，表示日流量序列中有的流量超过该值；以 代表枯水极值，表示日流量序列中有 的流量超过该值。水文模型中的参数用于描述流域特征（径流曲线系数、土壤蒸发补偿系数、深层地下水蒸发系数、土壤有效含水量等）。本研究未考虑流域下垫面变化，历史期率定的参数未来时期保持不变。以降尺度和偏差订正后的气候模式驱动率定后的 模型，预估“双碳”情景下抚河流域的径流变化，并与高碳情景下的变化进行对比分析。第 期王 媛 等“双碳”情景下抚河流域径流变化特征 气候模式订正与降尺度全球气候模式分辨率较粗。为了方便与观测值对比分析，本文通过反距离加权（）插值对模式数据进行降尺度，通过（）偏差订正方法对模式数据进行偏差订正，最终将数据空间分辨率统一为。多模式集合结果表明，气候模式偏差订正前抚河流域 年月平均气温低于实测值，最大偏差达到；订正后，模拟与实测月气温的相关系数达到，最大偏差在 以内（图（）。从降水量年内分布来看，偏差订正前的月降水模拟数据与实测数据偏差较大，最大偏差可达到；订正后的多模式集合能够较好地模拟出抚河流域降水量，模拟数据与实测数据的相关系数达到，最大偏差 以内（图（）。由此可见，偏差订正后的多模式集合模拟的流域气温和降水与观测数据的年内分布格局较一致，适用于未来抚河流域气候变化的影响评估研究。(a)(b)51 01 52 02 53 05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0/2 4 6 8 1 0 1 2月份2 4 6 8 1 0 1 2月份/m m图 抚河流域 年月不同气候模式偏差订正前后的集合平均与实测数据对比 趋势分析（）方法是一种非参数检验方法，是时间序列趋势分析中最为广泛应用的方法，不受异常值干扰和样本分布规律等条件限制，对非正态的气象、水文等数据分析具有较好的适用性。本文设定，为趋势变化不显著；，为趋势变化显著。研究结果 气候变化趋势 年观测数据显示，抚河流域年均气温约为 ，年降水量约 。年平均气温以 （）的速度显著上升，降水以（）的速度显著下降，同期年平均流量以（）（）速率呈显著下降趋势。根据多模式集合，年抚河流域呈明显的变暖变湿趋势，气温和降水在 世纪各时间段均呈增加趋势。由图（）可知，相比于 年，“双碳”情景不同路径下，抚河流域年均气温增幅在 世纪近期、中期和末期增幅依次增大，分别升高、。与“双碳”情景相比，高碳情景下气温增幅更明显，近期、中期和末期年平均气温分别上升 、。年流域气温的上升速度随着碳排放强度的加大而加快，且均为末期气温增幅最大。世纪抚河流域年降水量总体表现为波动上升趋势（图（）。“双碳”情景不同路径下，抚河流域年降水在近期、中期、末期分别较基准期增加（）（）、（）（）、（）（），增幅依次变大。此处括号外数值表示均值，括号内数值表示多模式变幅上下限，下同。高碳情景下增幅为（）（）、（）（），（）（），末期降水量增长最大；与“双碳”情景对比，高碳情景下降水量总体增幅更大，但在 世纪中期降水增幅明显低于同期“双碳”情景。流量变化趋势 年平均流量相比基准期（年），抚河流域年平均流量在 世纪近期、中期和末期均保持上升趋势，但变化幅度不同（图）。“双碳”情景不同路径下，世纪近期，年平均流量增加（模式范围）（），中期增幅（）（），末期增加最大为（）（）。高碳情景下，年平均流量整体增幅大于“双碳”情景，近期年平均流量较基准期增加（）（），中期和末期同样有所上升，以末期径流增幅最大。月平均流量相对于 年，“双碳”情景下抚河流域月平均流量在 世纪近、中、末期变化如图（）所示。这 个时期中，月份平均流量总体呈减少趋势，减少最明显的是 月份；月份次年 月份 长江科学院院报 年 图 年抚河流域年均气温及年降水量变化 图 “双碳”情景和高碳情景近、中、末期月平均流量 ，平均流量普遍表现为不同程度的增加，增加最明显的是 月份。与“双碳”情景相比，高碳情景各时期月平均流量较基准期增幅更大，尤其 月份平均流量增幅明显（图（）。整体来看，“双碳”图 “双碳”情景和高碳情景年径流变化（相对于 年）（）情景下抚河流域各月平均流量的变化可使水资源年内分配更为均匀，有利于缓解区域雨季水量过多和旱季缺水的问题。径流极值 世纪抚河流域的丰水极值（）和枯水极值（）相较基准期的变化如图 所示。“双碳”情景下，抚河流域 世纪 个时期 下降明显，以降幅最大；则呈增加趋势，以 增幅最大，且 和 均在末期变幅最明显，预示未来洪涝和干旱风险可能有所降低。与“双碳”情景相比，高碳情景下，世纪 个时期 较 第 期王 媛 等“双碳”情景下抚河流域径流变化特征基准期增幅更大，干旱风险减小；较基准期也呈增加趋势，预示未来洪涝风险可能加剧。整体来看，“双碳”情景下抚河流域径流极值弱化，极端水文事件发生的可能性降低。01 02 03 04 001 02 03 04 05 06 0-1 0-2 0-3 0-4 0-5 0-6 0S S P 1-1.9 S S P 1-2.6 S S P 2-4.5 S S P 4-3.4 S S P 4-6.0 S S P 3-7.0 S S P 5-8.5S S P 1-1.9 S S P 1-2.6 S S P 2-4.5 S S P 4-3.4 S S P 4-6.0 S S P 3-7.0 S S P 5-8.5/%(a)Q 1 0(b)Q 9 0/%图 “双碳”情景和高碳情景下 和 变化（相对于 年）（）结论与讨论 结 论基于地面气象观测资料，结合观测径流，率定和验证了 水文模型，并评估了 个经过降尺度和偏差订正的全球气候模式集合对抚河流域气温和降水的模拟能力。研究发现多模式集合模拟对抚河流域的气温降水模拟效果良好，与实测月平均气温和月降水的相关系数达到和，偏差在 以内；模型对抚河流域月流量模拟的 效率系数和决定系数在率定期和验证期均，日流量的模拟均，说明 模型对抚河流域径流的模拟能力较好。本文基于多模式集合分析了抚河流域 世纪的气候变化趋势，并以多模式驱动 模型，预估了“双碳”情景和高碳情景下 年流域径流的变化，得出以下结论：（）年抚河流域表现为明显的变暖变湿态势。“双碳”情景下，流域年平均气温在 世纪近、中和末期较基准期（年）相比都显著增加，且气温上升速度随着碳排放强度的加大而加快。同期，抚河流域年降水量呈波动上升趋势。（）相比基准期（年），“双碳”情景下，世纪抚河流域年平均流量呈上升趋势，末期增幅最大；月平均流量在 月份呈下降趋势；月份次年 月份普遍表现为增加，月平均流量分配使流域水资源年内分配均匀化；日流量丰水极值（）下降明显，枯水极值（）呈增加趋势，抚河流域水文极端事件发生可能性降低。（）与“双碳”情景相比，高碳情景下气温增幅更明显，降水量总体增幅更大，仅在 世纪中期降水增幅低于同期“双碳”情景。高碳情景下的年平均流量增幅大于“双碳”情景，月平均流量变化的波动范围更大，月份增幅明显；世纪 个时期 和 都呈增加趋势，预示洪水灾害发生可能性的增大。讨 论已有多数研究表明鄱阳湖流域 世纪气温和降水量将呈增加趋势，与本文 世纪抚河流域气温和降水预估结果一致。但也有研究表明 世纪抚河流域气温将会增加，但降水将呈减少趋势。降水预估结果不同，与研究时段和基准期选择不同以及考虑的情景不同有关。例如，朱胜男等选取 年、年、年 个时段，以 年为基准期，分析年均气温和年降水变化。并且已有研究仅考虑了 模式和 种 情景，模式少且情景不全，而本文则考虑了 中 个情景完善的 个全球气候模式，降低了气候变化预估的不确定性。在径流方面，探讨抚河流域历史时期的径流变化特征以及归因的研究较多，但利用 数据结合“双碳”情景研究抚河流域未来径流变化的研究较少。本研究表明“双碳”情景下，未来抚河流域水资源年内变率和水文极端事件的强度可能比基准期有所降低，可为抚河流域水资源调节利用和水文旱涝风险管理提供借鉴。文中应用 模型对“双碳”情景下抚河流域的径流变化进行了较全面的预估，并对比分析了高碳情景下的变化。但气候模式的选取以及水文模型的参数化都会影响气候变化对径流的影响，并且会对结果带来较大的不确定性。另外，人为因素对径流变化也有很大的影响。一方面，本研究未考虑土地利用变 长江科学院院报 年 化、水库调蓄等人为因素对径流变化的贡献率；另一方面，本文使用的水文模型单一，未考虑多模型以降低结果的不确定性。后续研究中需要叠加考虑人类活动对径流变化的影响以及纳入多个水文模型开展集合预估，深层次分析流域水资源变化情况。参考文献：，：，：，：张永生，巢清尘，陈 迎，等中国碳中和：引领全球气候治理和绿色转型国际经济评论，（）：，（）：，：，（）：，：夏 军，刘春蓁，任国玉气候变化对我国水资源影响研究面临的机遇与挑战 地球科学进展，（）：郭 华，张奇近 年来长江与鄱阳湖水文相互作用的变化地理学报，（）：刘剑宇，张 强，邓晓宇，等气候变化和人类活动对鄱阳湖流域径流过影响的定量分析湖泊科学，（）：赵军凯，李立现，李九发，等人类活动对鄱阳湖水位变化的影响水文，（）：，（）：，（），（）：，（），（）：，：，：姜 彤，王艳君，苏布达，等全球气候变化中的人类活动视角：社会经济情景的演变 南京信息工程大学学报（自然科学版），（）：朱圣男，刘卫林，吴德胜，等基于 模式和 的抚河流域未来气候要素模拟与预估南昌工程学院学报，（）：姜淞川，陆建忠，陈晓玲，等基于 网络鄱阳湖抚河流域径流模拟研究华中师范大学学报（自然科学版），（）：王超兴，刘阳容，周峰径流系列一致性分析方法研究甘肃水利水电技术，（）：翁宇威，蔡闻佳，王 灿共享社会经济路径（）的应用与展望气候变化研究进展，（）：，：吴喜军，董 颖基于 模型的煤炭开采区河道径流变化识别环境科学与技术，（）：白琪阶，宋志松，等基于 模型定量分析自然因素与人为因素对水文系统的影响：以漳卫南运河流域为例自然资源学报，（）：，（，），（）：黄金龙 长江寸滩以上流域径流变化研究南京：南京信息工程大学，毛安琪 基于 模型的土地利用演变对抚河流域非点源污染研究南昌：南昌大学，高 超，刘 青，苏布达，等不同尺度和数据基础的水文模型适用性评估研究：淮河流域为例 自然资源学报，（）：曹丽娟，董文杰，张 勇，等未来气候变化对黄河和长江流域极端径流影响的预估研究 大气科学，（）：张建成基于多变量 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