【精品硕博论文-水利水电工程】气候变化对新安江流域水资源影响评估

本科毕业论文气候变化对新安江流域水资源影响评估IMPACTSASSESSMENTOFCLIMATECHANGEONWATERRESOURCESOFXINANRIVERBASIN前言自20世纪以来，全球气候呈现以变暖为主要特征的变化趋势，已成为目前国际社会普遍关注的热点问题。气候变化指经过相当一段时间的观察，在自然气候变化之外由人类活动直接或间接地改变全球大气组成所导致的气候改变，近百年来呈现出以全球气候变暖为主的变化。2013年9月，政府间气候变化专门委员会（IPCC）公布了第五次评估报告（AR5）第一工作组报告的决策者摘要。报告显示大气和海洋已变暖，积雪和冰量已减少，海平面已上升，温室气体浓度已增加，指出气候变暖是非常明确的，1950年以来的气候变化是千年以来前所未有的，过去3个10年的地表已连续偏暖于1850年以来的任何一个10年。全球气候变化通过大气环流变化、蒸发增加、冰雪条件变化等引起降雨、蒸发、入渗、土壤湿度、河川径流、地下水流等一系列的水文条件变化，全球水文循环以及能量系统平衡被打破，引起水资源在空间、时间上的重新分配，旱灾、洪灾的频率与强度的扩大，极端天气频繁发生，对未来地球生态环境保护、社会经济发展和人类生存带来了新的挑战。在此背景下，预测未来流域尺度水文要素变化特征与趋势，全面评估气候变化对流域水资源系统影响，研究应对气候变化水资源管理相应对策与措施显得刻不容缓。本文研究气候变化对水文水资源影响机理，运用BCSD方法对全球气候模式（GCM）数据进行降尺度分析，构建新安江月水量平衡模型对新安江流域的未来径流进行预测，揭示水文气象要素之间的演变规律，评估气候变化对新安江流域水文水资源的影响，并研究提出水资源管理对策措施。这对于加强流域水资源科学开发利用，保障流域水资源安全，维持流域生态环境健康均有重要意义，也可为气候变化情景下我国水资源的规划与管理提供科学参考和依据。摘要自20世纪以来，全球气候呈现以变暖为主要特征的变化趋势，已成为目前国际社会普遍关注的热点问题。在气候变化背景下，水文要素发生改变，全球水循环与能量系统平衡被打破，导致水资源量在空间、时间上的重新分配，极端天气事件频繁发生，对未来地球生态环境、社会经济发展和人类的生活带来了新的挑战。新安江是钱塘江的一条级支流，干流长373KM，流域面积11万多KM2，是长三角地区重要的生态屏障，在地区水资源供给、农业灌溉、防洪、旅游、经济发展等领域均发挥了重要作用。研究气候变化对新安江流域水文水资源的影响，揭示水文气象要素之间的演变规律，预测流域未来径流变化情况，对气候变化下流域水资源合理开发利用，进一步保障流域水资源安全具有重要意义。本文研究气候系统组成以及气候变化及其对水文水资源影响机理，采用BCSD方法对全球气候模式（GCM）数据进行降尺度分析，构建新安江月水量平衡模型对新安江流域的未来径流进行预测，分别分析三种情景模式下的降雨、气温、蒸发与径流四个水文要素的变化特征，研究气候变化对新安江流域水文水资源的影响。本文主要研究内容和成果如下（1）阐述全球气候系统的概念、组成及其属性和特征，气候变化在大气、海洋、冰冻圈、海平面、碳循环和其他生物地球化学循环五个方面的现状，气候变化的原因及主要影响，尤其是对水文水资源的影响，结合全球气候变化的情景模式，典型浓度路径RCPS，构建气候变化对水文水资源影响评估方法。（2）阐述误差订正空间分解法（BCSD）降尺度方法的原理与步骤，主要分为误差订正和空间分解两步，并对BCSD方法的适应性和局限性进行说明。（3）研究新安江日模型的结构、原理与计算，分蒸散发、产流、水源划分和汇流计算四个层次结构，论述从日模型简化得到的新安江月模型的结构与计算，月模型在水源划分中不考虑壤中流，在汇流中不考虑河网汇流；分析新安江模型参数，参数率定与检验的方法。并且采用新安江月水量平衡模型，利用历史19792005年共27年的实测数据进行参数率定和检验，率定期的实测流量与模拟流量的相关系数为0958，检验期为0978，说明新安江模型模拟效果较理想。（4）采用已参数率定的新安江月水量平衡模型，对BCSD方法降过尺度后的GCM降雨及蒸发数据进行未来94年的径流预测。结果表明三种情景模式未来平均径流大致相等，径流逐年变化趋势不明显；从各机构径流分布范围可知，出现极值事件即暴雨洪水的几率较大，应做好防洪调度的准备。（5）从年平均和多年月平均两个角度，对各个水文要素即气温、降雨、蒸发和径流的历史时段和未来时段进行对比，分析得到年平均气温随时间呈现明显的上升趋势，且未来气温比历史气温上升趋势更明显，RCP85上升速度明显高于RCP45和RCP26；未来年平均降雨呈现增加趋势，趋势不明显，三个情景模式的平均降雨基本相等；蒸发与气温的趋势基本一致，而径流与降雨的趋势基本一致。（6）对气候变化下呈现的问题，提出了水资源管理适应性对策进一步完善政策法规，加强流域水资源综合管理；加强节水力度，提高用水效率；加大水利投资力度，加强水利基础设施建设；加强污水处理，加强流域水质监测和监督管理；加强气候变化及其对水资源影响的研究；完善水库调度制度，合理利用水资源。关键词气候变化；BCSD降尺度；新安江模型；水文水资源；影响评估ABSTRACTSINCETWENTIETHCENTURY,THETRENDTOGLOBALCLIMATEWARMINGASTHEMAINFEATURE,ITHASBEENAHOTPROBLEMOFCOMMONCONCERNTOTHEINTERNATIONALCOMMUNITYUNDERTHEBACKGROUNDOFCLIMATECHANGE,HYDROLOGICALCHANGES,THEGLOBALWATERCYCLEANDENERGYBALANCEISBROKEN,LEADINGTOTHEWATERRESOURCESINTHEALLOCATIONOFSPACE,TIME,EXTREMEWEATHEREVENTSOCCURFREQUENTLY,INTHEEARTHSECOLOGICALENVIRONMENT,SOCIALECONOMICDEVELOPMENTANDHUMANLIFEHASBROUGHTNEWCHALLENGESXINANRIVERISAGRADEIITRIBUTARYOFTHEQIANTANGRIVER,RIVERLENGTH373KM,WATERSHEDAREAOFMORETHAN11KM2,ISANIMPORTANTECOLOGICALBARRIERFORTHEYANGTZERIVERDELTAREGION,HASPLAYEDANIMPORTANTROLEINTHEFIELDOFREGIONALWATERSUPPLY,AGRICULTURALIRRIGATION,FLOODCONTROL,TOURISM,ECONOMICDEVELOPMENTSTUDYONEFFECTSOFCLIMATECHANGEONHYDROLOGYANDWATERRESOURCESINTHEXINANRIVERBASIN,REVEALINGTHEEVOLUTIONLAWSBETWEENHYDROLOGICALANDMETEOROLOGICALELEMENTS,PREDICTTHEFUTURERUNOFFBASIN,THECLIMATECHANGEINTHERATIONALDEVELOPMENTANDUTILIZATIONOFWATERRESOURCES,TOFURTHERPROTECTTHEWATERRESOURCESSECURITYISOFGREATSIGNIFICANCETHISPAPERSTUDYONCLIMATESYSTEMANDCLIMATECHANGEANDITSIMPACTONHYDROLOGYANDWATERRESOURCESMECHANISM,USESTHEBCSDMETHODTOTHEGLOBALCLIMATEMODELGCMOFDOWNSCALINGDATA,BUILDTOFORECASTFUTUREXINANRIVERRUNOFFVARIATIONCHARACTERISTICSOFMONTHLYWATERBALANCEMODEL,ARETHREEKINDSOFSCENARIOANALYSISMODEOFRAINFALL,TEMPERATURE,EVAPORATIONANDRUNOFFFOURHYDROLOGICALFACTORS,IMPACTOFCLIMATECHANGEONHYDROLOGYANDWATERRESOURCESINXINANRIVERBASININTHISPAPER,THEMAINRESEARCHRESULTSAREASFOLLOWS1THECOMPOSITIONANDITSPROPERTIESANDCHARACTERISTICS,THECONCEPTOFGLOBALCLIMATESYSTEM,CLIMATECHANGEINTHEATMOSPHERE,OCEANS,CRYOSPHERE,SEALEVEL,CARBONANDOTHERBIOGEOCHEMICALCYCLEPRESENTSITUATIONFIVEASPECTS,ANDTHEMAINCAUSESOFCLIMATECHANGE,ESPECIALLYTHEIMPACTONHYDROLOGYANDWATERRESOURCES,WITHGLOBALCLIMATECHANGEINTHESCENEMODE,THETYPICALCONCENTRATIONPATHRCPS,ASSESSMENTMODELOFCLIMATECHANGEONHYDROLOGYANDWATERRESOURCESISCONSTRUCTEDINTHISPAPER2THEERRORCORRECTIONSPACEDECOMPOSITIONMETHODBCSDPRINCIPLEANDSTEPSOFDOWNSCALINGMETHOD,CONSISTSOFERRORCORRECTIONANDSPATIALDECOMPOSITIONOFTHETWOSTEP,ANDTHEADAPTABILITYANDLIMITATIONSOFTHEBCSDMETHODAREEXPLAINED3THESTRUCTURE,PRINCIPLEANDCALCULATIONOFXINANRIVERDAYMODEL,DIVIDEDEVAPOTRANSPIRATION,RUNOFF,WATERDIVIDESANDCONFLUENCECALCULATIONFOURLEVELSSTRUCTURE,EXPOUNDSTHESTRUCTUREANDCALCULATIONMODELISSIMPLIFIED,THEXINANRIVERMODEL,MODELDOESNOTCONSIDERTHEINTERFLOWINTHEWATERDIVISION,DONOTCONSIDERTHEROUTINGONTHEBUSINXINANRIVERTHENTHEMODELPARAMETERS,CALIBRATIONMETHODANDINSPECTIONANDTHEXINANRIVERMONTHLYWATERBALANCEMODEL,PARAMETERCALIBRATIONANDTESTDATAFROM19792005HISTORYOF27YEARS,THECORRELATIONCOEFFICIENTWASMEASUREDFLOWANDSIMULATIONFLOWOFREGULARINSPECTIONPERIODIS0958,0978,THEXINANRIVERMODELTOSIMULATETHEEFFECTOFIDEAL4THERATEOFXINANRIVERHASPARAMETERMONTHLYWATERBALANCEMODELSET,GCMRAINFALLANDEVAPORATIONDATADROPSCALEONTHEBCSDMETHODOFFORECASTINGRUNOFFINTHEFUTURE94YEARSTHERESULTSSHOWTHATTHREESCENARIOSOFFUTUREAVERAGERUNOFFAREROUGHLYEQUAL,RUNOFFHASNOOBVIOUSCHANGEFROMTHEAGENCIESTHATRUNOFFDISTRIBUTIONRANGE,THEREISHIGHPROBABILITYOFEXTREMEEVENTSOFFLOOD,FLOODCONTROLSCHEDULINGSHOULDBEPREPARED5FROMTHEAVERAGEANNUALANDMONTHLYAVERAGETWOPOINTOFVIEW,THEHYDROLOGICALELEMENTSSUCHASTEMPERATURE,RAINFALL,EVAPORATIONANDRUNOFFPERIODANDFUTUREPERIODSWERECOMPARED,ANALYSIS,THEANNUALAVERAGETEMPERATUREWITHTIMESHOWEDARISINGTREND,ANDTHEFUTURETEMPERATURETHANTHEHISTORICALTEMPERATURERISETRENDMOREOBVIOUS,RCP85RISEVELOCITYWASSIGNIFICANTLYHIGHERTHANTHATOFRCP45ANDRCP26THEAVERAGEANNUALRAINFALLINCREASED,THETRENDISNOTOBVIOUS,THEAVERAGERAINFALLISEQUALTOTHREESCENARIOSEVAPORATIONANDTEMPERATURETRENDISBASICALLYTHESAME,BUTTHERUNOFFANDRAINFALLAREBASICALLYTHESAMETREND6ONCLIMATECHANGEPROBLEMS,PUTSFORWARDTHEMANAGEMENTOFWATERRESOURCESADAPTIVECOUNTERMEASURESFURTHERIMPROVEPOLICIESANDREGULATIONS,STRENGTHENTHECOMPREHENSIVEMANAGEMENTOFRIVERBASINWATERRESOURCESSTRENGTHENTHESAVINGWATER,IMPROVINGWATERUSEEFFICIENCYINCREASETHEWATERCONSERVANCYINVESTMENT,STRENGTHENTHEWATERCONSERVANCYINFRASTRUCTURECONSTRUCTIONSTRENGTHENTHESEWAGETREATMENT,STRENGTHENINGRIVERBASINWATERQUALITYMONITORINGANDSUPERVISIONANDMANAGEMENTSTRENGTHENINGRESEARCHCLIMATECHANGEANDITSIMPACTONWATERRESOURCESIMPROVETHERESERVOIROPERATIONSYSTEM,THERATIONALUSEOFWATERRESOURCESKEYWORDSCLIMATECHANGE；BCSDDOWNSCALINGMODEL；XINANJIANGHYDROLOGICMODEL；WATERRESOURCES；IMPACTASSESSMENT目录前言I摘要IIABSTRACTIV第一章绪论111研究背景及意义112国内外研究动态213论文主要研究内容及技术路线6131论文主要研究内容6132论文研究技术路线7第二章气候变化对水文水资源影响评估基本理论821全球气候系统8211气候系统的组成8212气候系统的属性和特征822气候变化及其主要影响10221气候变化的现状10222气候变化的原因12223气候变化的主要影响1323气候变化对水文水资源影响机理与评估方法14231气候变化情景模式14232气候变化对水文水资源影响机理16233气候变化对水文水资源影响评估方法1824本章小结19第三章BCSD降尺度方法研究2031BCSD降尺度方法简介2032BCSD降尺度原理与步骤20321误差订正20322空间分解2233适应性与局限性分析2434本章小结24第四章新安江月水量平衡模型2541新安江模型结构与原理25411新安江模型结构25412新安江模型计算26413新安江月水量平衡模型3242新安江模型参数率定与检验研究34421新安江模型参数34422新安江月模型参数率定与检验3643适应性与局限性分析3744本章小结38第五章气候变化对新安江流域水文及水资源影响评估4051新安江流域概况40511自然地理40512气象水文41513新安江水电站41514社会经济4252新安江流域全球气候模式输出降尺度分析42521数据准备42522降尺度分析过程43523降尺度分析结果4653气候变化情景下新安江流域径流预测47531新安江月模型参数率定47532新安江月模型参数率定检验结果分析49533新安江流域径流预测5154新安江流域主要水文要素变化特征分析54541气温54542降雨58543蒸发61544径流6455新安江流域未来水资源管理适应对策研究6756本章小结69第六章总结与展望7061总结7062展望71参考文献73致谢77第一章绪论11研究背景及意义气候系统是由大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈组成并且相互作用的高度复杂的开放系统，具有复杂性、稳定与可变的二重性和可预报性。气候变化指经过相当一段时间的观察，在自然气候变化之外由人类活动直接或间接地改变全球大气组成所导致的气候改变。2013年9月，政府间气候变化专门委员会（IPCC）公布了第五次评估报告（AR5）第一工作组报告的决策者摘要。报告显示大气和海洋已变暖，积雪和冰量已减少，海平面已上升，温室气体浓度已增加，指出气候变暖是非常明确的，1950年以来的气候变化是千年以来前所未有的，过去3个10年的地表已连续偏暖于1850年以来的任何一个10年。在北半球，19832012年可能是过去1400年中最暖的30年，在18802012年期间温度升高了085，18501900年时期和20032012年时期的平均温度之间的总升温幅度为0781。全球气候变化通过大气环流变化、蒸发增加、冰雪条件变化等引起降雨、蒸发、入渗、土壤湿度、河川径流、地下水流等一系列的水文条件变化，打破全球水文循环和能量系统平衡，引起水资源在空间、时间上的重新分配，导致旱灾、洪灾的频率与强度的扩大，极端事件发生频率的增加，对地球生态环境以及社会经济发展造带来新的挑战2。新安江流经皖浙两省，是钱塘江的一条级支流，发源于安徽黄山休宁县，经浙江千岛湖汇入钱塘江，是长三角地区重要的生态屏障。干流长373KM，流域面积11万多KM2，在安徽省内上游河段的新安江，是仅次于长江、淮河的第三大水系。新安江水库，是我国长三角地区最大的淡水人工湖和重要的水源地。新安江流域属亚热带季风气候区，温暖湿润，雨量充沛，多年平均降水量1733MM，人均水资源量6405M3。新安江流域对当地水资源供给、农业灌溉、防洪、旅游、社会经济发展等方面有重要作用。然而新安江流域存在以下问题降水量时空分布不均，春夏多雨易洪、秋冬少雨多旱，易发生洪涝、干旱等极端天气；气候变化引起的高温等对水资源利用影响较大；山高坡陡，当降雨强度大时，容易诱发滑坡、崩塌和泥石流等地质灾害；用水效率不高，浪费现象严重，水资源利用不合理，季节性工程型缺水严重，水资源管理制度措施不健全，水质污染日益严重等。在未来气候变化背景下，新安江流域气象水文要素变化的不确定性增加，水资源时空分布不均矛盾更加突出，极端天气事件发生频率与强度均呈增强趋势，流域水资源科学利用与安全保障面临新的挑战。为此，本文研究气候变化对新安江流域水文水资源的影响，揭示水文气象要素之间的演变规律，预测流域未来径流变化情况，并提出相应的适应性对策措施，这对气候变化情景下，加强流域水资源合理的开发利用，保障流域水资源安全，维持流域良好健康的生态环境，对保证社会经济的可持续发展，均具有重要的参考价值和现实意义。12国内外研究动态气候变化是目前全球性的重要课题之一。关于气候变化影响的研究起步于20世纪70年代，由世界气象组织WMO、联合国环境署UNEP、国际水文科学协会IAHS等国际组织促进，先后开展实施了世界气候影响研究计划WCPI、全球能量水循环试验GEWEX等项目的研究。气候变化对水文水资源的影响很早就引起国内外气候和水文学界的关注3。1977年，美国国家研究协会USNA组织会议讨论了气候、气候变化和供水之间的相互关系和影响。1979年在瑞士召开了“世界气候大会”，尽管在会上有些学者呼吁应当开展气候变化与水资源之间的研究，但在当时并没有引起足够重视4。1982年NEMEE和SHCAAKE应用概念性流域水文模型分析了气候变化对干旱和湿润地区径流的影响。1985年，世界气象组织WMO出版了气候变化对水文水资源影响的综述报告，并推荐了一些检验和评价方法，之后又出版了水文水资源系统对气候变化的敏感度分析报告。1987年国际水文科协IAHS在第十九届国际IUGG大会中举办“气候变化和气候波动对水文水资源影响”的专题学术会议。1990年，NASH采用由美国国家气象局开发的概念性水文模型,以科罗拉多河流域为例研究了流域水文资源对气候变化的响应。WAGGONER于1990年出版气候变化和美国水资源一书，该书系统的总结了气候变化对水资源的影响研究方法、内容和结果5。随后在里约热内卢环境与发展大会上发表21世纪议程，指出气候变化对水资源的影响，是全球应予以高度关注的问题。20世纪90年代以来，气候变化对水文水资源的影响研究工作迅速增加。1991年，第20届国际大地测量与国际地理联合大会在维也纳召开，水文科学组主要研究探讨了土壤大气之间相互作用的水文过程。2001年举行的IGBP会议、第六届IAMAPIAHS大会以及2004年在巴西召开的IAHS大会均设立了气候变化对水文水资源的影响讨论专题，2007年的IUGG国际会议又一次讨论了气候变化对水文水资源的影响研究问题3。2009年，在丹麦首都哥本哈根举行的联合国气候变化大会（COP15），即联合国气候变化框架公约缔约方第15次会议暨京都议定书签字国第五次会议，会议计划就2012年后全球温室气体减排做出安排。世界水论坛在2009年集中讨论了全球气候变化的影响及其对策，在2012年举办“水和适应气候变化”高层圆桌会议6。2013年，联合国气候大会在波兰华沙召开。可见进入21世纪，气候变化已成为各种国际会议的主要议题，并在巴西、北京、墨西哥和意大利等国依次召开了与气候变化对水文水资源影响相关的国际会议7。另外，在1988年，联合国环境计划署和世界气象组织共同组建了联合国政府间气候变化委员会（IPCC），其主要任务是为政府决策者提供气候变化的事实和对未来气候的可能变化作出预测，以使决策者认识人类对气候系统造成的危害并采取相应对策。到目前为止，IPCC分别于1991年、1996年、2001年、2007年和2013年完成并发布了五次评估报告，这些报告已成为国际社会认识和了解气候变化问题的主要科学依据7。我国从20世纪80年代起开展了气候变化对水文水资源影响方面的研究。1988年，国家自然科学基金开展了“中国气候与海面变化及其趋势和影响研究”，它是中国科学院及国家自然科学基金支持下的重大项目，该项目的主要内容包括全球气候变暖，中国气候变化历史，中国海平面变化情况，气候变化对西北华北水资源的影响4。1991年，国家科委启动的“八五”国家科技攻关项目“全球气候变化的预测、影响和对策研究”中设立了“气候变化对水文水资源的影响及适应对策”专题，1994年，中美合作开展了“国家研究”，这两个项目都包括气候变化对水文水资源的影响及适应对策研究3。19931996年，“八五”科技攻关项目“气候变化对水文水资源的影响及适应对策研究”中以我国汉江、东江、黄河、淮河、海河、松辽河的典型支流为研究对象，采用集总式水量平衡模型，分析气候变化对流域径流的影响，井根据7个GDMS的输出结果，对未来流域的水资源形势进行了展望7。19962000年，“九五”科技攻关项目“我国短期气候预测系统的研究”，其中包括“气候异常对我国水分循环及水资源影响评估模型研究”专项，选择淮河流域和青藏高原作为研究区域，参加GEWEX在亚洲季风区试验即GAME项目3。20012003年，“十五”科技攻关项目“中国可持续发展信息共享系统的开发研究”中设立了“气候变化对我国淡水资源的影响阈值及综合评价”专题，拓展了以往研究内容与技术手段，在对未来需水预测和未来水资源量情势分析的基础上，研究了未来气候变化情境下，我国水资源脆弱性和气候变化对我淡水资源的影响阈值7。2008年，“气候变化对我国水安全影响以及适应性对策研究”被列为水利行业的重大研究专项7。2009年，我国开展的国家973项目“气候变化对我国东部季风区陆地水循环与水资源安全的影响及适应对策”以及重点基础研究发展规划项目“我国生存环境演变和北方干旱化趋势预测研究”则针对全球变暖问题，重点研究我国北方干旱地区未来的气候情势、人类活动和水资源相互作用关系以及适应对策3。2010年，全球变化国家重大科学研究计划项目包括“气候变化对黄淮海地区水循环的影响机理和水资源安全评估”和“气候变化对西北干旱区水循环影响机理与水资源安全研究”也关注了气候变化对水文水资源的影响的研究6。2013年，为积极应对全球气候变化，统筹开展全国适应气候变化工作，国家发改委、财政部、水利部、农业部等9部门联合制定了国家适应气候变化战略，这是中国第一部专门针对适应气候变化方面的战略规划。国内外学者在该领域已进行了一定的探索和研究。1996年，邓慧平和吴正方等8从目前的研究方法、已取得的成果和研究中存在的问题几个方面比较系统地阐述了气候变化对水文水资源的影响。1998年，沈大军等9分别从水文系统中的降水、蒸发、径流等和水资源系统中的的供水、需水及区域水资源管理等方面论述了气候变化对水文水资源系统的影响。2001年，戴君虎、晏磊等10在由二氧化碳、甲烷等温室气体引起的温室效应导致全球变暖、人类活动及农业生态对气候系统变化的影响、臭氧层空洞、荒漠化和沙尘暴与气候变化之间的关系、太阳风暴干扰大气电离层诱导气候变化过程，减缓气候变化产生的经济效益，全球水循环与水资源的时空变化，全球变化与自然地质灾害等多领域、多角度、多方位的研究了全球变化如何影响着人类生存环境及可持续发展的进程。2002年，游松财等11以改进的水分平衡模型为基础，研究了全国未来地表径流量的变化与不同气候变化的因果关系，但未能对GCM模型（通用环流模型）的输出结果加以尺度上的变化，并在理想的假设条件下，采用了季风气候区的THORNTHWAITE公式，未准确的计算实际蒸发量，使得最后结果与实际情况相差较大。2003年，王云璋等12建立了天然径流量计算公式，分析计算了降水量变化对径流量的影响；2004年，陈玲飞、王红亚13构建气候因子对径流的影响模型，分析探讨了径流变化对全国气候变化的响应程度；2006年，孙万光、徐世国等14利用CCSR/NIES和CSIR0MK2两个模型模拟未来气候变化情景，探讨了水文要素对气候变化的响应。2007年，李菲菲15将PRECIS区域气候模式与VIC模型进行单向耦合，驱动水文模型，模拟出未来近百年间黑河上游地区的蒸发量以及径流的变化过程，借此研究气候变化对水文水资源系统的影响。2010年，郭靖16应用SSVM、SDSM和ASD统计降尺度方法预测汉江流域未来降水、气温变化，采用两参数月水量平衡模型和VIC分布式水文模型与GCM进行耦合，预测未来丹江口水库及整个汉江流域径流量情况，并用HBV水文模型分析气候变化情景下，汉江上游径流极值事件的变化情况。2011年，仕玉治3以东北地区两个流域为研究实例,以大尺度流域水文模型SWAT为基础，开展气候变化及人类活动对流域水资源的影响研究。2012年，徐翔宇17通过构建分布式水文模型，定量评估了人类活动和气候变化对潘家口水库流域径流的影响，并模拟了未来气候情景下径流的可能变化。2013年，刘宏权18采用区域气候模型STAR，结合气候变化趋势分析，采用不同升温幅度，对区域未来气候进行了低中高升温情景的仿真模拟，通过模拟递推法、回归分析法和模糊优选神经网络模型等方法研究了气候变化对径流和水资源量的影响以及气候变化对社会经济用水量的影响，构建了区域水资源承载力量化模型，并分析了气候变化对区域水资源承载力的影响。经过几十年的发展，国际上和国内的科学工作者们开展的关于气候变化对水文水资源影响的研究工作已取得了很大的进展，研究方法也得到了不断的改善。对GCM的输出降解由直接的插值法发展到考虑统计、物理特性的各种降尺度方法；水文模拟也由简单的统计模型发展到考虑大气一植被一土壤交换的分布式水文模型16。但是目前的研究中仍存在一些问题与不足，未来需要解决这些问题并不断改进，主要表现在（1）当前所应用的模型只是把气候模式的输出数据当作水文模型的输入数据进行研究，两者只是单向连接，且没有考虑大气和陆面之间的相互影响，因此需要研究解决气候模型和水文模型的双向耦合问题和陆地水文循环过程19。（2）陆面水文降水与径流过程都存在很强的次网格不均匀性，而大多数GCM是假定模型网格内的植被和土壤在水平面上是均匀的，这对陆面水文过程参数化过于简单，从而使得模拟精度不高16。未来气候变化对水资源的影响研究主要依靠GCM的数据，但是单一气候模型受到模型结构、分辨率和温室气体排放方案等不确定性因素影响，预测未来气候变化具有较大不确定性，进而导致流域水资源影响量化结果具有较大差异。因此，应建立多种气候模型来进行未来气候变化对流域水资源的影响研究3。（3）目前，大多采用概念性模型进行模拟预测，但是这类模型物理机制不明确，很多时候只是用数学方法进行参数率定，因此，需要改进传统的水文模型，发展具有物理机制的大尺度分布式水文模型，并且这种模型不仅包括水文循环过程的描述，还应包含有各种水管理模型和水评价模型等20。（4）目前的研究内容主要集中在反映气候变化对流域径流过程平均变化的影响，而关于气候变化对水文极值事件的响应、对水环境、水质的影响和水资源系统脆弱性等方面的研究比较少，因此，应加强这些方面的研究16。13论文主要研究内容及技术路线131论文主要研究内容本文研究气候系统组成以及气候变化及其对水文水资源影响机理，采用BCSD方法对全球气候模式（GCM）数据进行降尺度分析，构建新安江月水量平衡模型对新安江流域的未来径流进行预测，分别分析三种情景模式下的降雨、气温、蒸发与径流四个水文要素的变化特征，研究气候变化对新安江流域水文水资源的影响。主要包括以下内容（1）阐述全球气候系统的概念、组成及其属性和特征，阐述气候变化的事实，分析气候变化原因及主要影响，尤其是对水文水资源的影响，并且结合全球气候变化的情景模式，典型浓度路径RCPS，构建本文气候变化对水文水资源影响评估模型。（2）研究误差订正空间分解法（BCSD）降尺度方法的原理与步骤，主要为误差订正和空间分解两步，并对BCSD方法的适应性和局限性进行分析。（3）研究新安江日模型的结构、原理与计算，以及从日模型简化得到的新安江月模型的结构与计算，并且说明新安江模型参数率定与检验的方法。（4）采用新安江月水量平衡模型，对BCSD方法降过尺度后的GCM降雨及蒸发数据进行径流预测。对各个水文要素即气温、降雨、蒸发和径流的历史时段和未来时段的变化特征进行对比，在不同情景模式下的各水文要素的变化情况进行分析，以得到气候变化下新安江流域水文水资源的变化情况。从而对气候变化下呈现的问题，提出新安江流域未来水资源管理适应性对策。132论文研究技术路线本文综述全球气候系统与气候变化及其影响，介绍BCSD降尺度方法的原理与步骤，新安江日模型与月模型的结构计算及参数率定；并采用BCSD方法、新安江月水量平衡模型，对新安江流域的未来径流进行预测，分别分析三种情景模式下降雨、气温、蒸发与径流四个水文要素的变化特征，从而说明气候变化对新安江流域水文水资源的影响，论文研究技术路线如图11所示。气候变化对新安江流域水资源影响评估气候变化对水文水资源影响评估基本理论BCSD降尺度方法研究新安江月水量平衡模型气候变化及其主要影响全球气候系统气候变化对水文水资源影响机理与评估方法气候变化的主要影响气候变化的事实与原因气候变化情景模式新安江流域未来水资源管理适应对策研究气候变化对新安江流域水文及水资源影响评估新安江流域概况新安江流域全球气候模式输出降尺度分析气候变化下新安江流域径流预测新安江模型参数率定与检验研究新安江月水量平衡模型结构与原理适应性与局限性分析新安江流域主要水文要素变化特征分析降雨蒸发新安江月模型参数率定检验结果分析新安江月模型参数率定新安江流域径流预测新安江模型计算新安江模型结构新安江月模型计算BCSD降尺度原理及步骤BCSD降尺度方法简介适应性与局限性分析误差订正空间降尺度气温径流气候变化对水文水资源影响机理与评估方法图11论文研究技术路线图第二章气候变化对水文水资源影响评估基本理论本章介绍全球气候系统的概念、组成及其属性和特征，阐述气候变化的事实，分析气候变化原因及其主要影响，尤其是对水文水资源的影响，结合全球气候变化的情景模式，提出气候变化对水文水资源影响评估方法。21全球气候系统211气候系统的组成1974年，国际上首次提出气候系统的概念。1979年，世界气候大会明确提出将气候系统的五个圈层（即大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈）结合起来研究21。气候系统是由上述五个圈层组成并且相互作用的高度复杂的系统。气候系统内部在太阳辐射的作用下产生一系列的复杂过程，并有连续的外界能量输入，且其各个组成部分之间通过物质和能量交换紧密地相互联系和影响着，所以气候系统是一个非线性的开放系统，如图21所示。气候系统的各个组成部分（即子系统）也都是开放系统，因为大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈内部及其相互之间普遍存在着能量、动量和物质的输送与交换过程。这些子系统之间复杂的物理、化学和生物作用，形成了气候系统行为的多样性和复杂性。气候系统随时间演变的过程既受到自身内部动力学的制约，也受到外部强迫的影响。在气候系统的五个圈层中，大气圈是气候变化的中心，它具有不稳定、变化快等特点。大气圈不但受到其他四个圈层的直接作用与影响，而且与人类活动有最密切的关系，大气圈的状态和变化直接影响着人类的生存条件和各种活动22。212气候系统的属性和特征2121气候系统的基本属性气候系统的基本属性可以概括为以下四个方面（1）热力属性，包括空气、水、冰和陆地的温度；（2）动力属性，包括风、洋流以及与之相联系的垂直运动和冰体移动；（3）水分属性，包括空气湿度、云量以及云中含水量、降水量、土壤湿度、河湖水位、冰雪范围和储量等；图21气候系统各组成部分、其过程和相互影响示意图（IPCC2007）（4）精力属性，包括大气和海水的密度和压强、大气的组成成分、大洋盐度及气候系统的几何边界和物理常数等。这些属性在一定的外因条件下通过气候系统内部的物理过程（也有化学和生物过程）而互相关联着，并在不同时间尺度内变化着。2122气候系统的基本特征气候系统的基本特征包括以下三个方面（1）气候系统的复杂性。气候系统是一个庞大的、非线性的、开放的复杂系统，它包括了若干个子系统，且这些子系统又各自包含有许多更小的二级子系统，具有复杂的多级结构。子系统之间以某种或多种方式发生复杂的非线性和非平衡的相互作用，导致其在时间和空间上产生各种复杂形式的相关结构，形成了气候系统的空间复杂性特征。气候系统是有序态、随机态和混沌态共同存在于一个复杂系统中，依系统内外不同参数条件随时间和空间变化，且对初始条件、参数和环境的微小扰动高度敏感21。从热力学系统分类的角度看，气候系统是开放的，既有能量的不断耗散，又有一些相对稳定的周期性变化，还具有某些随机扰动的性质。从气候系统随时间的演变看，其复杂性表现在既有相对缓慢稳定的趋势变化，又有剧烈的突变现象；既有相对规则的周期性变化，也有随机性的不规则变化。（2）气候系统具有稳定与可变的二重性。气候系统的稳定性是气候系统演变过程中的重要特性。气候系统的相对稳定性主要受两个因素的制约一个是能量收支方面的外部因素，一个是气候系统内部的性质。气候系统的可变性往往表现为由一种稳定的气候状态向另一种稳定的气候状态的转化。（3）气候系统的可预报性。气候预测分为两类第一类与时间有关，即习惯上的气候可预测性问题；第二类与时间无关且非线性的，即气候变化的不确定性问题。气候本身从某种意义上讲具有统计性和概率性，所以气候系统的可预报性具有对所考虑时空尺度的依赖性。22气候变化及其主要影响221气候变化的现状联合国气候变化框架公约（UNFCCC）第一款中，将“气候变化”定义为“经过相当一段时间的观察，在自然气候变化之外由人类活动直接或间接地改变全球大气组成所导致的气候改变。”UNFCCC因此将因人类活动而改变大气组成的“气候变化”与归因于自然原因的“气候变率”区分开来。目前，国际社会所讨论的气候变化问题，主要是指温室气体的增加所产生的全球气候变暖问题23。气候系统的变暖已被证实。自20世纪50年代以来，观测到的许多变化在几十年乃至上千年时间里都是前所未有的。根据IPCC第五次评估报告显示大气和海洋已变暖，积雪和冰量已减少，海平面已上升，温室气体浓度已增加。具体表现为（1）大气过去3个10年的地表已连续偏暖于1850年以来的任何一个10年。在北半球，19832012年可能是过去1400年中最暖的30年。全球平均陆地和海洋表面温度的线性趋势计算结果表明，在18802012年期间温度升高了085（065106）。基于现有的一个单一最长数据集，18501900年时期和20032012年时期的平均温度之间的总升温幅度为078（072085）。图22为观测到的全球平均陆地和海表温度距平变化（18502012年），各距平均相对于19611990年均值。（2）海洋海洋变暖在气候系统储存能量的增加中占主导地位，19712010年间累积能量在90以上。19712010年期间，海洋上层（0700M）已经变暖，海洋上层75M以上深度的海水温度升幅为每十年011（009013）；19572009年间，海洋在700M和2000M深度之间可能已经变暖。图22全球平均陆地和海表温度距平变化（18502012年）（IPCC决策者报告，2013）图23观测到的多项全球气候变化指标A北半球34月（春季）平均积雪范围；B北极79月（夏季）平均海冰范围；C20062010年相对于1970年全球平均海洋上层0700M热含量变化；D相对于19001905年全球平均海平面变化（IPCC决策者报告，2013）（3）冰冻圈格陵兰冰盖和南极冰盖一直在损失，全球范围内的冰川继续萎缩，而北极海冰和北半球春季积雪已呈持续减少的趋势。在19712009年间，全世界冰川的冰量损失平均速率（不包括冰盖外围的冰川）很可能是每年226（91361）GT，在19932009年间很可能是每年275（140410）GT。19792012年北极海冰面积每10年以3541的速度减少。自20世纪80年代初以来，大多数地区多年冻土温度已升高。（4）海平面自19世纪中叶以来，海平面上升速度一直高于过去两千年的平均速率。19012010年，全球海平面平均上升了019M（017021M）。很可能的是，全球平均海平面上升速率在19012010年间的平均值为每年17（1519）MM，19712010年间为每年20（1723）MM，19932010年间为每年32（2836）MM。可见，海平面上升速率一直在提高。如图23（D）所示。（5）碳循环和其他生物地球化学循环大气中CO2、CH4、N2O浓度已经上升到过去80万年来的最高水平。CO2浓度已经比工业革命前水平上升了40，从1750年至2011年，因化石燃料燃烧和水泥生产释放到大气中的CO2排放量为375（345405）GTC，因毁林和其它土地利用变化估计已释放了180（100260）GTC。这使得人为CO2排放累积量为555（470640）GTC。海洋吸收了30的人为CO2排放量，从而导致海洋酸化1。如图24所示。图24观测到的多项全球碳循环的变化指标（A）1958年起在莫纳罗亚（1932N,15534W红色曲线）和南极（8959S,2448W黑色曲线）大气二氧化碳浓度；（B）海洋表面溶解的CO2分压（蓝色曲线）和实地PH测量值（绿色曲线，测量海水酸度）（IPCC决策者报告，2013）222气候变化的原因气候变化包括季节、年际、年代际、世纪以及更长的多种时间尺度的变化，引起这些不同时间尺度气候变化的原因十分复杂，不仅与气候系统外强迫因子的变化有关，还涉及气候系统内部的变化与复杂的反馈过程。气候系统中一般存在两种反馈机制，一种是能使整个系统恢复到平衡状态的负反馈机制，另一种是使整个系统偏离平衡状态的正反馈机制。气候系统在较长时间内主要是负反馈机制控制，从而使整个地球气候在相当长的时期内处于相对稳定的状态；而在某一发展阶段或某一局部区域，正反馈机制可能占优势，从而导致某一时期或某一局部区域气候发生某种趋势性变化。不同时间尺度气候变化产生的原因是不同的，但从根本上说，造成气候变化的原因有两种（1）自然的原因，即太阳辐射变化、火山活动等自然外强迫和气候系统内部子系统相互作用产生的单一或耦合气候变化；（2）人类活动的强迫，即人类造成的温室气体和气溶胶等排放、土地利用、植被破坏等造成的气候变化。目前，在大多数情况下，气候变化是指由上述两种原因造成的气候变化，但IPCC科学评估报告近年来指出，人类活动尤其是工业化以来向大气中排放的温室气体增加对20世纪全球气候变化（尤其是近50年的气候变化）产生了明显的影响，因此受到了更大的关注，如联合国气候变化框架公约（UNFCCC）完全是针对人类活动引起的气候变化的。气候变异受到太阳辐射变化、火山喷发等自然的外部强迫。在外部强迫下，气候变率的大小取决于强迫的大小及气候系统对强迫的敏感性。如果外部强迫足够缓慢，则地球系统的各圈层均维持平衡。如果强迫的变化是瞬时的，或者仅维持较短时间（如火山喷发），气候系统则将在多个时间尺度上产生响应。人类作为气候系统中的重要成员，一方面受到气候系统中各种自然过程的影响，另一方面，随着人类社会和经济的发展，人类活动对气候变化的影响愈加显著。人类影响气候的方式有（1）矿物燃料利用及农业和工业活动排放的二氧化碳等温室气体增加大气中温室气体浓度；（2）人类活动排放导致大气中气溶胶浓度的变化；（3）人类社会的发展不断改变土地利用方式及下垫面的性质。这些活动基本都直接或间接地改变了地球辐射平衡，气候对这些辐射平衡改变直接响应，同时又通过反馈机制的变化对这些响应进行放大或缩小。223气候变化的主要影响气候变化已经对全球的主要经济部门、自然生态系统和区域都产生了影响。未来气候变暖的趋势将进一步加剧，极端天气气候事件