基于CMIP6的通州區未來地表水資源量估算

王柳林，張秀菊，紀鵬程，王寶斌，李翔宇

(1.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210024；2.南通市通州區水利局，江蘇 南通 226399；3.河海大學計算機與信息學院，江蘇 南京 210024)

0 引 言

氣候變化是現今全球關注的熱點，聯合國IPCC第六次評估報告《氣候變化2021：自然科學基礎》中指出：自1850年～1900年以來，全球地表平均溫度已上升約1 ℃，未來20年全球溫升可能超過1.5 ℃。氣候變化正在給不同地區帶來多種不同的組合性變化，影響水資源的時空分配以及水資源總量，進而對社會經濟發展和生態系統安全等產生深刻的影響。因此，分析未來氣候情景下水資源的演變趨勢，對于區域水資源管理規劃具有重要意義。

目前，未來水資源量的估算研究一般采用以下2種方法：一是采用人工神經網絡[1]、支持向量機[2]、馬爾科夫鏈[3]、隨機森林[4]等機器學習方法，利用歷史水文數據預測未來徑流變化。該類方法計算簡便，但無法明確徑流變化的機理。二是未來氣候情景與水文模型的耦合。由于氣候變化的復雜性和不確定性，常用氣候情景假定法和基于全球氣候模式的數據來生成氣候變化情景。其中氣候情景假定法，即通過設定降水、氣溫等氣候要素較基準期存在一定幅度的增減，組合得到氣候變化情景。胡倩等假定降雨變幅為10%，氣溫變幅為1 ℃，設置了5種不同氣候變化情景，以此驅動SWAT模型計算洞庭湖平原水資源量[5]。該方法對于增減幅度的設定具有一定的主觀性，與未來氣候實際變化情況存在一定差距。全球氣候模式(GCM)是描述物理、流體運動和化學等基本定律的微分方程所構成的模型，被廣泛用于預估未來氣候變化。王旭等采用CMIP5模式數據驅動SWAT模型，結果表明葉爾羌河未來徑流呈顯著減小的趨勢[6]。

南通市通州區的氣象要素在過去50年間發生明顯變化，進而影響天然水資源量[7]。基于此，本文主要利用南通市通州區歷史降雨、氣溫、地表徑流深數據，首先模擬和評估了平原河網產流模型在通州區的適用性；然后對CMIP6中多個模式數據進行評估比選，對通州區在3種情景(SSP126、SSP245、SSP585)下2023年～2050年的地表徑流深變化趨勢進行分析。其研究結果可為南通市通州區水資源規劃、水環境保護提供科學理論依據。

1 研究區概況

通州區位于江蘇省東南部，東經120°41′～121°25′，北緯31°52′～32°15′，長江三角洲東北翼，東臨黃海，西枕長江，屬于平原河網地區，河道縱橫交錯，密度較高，各級河流之間基本能相互貫通，水系發達。全區水域主要由黃海、長江水域和區內河流組成，其中黃海水域北起遙望港，南至鮮魚港。區內河流由九呂水系、通啟河水系、三余水系、沿江圩田四大水系構成，統屬長江水系(見圖1)。

圖1 研究區概況

采用線性回歸法對通州區降雨變化趨勢進行分析(見圖2)。由圖2可知，南通市通州區1965年～2017年降雨以2.341 mm/a的速率增加，汛期降雨量以2.344 5 mm/a速率上升，枯季降雨量以0.003 1 mm/a速率下降，年降雨量與汛期降雨量變化波動較相似，基本上互為同升同降。

圖2 南通市通州區降雨變化

采用線性回歸法對通州區氣溫變化趨勢進行分析(見圖3)。由圖3可以看出，南通市通州區1965年～2017年年均氣溫以0.35 ℃/10 a的速率上升，其上升速率高于全國年均氣溫的上升速率。同樣方法對通州區各個月份氣溫進行趨勢分析，得出各月均出現不同程度上升。其中，2月～5月氣溫上升較快，氣溫上升速率較大(0.46～0.52 ℃/10 a)；6月、8月氣溫上升不顯著，氣溫上升速率較小，分別為0.22、0.12 ℃/10 a；其他月份的氣溫也都呈現出一定的上升趨勢，氣溫上升速率介于前兩者之間(0.3～0.38 ℃/10 a)。

圖3 南通市通州區氣溫年際變化

通過對通州區歷史氣象要素變化趨勢進行分析的結果可以看出，通州區氣溫產生了顯著變化，降雨變化趨勢不明顯，但年際變化幅度較大。因此，利用CMIP6模式數據耦合水文模型，進行未來地表水資源量估算，為水資源規劃提供依據，十分必要也十分迫切。

2 研究方法及數據

本文利用平原河網產流模型模擬通州區歷史水文過程，對模型進行率定與驗證后，采用CMIP6模式數據驅動水文模型，計算通州區在2023年～2050年的地表水資源量。因CMIP6模式缺乏逐日蒸發數據，故采用Hargreaves方法計算潛在蒸散發ET。

2.1 潛在蒸散發計算

潛在蒸散發ET采用Hargreaves方法計算，該方法計算簡單，所需氣象數據較少，計算公式為

ET=0.408×αRa(Tave+17.8)(Tmax-Tmin)0.5

(1)

(2)

式中，α為轉換系數，初始取值為0.002 3，最終取值通過率定確定，為0.002 7；Ra為天頂輻射，MJ·m2·d-1；Tmax、Tmin、Tave分別為最高溫度、最低溫度、平均溫度，℃；Gsc為太陽常數；δ為太陽傾角，(°)；φ為緯度所轉換的弧度，rad；dr為日地相對距離，km；ωs為日落時角，(°)。各參數詳細計算見文獻[8]。

2.2 平原河網產流模型

通州區屬于平原河網區，其中水面面積167.65 km2、水田面積309.86 km2、旱地面積590.35 km2、城鎮不透水面積283.68 km2。本文針對不同的下墊面分開模擬其產流過程：①水面產流按水量平衡方程由降水量扣除水面蒸發量推求產水量。②在非水稻種植季節，考慮水稻不同生長期的水田需水深度、耗水系數及灌排方式推求灌排水量；在非水稻種植季節，水田類型的下墊面當作旱地處理，產流按旱地產流計算。③旱地面積采用3層蒸發模型的三水源新安江蓄滿產流模型推求產流量。④城鎮區域需考慮下墊面透水情況，其中透水面積按新安江模型計算產流量；不透水面積的產流量可簡單表示為降雨乘以徑流系數。具體計算見文獻[9]。

2.3 模擬效果評估方法

使用決定性系數(R2)和納什效率系數(NSE)2個指標來評估平原河網產流模型的模擬效果，當R2>0.7且NSE>0.65時，可以認為模型模擬效果良好，相應指標具體計算公式為

(3)

(4)

2.4 數據來源

綜合考慮資料序列長度、空間分布特性，本文所用數據包含降水、蒸發、氣溫、地表徑流深，具體數據來源和系列長度見表1。

表1 數據來源詳情

模式預估氣象數據主要涉及氣溫、降水等，來自第六次國際耦合模式比較計劃(CMIP6)，不同氣候變化模式簡況見表2。CMIP6采用新的“共享社會經濟路徑”和輻射強迫情景的矩陣組合，本文選取SSP126、SSP245、SSP585三種未來氣候情景進行研究，氣候情景特征見表3。

表2 全球氣候模式基本信息

表3 氣候情景特征

3 結果分析

3.1 平原河網產流模型的率定與驗證

采用平原河網產流模型模擬通州區歷史水文過程，其中率定期為1981年～1993年，驗證期為1998年～2003年。由于通州區水文測站較少，無實測徑流數據，故將江蘇省第三次水資源調查評價成果作為率定依據，和徑流模擬值進行對比，模擬結果見圖4和表4。由圖4、表4可知，率定期的R2、NSE分別為0.89、0.88，驗證期的R2、NSE分別為0.92、0.92，模型擬合效果較好。

表4 月地表徑流深模擬效果評估表

圖4 率定期與驗證期月地表徑流深模擬值與參考值對比

3.2 未來情景下氣候要素演變特征

由于所選的9個氣候模式具有不同的分辨率，采用雙線性插值法將9個氣候模式數據插值到統一尺度0.025°×0.025°，再將所有格點數據進行算術平均，將不同氣候模式歷史數據(1981年～2012年)和地面測站結果進行對比，發現不同氣候模式的月均降雨與地面觀測值之間的相關系數r為0.180～0.832，其中INM-CM5-0模式對降水的模擬最好，相關系數為0.832；氣候模式對降雨的模擬能力較弱，原因是降雨受到多種復雜因素的共同影響[10]。不同氣候模式的月均氣溫與地面觀測值之間的相關系數r為0.990～0.999，其中INM-CM5-0模式對氣溫的模擬最好，相關系數為0.998。通過綜合比較，INM-CM5-0模式模擬的通州區降雨和氣溫與觀測數據的相關度較高，適用于未來通州區氣候變化的影響評估研究。

INM-CM5-0模式的三種氣候預估情景下，南通市通州區2023年～2050年的未來氣候變化情況見表5。與基準期(1981年～2000年)相比，通州區年均降水量在3種不同情景下均呈增加趨勢，SSP126、SSP245、SSP585情景下，未來年均降水量分別增加5.3%、7.6%、10.5%，未來降雨呈現出“SSP126

表5 通州區各情景下未來降雨變化

3.3 未來地表水資源量預估結果

采用Hargreaves法結合INM-CM5-0模式中的氣溫數據進行蒸發量估算，然后利用INM-CM5-0模式降雨數據、估算的蒸發量以及率定好的平原河網產流模型，對3種情景下未來2023年～2050年的地表徑流深進行估算，結果見表6。通州區基準期(1981年～2000年)的年均地表徑流深為235.8 mm，而2035年～2050年的SSP126、SSP245、SSP585情景下的年均地表徑流深分別為242.2、261.9、273.2 mm，可以看出，在不同氣候情景下年地表徑流深相對基準期(1981年～2000年)有所增加，增加幅度分別為2.7%、11.1%、15.9%。

表6 通州區各情景下未來地表徑流深預測

通州區未來地表徑流深的變化趨勢如圖5所示。SSP126和SSP585情景下，年地表徑流深均呈現波動變化。SSP245情景下，年地表徑流深變化大致可以分為3個時期：21世紀20年代中期至30年代中期，年地表徑流深呈顯著增加趨勢；21世紀30年代中期至40年代中期，年地表徑流深呈顯著下降趨勢；21世紀40年代中期之后出現了小幅上升。總體而言，各氣候情景下年際變化幅度較大，豐枯年份交替明顯。

圖5 通州區未來地表徑流深變化趨勢

本文研究表明，通州區歷史降雨、氣溫均呈增加趨勢，平原河網產流模型能較好模擬通州區水文過程。通過產流模型預測的未來水資源演變情勢與其他學者研究成果基本相符[11-12]。目前諸多研究表明，未來氣溫將繼續升高，而對降水的預估存在較大的不確定性[13-15]。另外，選擇不同的基準期和未來時段對未來水資源變化進行分析，可能會得出不同的結論[16]。

4 結 論

本文利用南通市通州區歷史氣溫、降雨、蒸發、地表徑流深數據等，通過構建平原河網產流模型，對模型進行率定與驗證，然后對CMIP6中的9個氣候模式進行評估比選，計算3種情景(SSP126、SSP245、SSP585)下2023年～2050年的地表徑流深，主要得到以下結論：

(1)針對南通市通州區構建的平原河網產流模型，率定期的R2、NSE分別為0.89、0.88，驗證期的R2、NSE分別為0.92、0.92，模型具有較好的適用性。

(2)3種不同氣候情景下，通州區未來氣溫、降雨量均高于基準期。未來年均氣溫分別增加5.3%、6.0%、7.3%；未來年均降水量分別增加5.3%、7.6%、10.5%。

(3)相較于基準期，未來通州區地表水資源量總體呈增加趨勢，SSP126、SSP245、SSP585情景下，地表徑流深分別增加2.7%、11.1%、15.9%。

(4)因不同氣候模式之間存在較大不確定性，今后將進一步考慮多模式集合，以及對氣候模式數據進行偏差校正等來減少不確定性。