气候变化对西北水循环和水资源影响的研究

'第8卷第1期2003年3月气候与环境研究ClimaticandEnvironmentalResearch气候变化对西北水循环和水资源影响的研究王守荣1)郑水红1)程磊2)1)(国家气候中心,北京100081)2)(中国气象局总体规划研究设计室,北京100081)Vol18No11Mar12003摘要西北地区全年水汽总输入为106119mm,但只有1414%形成降水,8516%成为过境水汽直接穿过该地区上空出境,水汽净输入量仅为3111mm。西北地区降水分布很不均匀,内陆河地区多年平均降水量大于300mm的都是高山带,而平原盆地的降水量多在150mm以下,内陆河流域多年平均径流深仅有618mm。西北水循环最突出的特点是径流系数小于蒸发系数,而干旱指数Ep/P(Ep:蒸发能力,P:降水)十分大,介于4～10之间。未来30年黄河及其以北地区气温平均升高210℃(HD模式)或2138℃(MPI模式),黄河以南地区气候平均升高118℃(HD模式)或115℃(MPI模式),内陆河流域气温升高可能分别达到311℃(HD模式)或115℃(MPI模式)。据MPI模式结果,未来30年黄河及其以北地区降水量平均增加116%,而黄河以南地区降水量平均增加1114%,干旱少雨的内陆河地区降水量可能减少7%以上;黄河及内陆河地区的蒸发量将可能增大15%左右,西北区地表径流量的变化范围预计为751～1017亿m3。气候变化使得该地区天然径流减少,水资源供需矛盾将更加突出。关键词:气候变化;水循环;水资源;模拟和预测;蒸发1引言西北地区深居欧亚大陆腹地,气候干燥少雨,区内沙漠遍布,植被稀疏,生态环境极为脆弱,对气候变化十分敏感。随着人口增加和不合理的开发利用,使原本脆弱的生态环境进一步恶化,对气候变化更为敏感。在西部生态系统中,水循环与水资源问题至关重要。西北地区降水量较小,且降水主要集中在几大山区,内陆河径流有限,是我国水资源最为紧缺的地区,资源性缺水非常突出。有水则绿洲,无水则荒漠,水资源已成为西北地区可持续发展的瓶颈问题。国家实施西部大开发战略,将生态环境保护和建设作为重要切入点。对于西北地区而言,其首要任务是研究该地区水循环、水资源状况及其变化趋势,并适应气候变化情景制定水资源合理开发利用战略。水文循环与水资源变化与气候条件紧密相联,水气相互作用是气候系统的基本特征之一。气候变化影响区域降水量、降水分布和流域产流量,会引起水资源侧支循环(水资源供需)的变化,从而影响水资源的可持续利用。据IPCC和“中国西部环境演变评估”研[1]究成果,近百年来中国西部气候的暖干化趋势明显,尤其最近50年,在气候变化和人类活动的双重影响下,生态环境进一步恶化,引发了水资源紧缺、水土流失、冰川萎缩、河川断流等一系列水资源环境恶化问题。未来50年,西部地区气候有继续变暖的趋势,降水量虽可能有所增加,但气候变暖会导致蒸发量明显增加,其结果是水资源总量减少,需求增加,供需矛盾加剧。因此,进一步研究西北地区气候变 44气候与环境研究8卷化背景下水资源变化规律,揭示气候变化与水文、水资源以及生态环境变化之间的关系,分析水循环演变特征,评估未来西北气候变化对西部各流域水文、水资源的影响,具有重要的科学价值和应用前景。2西北地区水循环特征211西北地区水循环概述西北地区远离海洋,终年盛行西风气流,东亚季风只能影响到其东部边缘陕、甘、宁及内蒙古地区。近于东西走向的天山、阿尔泰山、帕米尔高原等构成屏障,使塔里木盆地、准噶尔盆地成为十分干旱的闭塞盆地。不同地区有不同的水汽源:来自大西洋和北冰洋的水汽从北疆西部的缺口进入,为北疆山地迎风坡的降水及高山冰川的发育创造了条件;南疆上空的水汽来自阿拉伯海,西北地区东部则是由西南风输送来的孟加拉湾水汽[2]。图1为1983年中国大陆各区域水文循环概念模型[3]。以图1f为例,西北地区全年水汽总输入为106119mm,但只有1414%形成降水,8516%成为过境水汽直接穿过该地区上空出境。流出该地区的水汽为103818mm,水汽净输入量为3111mm。年降水量为16416mm,其中入境水汽降水量为15418mm,境内蒸发形成的降水量为918mm。年蒸发量为13315mm,其中有12317mm流出境外。境内水汽净输入量即为径流深,全年累积为3111mm。内陆河水系位于西北干旱区,其水循环特征与整个西北地区的平均状态有很大差异。内陆河从源头至尾闾一般要流经两个性质完全不同的径流区,即径流形成区(山区)和径流散失区(沙漠)。河流下泄过程中经过河水—地下水—河水的转化,最后由于失去补给,消失在沙漠中。祁连山、昆仑山、天山等各大山系是内陆河发源地,也是绿洲的屏障。降水集中在高山迎风坡,其中天山迎风坡面年均降水量达200～400mm,个别山地高达600～800mm,祁连山为300～400mm,是盆地降水量的10～20倍。据有关研究结果,内陆河流域多年平均径流深仅有618mm[4]。212西北降水、蒸发、径流时空分布21211降水西北地区降水分布很不均匀。内陆河地区为典型的大陆性气候,多年平均降水量大于300mm的都是高山带,而平原盆地的降水量多在150mm以下。北疆盆地年降水量100～200mm,南疆盆地不足50mm,若羌一带约20mm,哈密北部戈壁不足15mm,吐鲁番盆地小于10mm,河西走廊西部不足50mm,阿拉善地区东部在100mm左右。降水年内分布不均,5～8月或6～9月降水占全年50%～80%,在盆地不足50mm,主要由几场暴雨引起。黄河流域降水东南多,西北少,山区多于平原。有3个明显降水地带:同德至同仁、兰州、会宁、靖边、榆林、府谷一线以南和湟水上中游地区年降水量在400～800mm之间;此线以北与景泰、中宁、临河等地之间,以及玛多以西地区在200～400mm之间;其余地区在200mm以下。年内降水分配极不均匀,60%～80%集中在6～9月份,最大降水量出现在7、8月份,最小月降水量出现在1月和12月份。[5]21212蒸发内陆河地区水面蒸发的空间分布与降水量相反,高山小于平地,盆地周边小于盆 1期王守荣等:气候变化对西北水循环和水资源影响的研究45图1中国大陆各区域水文循环概念模型(1983年)[3](a)东北区;(b)华南区;(c)长江区;(d)西南区;(e)华北区;(f)西北区地腹心;水面蒸发随地面抬升而衰减。最大的水面蒸发位于新疆伊吾县和内蒙古居延海一带,可高达2200～2400mm。黄河流域水面蒸发的地区分布为:青海高原和石山林区为800mm以下;兰州至河口镇区间(包括鄂尔多斯高原内流区)为1470mm;河口镇至龙门区间,大部分地区在1000～1400mm之间;龙门至三门峡区间在900～1200mm之间[5]。21213径流内陆河山区为年径流高值区。天山,阿尔泰山,喀喇昆仑山年径流深为200～600mm,昆仑山150～400mm;祁连山东段200～400mm。年径流小于5mm的干涸地带有:内蒙古中西部、河西走廊、柴达木盆地、准噶尔盆地、塔里木盆地、吐鲁番盆地和哈密盆地等。广阔的沙漠腹地基本无地表径流,然而埋深浅的沙漠地下水可溢出形成湿地及小海子,成为沙漠地区地表水资源的一种重要表现形式。通常用年径流的变差系数Cv值反映年径流多年变化特性。冰川融水补给比重大的河流,由于冰川和积雪对径流具有年际调节作用Cv值较小。内陆河流域天山西段和祁连山区Cv值最小,在0120左右;阿尔泰山、天山东段在0130～0150之间;内蒙古东部、柴达木盆地在0160左右;塔里木盆地、准噶尔盆地在0180以上;内蒙古高原西部一般大于110,最大可达1120以上,是内陆河Cv值最大的地区。以冰雪融水补给为主的内陆河,径流主要集中于7、8月份。以地下水补给为主的一些内陆河流域,除冬季因结冰水量较少外,其余各月径流量比较均匀[5]。表1给出了西北地区主要内陆河及外流河的降水、径流、径流系数与蒸发系数。西北水循环最突出的特点是径流系数小于蒸发系数,而干旱指数Ep/P(Ep:蒸发能力,P:降水)十分大,介于4～10之间。 46气候与环境研究8卷表1西北地区P、R、R/P、E/P的流域特征内蒙古西部河西准噶尔中亚细亚塔里木河青海(部分)羌塘额尔齐斯河计算面积(km2)30806748870831653003130107481031928672118252730年降水量(mm)254123168468102138170394年径流深(mm)3181410391520712321322173411190R/P0101011101230144013201160120148E/P0199018901770156016801840180152注:P为降水,R为径流,E为蒸发3未来30年西部各流域气候变化情景用英国Hadley研究中心HD模式和德国MaxPlanck研究所的MPI模式模拟2030年气候变化情景,其结果表明,2030年中国各流域年平均气温将升高114～311℃(表2)。其中黄河及其以北地区气温平均增高210℃(HD)或2138℃(MPI),黄河以南北区气候平均增高118℃(HD)或115℃(MPI),黑龙江及内陆河流域气温升高可能分别达到311℃或115℃(MPI),可见受温室效应的影响,未来30年中国北方温度增幅较南方为大,气候变暖更加明显,南北温差有缩小的趋势。表2中国各流域2030年气温变化情景℃流域模式1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月年均珠江HD219119212113115216211113210119118115119MPI118112111012211119018210111112117118114浙闽诸河HD210115112113114113114115112117210115115MPI116115114117110113113113117112118212115汉江HD313211213115116210118114118119211117210MPI211112112012210213011117116112210118115赣江HD116214211114117119116116114114117217118MPI116115114117019113115114119112119214116淮河HD2181192111121152162111131192118115119MPI211411201221120182116112117118115黄河HD2162112121141161171191182118212211210MPI218118119116119213114212212211311313212海河滦河HD210112215018114210115116212211213114118MPI214211115115214116112115119119118115118内陆河HD118111119112119214213310216210213112210MPI315215211116219216217312217217215310217辽河HD2172173113117116116114119118214211210MPI3152191172212116114116211119213213211黑龙江HD311212216214114112113115116115315219211MPI519411411214213211114116211217314415311中国各流域代表站的降水量变化情景参见表3。从HD模式看,未来全国南北方平均降水量变化差异不大。但从MPI模式来看,预测未来30年我国各流域降水量变化范围为-711%～1219%,其中黄河及其以北地区降水量平均增加116%,而黄河以南地 1期王守荣等:气候变化对西北水循环和水资源影响的研究47区降水量年平均增加1114%,亦即中国南方降水量增幅明显高于北方。干旱少雨的内陆河地区降水量可能减少7%以上,而珠江、汉江、赣江和淮河流域的降水量增幅都在10%以上,其中6～9月份的降水量增高达到1117%～2011%;汉江流域的降水量增幅有可能达到17%,而且6～9月份的降水量增幅达到2011%。综上所述,受温室效应的影响,未来30年中国北方温度增幅较南方为大,气候变暖更加明显,南北温差有缩小趋势;中国南方降水量增幅明显高于北方,干旱少雨的西北和内陆降水量可能减少7%以上。表3中国各流域2030年降水变化情景%流域模式1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月年均HD37183718718718718-510-510-5102710271027103718719珠江MPI2814281410121012101281281281222182218221828141216浙闽HD710710181118111811131813181318-2212-2212-2212710915诸河MPI417417413413413110110110131913191319417415HD518518-414-414-414510510510171217121712518710汉江MPI2115211541141141120122012201219161916191621151710HD115115131613161316312312312-511-511-511115517赣江MPI6166168138138131014101410141715171517156161012HD37183718718718718-510-510-5102710271027103718710淮河MPI2916291610101010101071971971923122312231229161219HD461046101111111111181181182416241624164610812黄河MPI25112511917917917-418-418-4182192192192511012海河HD341734171414141414145145145143183183183417719滦河MPI35153515-517-517-5175125125121310131013103515515HD1519151914131413141313171317131724142414241415191517内陆河MPI37113711-811-811-811-1712-1712-17122315231523153711-711HD251925199169169167107107101010101010102519817辽河MPI12151215818818818-115-115-115-013-013-0131215110HD415415314314314213213213717717717415315黑龙江MPI18151815515515515216216216-1010-1010-101018151124未来气候变化对西北水资源的影响评估411对蒸发的影响据HD和MPI模式结果,在气候变暖的背景下,到2030年,中国年平均蒸发将增大3%～1511%(表4),其中黄河及内陆河地区的蒸发量将可能增加15%左右(MPI模式),超过降水增加的幅度,这意味着水资源总量将会减少,应该引起充分重视。表42030年我国各流域蒸发变化预测%流域珠江浙闽诸河汉江赣江淮河黄河海河滦河内陆河辽河黑龙江HDMPI41031131031031831131531351641813101418121551161015116166108161115412对年径流影响据7个GCM模拟结果,气候变暖将使西部山区积雪持续时间缩短,冰川后退,春 48气候与环境研究8卷季径流增加,随着冰川与积雪融化补给的减少,径流年际变化将加大,地表水径流量的变化范围预计为751～1017亿m3。据7个GCM对新疆天山北坡河川径流和土壤湿度的模拟结果,除MPI模式外,流域的径流和土壤湿度皆减少。年径流减少5%～26%,年土壤湿度减少6%～20%。就7个模式平均而言,夏季径流减少1013%,远大于冬季的014%[5]。用HD和MPI模式得出的气候变化对中国2030年天然年径流量的影响分别见图2和图4。HD情景预测结果(图2)表明,到2030年,东北地区的嫩江、松花江干流、乌苏里江、绥芬河等流域天然径流减少17111%～21173%。全国大部分流域的天然径流为增加的趋势,其中辽河、黄河流域的河口镇—三门峡区间、洞庭湖水系、粤西沿海诸河、闽东及闽南诸河天然径流将可能增加11164%～14164%,洪水灾害可能加剧。尤其是辽河流域和闽江流域汛期6～8月份的径流可能增加913%和1819%,闽江流域的最大径流量可能增加23%(图3)。图32030年我国各流域6～8月径流量变化预测MPI情景的结果(图4)表明,淮河流域片各流域的天然径流量将可能增大2118%～3211%,汛期6～8月份的径流可能增加1417%;汉江水系、鄱阳湖水系、长江中下游以及珠江流域片的左江、北江、东江、广东沿海诸河天然径流量将可能增大1217%～1917%,汛期6～8月份的径流可能增加917%～2114%。以上流域洪水的威胁进一步加大。东北诸河除图门江、鸭绿江径流可能增大约11%外,其余各流域天然径流量将可能减少0124%～811%。黄河流域天然径流减幅较大,其中中上游减少517%～815%,河口镇至花园口区间减少1216%～2019%,黄河内流区减少24%。内陆河流域的青海内陆河、河西内陆河及奇普恰普河天然径流量将可能减少22%～4813%。此外,内陆河流域最大月径流将减少2318%(图5)。可见到2030年,干旱少雨的内陆河地区以及水资源矛盾十分突出的黄河流域,由于气候变化使得天然径流减少,水资源供需矛盾将更加尖锐。 1期王守荣等:气候变化对西北水循环和水资源影响的研究49 50气候与环境研究8卷图52030年中国各流域最大月径流变化预测5结论(1)西北区全年水汽总输入为106119mm,但只有1414%形成降水,8516%成为过境水汽直接穿过该地区上空出境。流出该地区的水汽为103818mm,水汽净输入量3111mm。西北地区降水分布很不均匀。内陆河地区为典型的大陆性气候,多年平均降水量大于300mm的都是高山带,而平原盆地的降水量多在150mm以下,内陆河流域多年平均径流深仅有618mm。西北水循环最突出的特点是径流系数小于蒸发系数,而干旱指数Ep/P十分大,介于4～10之间。(2)受温室效应的影响,未来30年中国北方温度增幅较南方为大,气候变暖更加明显,南北温差有缩小趋势。黄河及其以北地区气温平均升高210℃(HD)或2138℃(MPI),黄河以南北区气候平均升高118℃(HD)或115℃(MPI),内陆河流域气温升高可能分别达到311℃(HD)或115℃(MPI)。据HD模拟结果,未来中国南北方平均降水量变化差异不大。但从MPI模拟结果看,未来30年全国各流域降水量变化范围为-711%～1219%,其中黄河及其以北地区降水量平均增加116%,而黄河以南地区降水量年平均增加1114%,亦即中国南方降水量增幅明显高于北方。干旱少雨的内陆河地区降水量可能减少7%以上。(3)据7个GCM模拟结果,气候变暖将使西部山区积雪持续时间缩短,冰川后退,春季径流增加,随着冰川与积雪融化补给的减少,径流年际变化将加大,地表水径流量的变化范围预计为751～1017亿m3。到2030年,全国年平均蒸发将增大3%～1511%,其中黄河及内陆河地区的蒸发量将可能增大15%左右。据MPI模拟结果,未来黄河流域天然径流减幅较大,其中中上游减少517%～815%,河口镇至花园口区间减少1216%～2019%,黄河内流区减少24%。内陆河流域的青海内陆河、河西内陆河及奇普恰普河天然径流量将可能减少22%～4813%。到2030年,干旱少雨的内陆河地 1期王守荣等:气候变化对西北水循环和水资源影响的研究51区以及水资源矛盾十分突出的黄河流域,由于气候变化使得天然径流的减少,水资源供需矛盾将更加尖锐。致谢感谢刘春蓁研究员的大力指导和帮助,感谢英爱文研究员为本研究提供了大量资料。参考文献1秦大河,中国西部环境演变评估,综合卷,北京:科学出版社,2002,80pp12丁一汇、王守荣,中国西北地区气候与生态环境概论,北京:气象出版社,2001,101～10513刘国纬,水文循环的大气过程,北京:科学出版社,1997,222pp14丁一汇,中国西部环境演变评估,第二卷,北京:科学出版社,2002,51～5215何新林、郭生练,气候变化对新疆玛纳斯河流域水文水资源的影响,水科学进展,1998,9(1),77～831StudiesonImpactsofClimateChangeonWaterCycleandWaterResourcesinNorthwestChinaWangShourong1)ZhengShuihong1),andChengLei2)1)(NationalClimateCenter,Beijing100081)2)(InstituteofStrategicDevelopmentandOverallPlanning,Beijing100081)AbstractAnnualwatervaporimportinNorthwestChinaisabout106119mm,butonly1414%becomesprecipitation,while8516%flowsouttheregion1Asaresult,theaveragerunoffisonlyabout3111mm1Pre2cipitationdistributionisquitedifferentfromplacetoplaceinNorthwestChina1Ininlandriverbasins,annualprecipitationmorethan300mmappearsonlyinthehighmountainareas1Inmostplainareas,however,an2nualprecipitationisbelow150mm,andannualrunoffisaslowas618mm1Theprominentfeatureofhydro2logicalcycleinNorthwestChinaisthatmostprecipitationbecomesvaporinsteadofrunoff,andthedroughtratio,Ep/P(Ep:evaporativepower,P:precipitation),isashighas4～101AccordingtoGCMsout2puts,tothenorthernpartoftheYellowRiver,annualmeantemperaturewillriseby210℃(HD)or2138℃(MPI)by2030,comparedto118℃(HD)or115℃(MPI)tothesouthernpart1Ininlandriverbasins,temperaturewillriseby210℃(HD)or2138℃(MPI)1IntermsoftheMPIsimulations,annualmeanprecipitationwillincreaseby116%tothenorthernpartoftheYellowRiver,1114%tothesouthernpart,7%ininlandriverbasins1AnnualmeanevaporationintheYellowRiverandinlandriverbasinswillincreasebyabout15%1TotalstreamflowinNorthwestChinawilldecreasebyabout(751～1017)×108m3underglobalwarmingscenarios,whichindicatesthatwatershortagewouldbesevererinfutureinthatregion1Keywords:climatechange;watercycle;waterresources;modelingandpredicting;evaporation'