气候变化对海河流域水文特性的影响2022年3月水利学报SHUILIXUEBAO第36卷第3期收稿日期:2022209220基金项目:国家自然科学基金项目(90411007)作者简介:袁飞(1979-),男,江苏南京人,博士生,主要从事水文学及水资源方面的研究。:055929350(2022)0320274206气候变化对海河流域水文特性的影响袁飞1,谢正辉2,任立良1,黄琼1(11河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京210098;21中国科学院大气物理研究所,北京100029)摘要:本文应用大尺度陆面水文模型———可变下渗能力模型VIC(VariableInfiltrationCapacity)与区域气候变化影响研究模型PRECIS(ProvidingRegionalClimateforImpactsStudies)耦合,对气候变化情景下海河流域水资源的变化趋势进行预测。结果表明:未来气候情景下,即使海河流域降水量增加,年平均径流量仍将可能减少,预示海河流域的水资源将十分短缺;若考虑21世纪人口增长因素,海河流域的水资源形势将更加严峻;未来气候情景下,汛期的径流量增加,说明海河流域发生洪水的可能性将增大。关键词:VIC模型;气候变化;区域气候模型:径流:P333文献标识码:A气候变化不仅影响着水文、生物和生态系统,还影响着经济、生活,因此未来气候变化引起的效应对地区、国家甚至全球的可持续发展具有举足轻重的重要性。水文学家和气象学家认为模拟水文气象要素对于深刻理解流域尺度的水文循环和水资源管理至关重要[1]。目前众多学者研制了许多水文模型,用于研究未来气候变化对水文水资源的影响,如SLURP模型、HBV模型、Macro2PDM模型等[2]。本文应用大尺度陆面水文模型———可变下渗能力模型VIC(VaiableInfiltraionCapacity)与区域气候变化影响研究模型PRECIS(ProvidingRegionalClimateforImpactsStudies)耦合,对气候变化情景下海河流域水资源的变化趋势进行预测。1VIC模型图1海河流域地理位置及河网水系111研究区概况如图1所示,海河流域位于华北地区。华北地区是我国政治、经济和文化的中心。华北平原2000年人口4137亿,占全国3418%;GDP3113万亿元,占全国3213%;农业灌溉面积0123亿hm2,占全国42%。但是,它也是我国水资源供需矛盾十分突出的地区。海河流域多年平均水资源总量约为419亿m3,人均水资源占有量仅为335m3,不足全国的1/6,世界的1/24[3]。水资源的短缺不仅影响国民经济发展,而且还导致华北地区尤其是海河流域严重的生态环境问题,如山区来水大量减少,水资源量衰减严重,地下水过量开采,部分地区已经枯竭,河道断流,功能丧失,水污染严重等[4]。112模型简介Liang等[5]于1994年提出了具有两层土壤的VIC-2L模型。该模型考虑了大气-植被-土壤之间的物理交换过程,反映了土壤、植被、大气之间的水热状态变化和水热传输该模型采用上层土壤表示土壤对降雨过程的动态影响,采用下层土壤描述土壤含水量的季节特性。VIC-2L采用空气动力学方法计算感热和潜热通量,应用概念性的ARNO基流模型[6,7]模拟下层士壤产生的基流。为更好地描述表层士壤的动态变化,Liang又将VIC-2L上层分出一个011m的顶薄层,而成为3层,称为VIC-3L[8]。同时VIC-3L模型还考虑了三层土壤层间水分的扩散。之后,Liang和Xie[9]发展了一种用来研究区域气候和通用环流模型GCM的新的地表径流参数化方法,它可以在一个计算单元网格内动态表示Horton和Dunne产流机制,同时考虑了土壤和降雨空间分布不均匀性对Horton和Dunne产流的影响,并用于VIC-3L。本文采用VIC-3L模型在覆盖海河流域的0125°×0125°网格上进行径流模拟。VIC模型需要三类数据信息,即植被参数、土壤参数和大气强迫资料。本研究中,覆盖海河流域的植被、土壤和大气强迫资料均采用0125°×0125°分辨率。各数据集按后述方法准备。113植被参数本研究采用的植被分类资料是美国Maryland大学发展的UMD全球30sec土地覆盖数据[10]。对于每一种植被类型需要标定的参数有:结构阻抗、最小气孔阻抗、叶面指数、反照率、粗糙高度、零平面位移及根区在每一层土壤所占的比例,这些参数的确定主要根据陆面数据同化系统LDAS(LandDataAssimilationSystem)。LDAS是美国国家航空和宇宙航行局NASA为提高数值天气预报模型再分析能力和预报精度而研制的数据同化系统,该系统中植被参数分别参考了国际地圈...