全球气候变化对加拿大水文极端事件的影响分析

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：全球气候变化将会改变水文极端事件的发生频率及强度已成为国际科学界的共识。根据不同的排放情景，IPCC预测，未来全球气温将再增加1～5℃。由于其地理位置，预计加拿大将会比世界其他地区变暖程度更大。1992年Gan发现，在过去的40年里加拿大西部在1月、3月、4月、5月和6月气温变暖尤其严重。Zhang等人对加拿大数个流域的11个水文变量进行了计算，发现河流水量具有降低趋势，尤其是在8月与9月。

全球气候变化将会改变水文极端事件的发生频率及强度已成为国际科学界的共识。大气中温室气体浓度的增加导致气温增高，气温增高将加快水文循环，同时导致不同于历史记录的水文极端事件的产生。根据政府气候变化专门委员会的报告（IPCC，2001），大气中CO2的浓度已经从1750年的280 ppm增加到了1999年的367 ppm，预计到2050年CO2浓度将达到463～623 ppm，2100年达到470～1099ppm。IPCC进一步指出，全球平均气温在20世纪增加了0.6± 0.2℃，这一增长比过去1000年里任何一个世纪的增长幅度都大。根据不同的排放情景，IPCC预测，未来全球气温将再增加1～5℃。

近几年关于气候变异和变化对河流径流影响的科学文献有很多（如，McKerchar &Henderson，2003；Paturel et al.，2003；Pongracz et al.，2003；Koutsoyiannis，2003；Tate et al.，2004；Kundzewicz，2004；Lindström & Bergström，2004）。气候变化对河流径流的影响，在很大程度上与其对降水的影响相一致（Arnell，1999；Pal et a1.，2004）。在世界不同地区，降水趋势也不尽相同。北半球及高纬度地区的降水（尤其是秋冬季）呈上升趋势，而两个半球的热带及亚热带地区的降水都呈下降趋势。McGuffie等人在1999年预测，气候变暖将导致强降雨的发生频率增加。降水的改变在流域径流方面体现得更加明显。Chiew & McMahon于2002年预测，在潮湿温带气候的澳大利亚流域，河流径流的变化相当于降水变化的2倍。而对于短暂性河流，径流的变化更是超过降水变化的4倍。

在过去10年里，气候变化对水文极端事件的影响已经受到了水文学家的广泛关注。许多研究表明，全球变暖将会增加水文极端事件发生的频率与强度（Kite，1993；Boorman & Sefton，1997；Panagoulia & Dimou，1997；Gellens & Roulin，1998；Saelthun et al.，1998；Mirza et al.，1998；Prudhomme et al.，2003；Meehl & Tebaldi，2004；among others）。根据IPCC 2001年的报告，在全球大部分地区，洪水发生的频率及强度都将增加，而干旱的发生在许多地区有可能减少。气候变化也有可能改变极端径流发生的时间。1999年Cooley指出，空气温度只要改变2～4℃，就会对积雪形成与融化速度产生极大的影响。卫星数据显示，自从20世纪60年代晚期以来，积雪已经减少了10%（IPCC，2001）。事实上，在许多地区，降雪已成为保持水量平衡的一个重要组成部分，并且融雪引起的峰值径流量可能会从春季转移到冬季（Burn，1994；Li & Simonovic，2002；Eckhardt & Ulbrich，2003）。

由于其地理位置，预计加拿大将会比世界其他地区变暖程度更大。根据Lemmen &Warren（2004），加拿大气候的变化程度在国内各地不尽相同，以北极及大草原的中部及南部变暖程度最大。加拿大的气温在过去的1个世纪已经上升了1.1℃（Gullet & Skinner，1992；Koshida & Avis，1998）。加拿大拥有相对丰富的水资源，但是其水资源分布极不均匀，导致加拿大国内的大部分地区都遭遇到诸如洪水、干旱及水质恶化等问题。所以，在加拿大，由于气候变化对其水资源影响的问题是重中之重（Lemmen & Warren，2004）。

在20世纪下半叶，加拿大的气候似乎比过去更加温暖及多雨。1992年Gan发现，在过去的40年里加拿大西部在1月、3月、4月、5月和6月气温变暖尤其严重。Whitfield& Cannon（2000）对比了加拿大数个不同10年的气象数据，结果显示较近的10年气候更加温暖。根据Zhang等人（2000）的研究，加拿大西南地区年平均气温有上升趋势，而东北地区气温表现出下降趋势。降水方面，Zhang等人（2001）发现，加拿大年降水总量有-10%到35%的变化。这些研究人员发现，加拿大冬季降水量有重大下降，东南地区春季降雪量也有下降趋势。Whitfield（2001）发现，加拿大秋季降水量大量减少，而在英属哥伦比亚省和Yukon地区，冬季及春季降水显著增加。

预计加拿大极端降水的频率及强度也会改变。Zwiers & Kharin（1998 ）估计，在CO2增加1倍的情况下，加拿大北部极端降水的重现期将缩短一半。Boer等人（2000）发现，加国境内最大气温变化发生在内陆平原区。Stone等人（2000）也预测，英属哥伦比亚省将从总体上增加大雨频率。

加拿大河流径量也已被广泛研究（cf.Westmacott & Burn，1997；Coulson，1997；Zhang et al.，2001；Burn & Hag Elnur，2002；Whitfield et al.，2002；Morrison et al.，2002；Yue et al.，2003，2004；Burn et al.，2004），其变化与加拿大气候变化大致对应。Westmacott & Burn（1997）发现，在加拿大西部草原地区，5～9月的河流径流量减少与气温的变化紧密联系。Coulson（1997）发现，在英属哥伦比亚北部，年降水量7%～18%的增加，将引起年平均径流量19%～28%的增加。Zhang等人（2001）对加拿大数个流域的11个水文变量进行了计算，发现河流水量具有降低趋势，尤其是在8月与9月。而在3月与4月，却发现水量有增加趋势。Burn & Hag Elnur（2002）对加拿大境内248个流域的18个水文变量进行了研究，发现了巨大的地理性差异，同时表明这些变量在空间上对各流域的影响也不尽相同。Whitfield等人（2002）指出，格鲁吉亚盆地和英属哥伦比亚地区由降水形成的溪流显示出该地区冬季水流量的增加。Morrison et al.（2002）研究了气候变化对弗雷泽河、英属哥伦比亚省的影响。他们发现，河流平均径流量有小幅增加（5%），但是平均河流高峰径流量却大幅下降（18%）。

在加拿大的许多地区，融雪是河流径流的一个重要来源，同时也是洪水的一个重要成因。Burn（1994）发现，融雪洪水在加拿大的中西部发生时间呈提前趋势。根据Brugman等人发现（1997），如果CO2增加1倍，南英属哥伦比亚的夏末积雪线将上升到300m。在这种情况下，将仅有不到30%的冰川表面有积雪覆盖，从而加快冰雪融化。Mote（2003）明确证明气候变暖导致积雪量下降，自从1950年已下降了30%，特别是在春季和位于低海拔的乔治亚盆地（Georgia Basin）——普吉特海峡地区。Fleming & Clarke（2003）发现Yukon地区西南部和英属哥伦比亚西北部的冰川灌溉河流，年平均流量每年都有增加。Whitfield（2001）对最近的气候变暖导致英属哥伦比亚中南部地区的水文变化进行了研究。他发现，由融雪形成的径流开始时间提前，晚夏及早秋的径流变小，早冬的水流则呈增大趋势。Leith & Whitfield（1998）、Cannon & Whitfield（2001）和Cunderlik & Burn（2002）发现，英属哥伦比亚地区的洪水期及枯水期的改变导致了夏季融雪水流的减少及春季融雪水流的增加。由于春季气候变暖导致春季洪水的提前，在Hudson海湾地区（Gagnon & Gough，2002）及努纳武特地区（Spence，2002）也得到了证实。

对水文极端事件发生频率的影响，也许才是气候变化引起的最重要的结果（Beven，1993；Jones，1999）。Kite（1993）指出，在英属哥伦比亚省的落基山地区，河流最大流量的增加与极端降水事件的增加趋势完全一致。Loukas & Quick（1999）和Loukas et al.（2002）对英属哥伦比亚省的两个位于不同气候带的山区流域受气候变化影响的情况进行了研究。结果表明，洪水的总体规模与发生频率在沿海盆地增加，而在内陆盆地减少。Roy et al.（2001）研究了气候变化对魁北克境内城堡盖（Châteauguay）河流域春秋季洪水的影响。结果显示，如果未来气候发生变化，将可能会对该流域径流量、最大流量及水位造成巨大的影响。Whitfield et al.（2003）发现，其研究的所有英属哥伦比亚省境内乔治亚盆地（Georgia Basin）的河流，洪水发生频率都有增加。Weston等人（2003）的研究表明，位于温哥华岛的Englishman河的年最大流量到2020年将增加8%，到2050年增加14%，2080年增加17%。Cunderlik & Burn（2004）发现，英属哥伦比亚省的河流最大径流量在春季呈增长趋势，而在秋季有所下降。

据预测，在多数的未来气候情景下，加拿大的干旱也将变得更加严重。Yulianti &Burn（1998）对加拿大西部平原77条河流在枯季受气候影响的情况进行了研究，结果表明，这些河流的枯季水流量有下降趋势。Hengeveld（2000）预测，干旱的发生会更加频繁。2001年的旱灾对加拿大经济与社会都产生了深远的影响，许多地区都遇到了有史以来最小的夏季降水量（Lemmen & Warren，2004）。2001年北美5大湖的水位为30多年来最低（Mitchell，2002）。无霜期时间更长，干旱的发生频率增加，这是因为河湖无冰季节的延长会增加水量蒸发（Environment Canada，2004）。

大部分水文研究都采用所谓的“影响分析方法”（impact approach），分析未来气候变化对河川径流的影响。这种影响分析方法一般分为3步（IPCC，2001）：①使用水文气象观测数据校准和验证水文模型；②利用大气环流模式（GCM）模拟推导出的一系列增量，结合观测到的气象数据推导出气候变化情景；③在新的气候情景下运行该模型，通过模拟结果与基线进行对比分析。本论文的主要目的，就是要使用影响分析法，研究加拿大安大略湖西南地区人口稠密、城市化程度高的流域，气候变化对水文极端事件发生时间及强度产生的影响。研究中采用一个天气发生器，结合全球大气环流模式（GCM）模拟了一系列未来气候情景，使用这些气候情景来扰动被研究流域的半分布式水文模型的参数。以下介绍该天气发生器及水文模型和案例的研究结果，论文最后对整个研究进行了总结。

全球气候变化对加拿大水文极端事件的影响分析

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