气候变化的水文水资源效应研究进展 Review on the Impact of Climate Change on Features of Hydrology and Water Resources

doi:10.12677/CCRL.2012.13012

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Climate Change Research Letters 气候变化研究快报, 2012, 1, 96-105

http://dx.doi.org/10.12677/ccrl.2012.13012 Published Online October 2012 (http://www.hanspub.org/journal/ccrl.html)

Review on the Impact of Climate Change on Features of

Hydrology and Water Resources*

Xiaohong Chen1,2, Chunyan Fang1,2, Yun Zhang1,2

1Center for Water Resources and Environment, Sun Yat-sen University, Guangzhou

2Key Laboratory of Water Cycle and Water Security in Southern China of Guangdong Higher Education Institutes,

Sun Yat-sen University, Guangzhou

Email: eescxh@mail.sysu.edu.cn

Received: Jun. 25th, 2012; revised: Jul. 20th, 2012; accepted: Jul. 29th, 2012

Abstract: Climate change causes significant variation of hydrological and water resources system. A lot of achieve-

ments have been found in the research of responses of water resources to climate change in recent years. This paper

aims to review the researches of impact of climate change on water resources and hydrology in two aspects, contents

and approaches. The impacts covered in this paper include 1) responses of hydrological system to climate change, 2)

impact of climate change on vulnerability and management of water resources systems, and 3) extreme hydrological

events as flood and drought caused by climate change. Approaches for revealing the effects of climate change on water

resources and hydrology are also discussed. Shortcomings of the present research are investigated. Key topics for future

research in the field of impact of climate change on water system are put forward.

Keywords: Climate Change; Impact; Water Resources; Approaches; Revi ew

气候变化的水文水资源效应研究进展*

陈晓宏 1,2，房春艳 1,2，张云1,2

1中山大学，水资源与环境研究中心，广州

2中山大学，华南地区水循环和水安全广东普通高校重点实验室，广州

Email: eescxh@mail.sysu.edu.cn

收稿日期：2012 年6月25 日；修回日期：2012 年7月20 日；录用日期：2012 年7月29 日

摘要：气候变化对水循环及其伴生过程的影响日趋明显，所引起的水文水资源效应已成为全球普遍关注的科

学、经济、社会、政治和环境问题。针对该问题，从水文要素时空变化趋势分析、气候变化情景下水文要素影

响模型模拟、敏感性和脆弱性、不确定性、对水安全综合影响(含极端水文事件)及适应性对策等方面对研究内容

进行了回顾，综述了研究所采用的统计分析、成因分析、情景假设及降尺度、模型模拟、多模型耦合等方法和

技术，并指出了存在的问题。最后提出数据监测体系建设、尺度降解技术、双向耦合模型、对水循环全过程及

水安全综合影响评价、人类活动与气候变化影响的识别和贡献分解、无资料地区影响评价、涉水工程影响风险

评价、适应性对策效益分析等研究，将是该领域未来研究重点。

关键词：气候变化；水文水资源；影响评价；水文模型；综述

1. 引言

水资源是世界经济可持续发展、人类社会进步和

生态环境良性循环最基本的物质支撑条件。随着全球

工业化及经济的高速发展，全球气候变化问题已成为

*基金项目：国家自然科学基金重点项目(50839005)；中英瑞气候变化适应项目广东气候变化风险评估及适应对策研究(ACCC/20100705-1)；

广东省水利科技创新项目；中山大学重大项目培育和新兴交叉学科项目(10lgzd11)。

气候变化的水文水资源效应研究进展

当今世界各国共同面对的重大环境课题之一，全球气

候变化对水循环要素的影响，必然导致水资源在时空上

的重新分配。近几十年来，气候变化对水循环及其伴生

过程影响日趋明显，所引起的水文水资源效应已成为全

球会普遍关注的科学、经济、社会、政治和环境问题。

气候变化的水文水资源效应研究主要通过研究

全球气候变暖所引起的一定尺度范围内气温、降水、

蒸发等气象要素变化来分析和预测径流的增减趋势

及其对未来水安全的影响，目前研究内容主要包括：

不同空间和时间尺度气候变化下水文要素变化趋势

及演变机理分析、不同气候变化情景下水文要素影响

模拟及定量评估、水资源系统对气候变化的敏感性和

脆弱性分析、气候变化下水文水资源效应评价的不确

定性分析、气候变化对水安全综合影响分析及适应性

对策研究等内容。自从 20 世纪 70 年代以来一些国际

组织在该领域开展了大量的研究工作，如世界气候影

响计划(WCIP)、全球能量和水循环试验(GEWEX)、

国际水文计划(IHP)、全球水系统计划(GWSP)等，均

涉及到气候变化与水的相关问题；联合国政府间气候

变化专门委员会(IPCC)已完成四次评估报告，气候变

化与水问题的研究是其核心议题之一。我国从 20 世

纪80 年代开始开展了气候变化对我国水文水资源影

响的系统研究，如已经实施或正在实施的气候变化对

西北华北水资源的影响、气候异常对我国水资源及水

分循环影响的评估模型研究、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、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、气候变化对水资源与生态安全的影响及其适

应对策、变化环境下工程水文计算的理论与方法等课

题。总体来说，国内外专家学者在该领域取得了很大

的进展，但仍然存在较多的问题有待进一步深入研究。

本文主要从气候变化的水文水资源效应研究的

主要内容及采用的技术方法两个方面综述已有的研

究成果，同时提出目前研究存在的难点问题，并在此

基础上结合未来经济社会发展和生态环境保护实际

需求，对该领域部分研究方向进行展望。

2. 主要研究内容

2.1. 气候变化下水文要素时空变化趋势及演变

机理分析

通过对水文气象等要素(如日照、降水、蒸发、风

速、温度、雪盖、陆冰、海冰、流量等)长系列实测数

据进行数理统计学方面的系统分析，揭示全球气候变

化下不同空间和时间尺度下水循环要素变化趋势，并

根据各要素之间相关性分析，并结合水循环系统的演

变机理对变化趋势和影响进行合理的分析和解释。该

方面研究工作主要在历史变化规律统计分析和未来

变化趋势分析。

研究之初期，主要是在确定了气温和降水的组合

方案的基础上用年径流和年平均气温的经验相关曲

线来推测径流量的变化[1]。Stockton[2]建立了降水、气

温和径流之间的经验关系，并以此来评价气温、降水

变化对水文因子的影响。McCabe[3]通过对美国特拉华

流域的季节径流和土壤含水量的研究，得出流域北部

积雪的减少和蒸散发的增加，将改变径流的年内分配

规律并减少现有的可用水资源量。Mimikou 等[4]研究

气候变化下的山区积雪和具有保水特征的地中海地

区融雪变化，研究结果表明积雪积累与融化是流域水

量平衡对气候变化响应的最重要和决定性因素。Smith

等[5]分析了气候波动对水文和水资源的影响，研究发

现气候的波动导致的水文系统的变化，发现在持续的

较为湿润时期，河川径流量、地下水位、洪水位和洪

水频率以及土壤侵蚀等变化更为明显些。国内在此方

面也开展了大量的研究工作。沈大军和刘昌明[6]从降

水、蒸发、径流和土壤水分、供水、需水及水资源管

理等方面论述了水资源系统对气候变化的响应。魏智

[7]通过黄河源区气温、降水观测资料，分析了气候变

化对水资源的影响，并预测影响水资源因素的变化趋

势。研究得出，源区气温呈上升趋势，而降水量呈下

降趋势；黄河源区水资源量可能出现“短期增加，长

期减少”的局面。朱燕君[8]利用 1951~1999 年近百个

站点的温度、降水资料，对黄河流域近 50a 来温度、

降水的气候特征进行了分析；根据 1920~1999 年近 40

个站点的温度和降水资料，讨论了温度、降水与黄河

断流的关系。刘燕[9]以黄河第一大支流渭河流域为研

究对象，基于长期水文观测资料，就不同时间尺度(包

括月、年、10 年等)降水特征及其变化规律进行了分

析，并探讨流域水资源变化的动因，指出降水减少是

渭河流域水资源减少的最直接、最主要的原因。刘昌

明[10]根据黄河干流主要水文站近 50 年来观测资料，

定量分析得出黄河干流实际来水量不断减少的原因

主要是气候变化的影响。姚玉璧[11]利用黄河首曲气候

气候变化的水文水资源效应研究进展

资料和黄河上游年径流量资料以及黄河下游断流资

料，分析了黄河首曲气候变化特征、气候变化对径流

量的影响及气候变化与黄河下游断流的关系，结果表

明，黄河首曲大部分区域降水量年际变化呈下降趋

势，气温年际变化呈上升趋势；降水量年际波动曲线

与径流量年际波动基本一致；黄河上游关键区、敏感

区气候变化对黄河水资源的影响重大。黄荣辉[12]利用

我国气象观测站1951~2000 年降水、气温资料以及黄

河上游有关水文测站 1960~2003 年的径流资料，分析

了黄河上游和源区气候的年代际变化及其对径流变

化的影响及黄河上游径流变化对华北水资源的影响，

分析结果表明：黄河上游径流的减少是 20 世纪 90 年

代黄河下游流量锐减、黄河断流天数增多的重要原

因，并表明了黄河上游来水量的多少是影响华北地区

水资源的重要原因。马荣田[13]利用晋中市近 49 年的

水文气象资料，对气温、降水的变化特征以及由此引

起的水资源量的变化进行了统计分析，结果表明，年

平均气温整体呈上升趋势，降水量的变化呈减少趋

势，水资源总量、地下水、河川径流量呈减少趋势，

与降水的变化具有明显的一致性。李国军[14]利用黄河

上游重要水源补给区玛曲县气温、降水资料分析得

出，气温年际变化呈上升趋势，降水量年际变化呈下

降趋势；气候变化可能导致蒸发量增加，可利用水资

源量减少。朱利等[15]研究了汉江流域径流及实际蒸发

的响应，指出汉江流域降水的变化对水资源的影响要

大于气温的变化对水资源的影响。

2.2. 不同气候变化情景下水文要素影响模拟及

定量评估方面

结合全球气候变化模式，通过降尺度方法和水文

模型，对不同气候变化情景下全球或区域尺度水文要

素影响进行模拟，定量评价气候变化对水循环过程的

影响，预估未来的水文水资源情势。在该方面研究有：

Mimikou等[16]用月水量平衡模型 WBUDG分析了 CO2

倍增情景下希腊北部 Aliakmon 流域水资源量的变化。

Gleick[17]通过对美国加州萨克拉门托流域数据的分

析，根据八种不同的 GCMs 模型输出的气温和降水结

果，应用水量平衡模型研究了气候变化对该流域水文

情势的影响，研究结果指出，引起水文情势变化最主

要的内在机制是降雪和融雪的条件发生了显著变化。

Nash[18]采用水平衡模型研究科罗拉多河水文系统的

气候变化响应，并与前期统计模型的研究结果进行比

较分析。张建云等[19]采用设定情景与水文模拟相结合

的途径，评估了不同区间河川径流量对气候变化的响

应。王国庆等[20]根据假定的暖干化气候方案和气候模

型的输出结果，应用水文模拟途径，分析了黄河上中

游主要产流区水资源对气候变化的响应及其变化趋

势。何新林、郭生练[21]利用包含积雪融雪结构的水文

评价模型计算未来不同气候变化情况下的月均流量

过程，分析气候变化对玛纳斯河流域水文水资源的影

响，研究得出降水变化对洪水频率和洪峰流量的影响

要比气温变化对其的影响敏感得多的结论。叶佰生等

[22]用水量平衡模型研究气候变化对伊犁河上游山区

河川径流的影响。研究表明，未来气候变化对水资源

量的影响将主要取决于降水量的变化，气温升高的影

响相对较小。游松财等[23]以改进的水分平衡模型为基

础，研究了不同气候变化情景下中国未来地表径流的

变化。张光辉[24]根据不同气候情景下，分析了未来近

100 年内黄河流域天然径流量的变化趋势。

2.3. 水资源系统对气候变化敏感性和脆弱性分

析方面

考虑全球气候变化的不确定性，根据全球气候变

化总体趋势，给定气候可能变化的值，模拟区域未来

气候不同条件变化下水资源系统的变化情况，分析水

资源系统对于气候变化的敏感性。结合当地现有的自

然地理、生态环境、经济社会等条件，分析气候变化

对水资源系统脆弱性的影响。大量研究成果展示了在

气候变化下水资源供需影响研究基础上的水资源供

需平衡——脆弱性分析和适应性分析。该类研究成果

主要包括水资源供需盈亏的时空分布，流域内和流域

间水资源的重新分配，还涉及区域水资源的开发利用

规划，供水系统的脆弱性、弹性和稳健性分析等问题

[25-34]。Gleick[35]研究了供水系统对气候变化的脆弱性

指标并对美国水供应系统的脆弱性进行了估计。

Lettenmaier[36]模拟了位于加利福利亚州的大流域，分

析发现流域对变化的气候条件的响应由与气温有关

的变化所决定，而受 GCMs 预测的降雨变化的影响相

对较小。王国庆[37]对黄河上中游径流对气候变化的敏

感性进行了分析，结果表明，径流对降水变化的响应

气候变化的水文水资源效应研究进展

敏感，对气温变化的响应相对较弱。Zhang Yi等[38]

利用简单的作物–气候模式对中国黄淮海平原地区

农田水分平衡对气候变化的响应进行了研究。结果表

明当黄淮海平原年降水量减少20%时，年灌溉水量大

约需增加 66%~68%。夏军等[39]针对与气候变化影响

的水资源系统的敏感性和抗压性相联系的脆弱性与

适应性问题，提出变化环境下水资源脆弱性评估理论

体系和评估模型，并在海河流域进行了应用研究。

2.4. 气候变化下水文水资源效应评价的不确定

性分析

气候变化与水循环过程的关系问题是一个复杂

的系统问题，由于目前对大气、水、生态环境、社会

经济等系统内部和系统之间的认识有限，对于该问题

的研究只能分析可能存在的变化趋势和影响程度，还

存在很大的不确定性。如 Grorgi 等[40]通过 REF 方法

研究全球气候模式的不确定性。Ghosh 等[41]采用概率

方法研究了气候模式和排放情景的不确定性。贺瑞

敏、刘九夫等[42]认为气候变化的不确定性主要来源于

对机理认识的不确定性、监测数据的不确定性、气候

变化情景的不确定性、模拟模型的不确定性等。吴赛

男、廖文根等[43]指出用于气候变化影响评估的水文循

环模型的不确定性主要来自模型结构的不确定性和

模型参数的不确定性，降低气候变化对流域水资源影

响评价结果不确定性的主要方式有：完善全球气候模

式，研究和提出适合未来发展的排放情景和深入研究

降尺度分析技术；同时改进和完善水循环评价模型，

充分考虑未来环境变化对流域水文的可能影响，降低

评价模型和评价过程的不确定性。

2.5. 气候变化对水安全综合影响分析及适应性

对策研究

分析气候变化对来水量(地表水、地下水)、可供

水量、需水量(生活、生产、生态)、水文极端事件(洪

涝、干旱)、重大水利工程、水环境水生态、水资源综

合承载能力等的可能影响及存在的风险，综合评价气

候变化对区域水安全的影响；同时针对存在问题，结

合现有技术经济条件和未来发展趋势，研究可采取的

适应性对策和措施。Nemec[1]指出，根据现有气候条

件设计和运行的水库将受到未来气候变化的影响，若

温度效应伴随着年降水量的减少，将使未来水库供水

和发电的年保证率大大降低。 Schwarz[44]通过分析美

国东北部的水文资料以评价气候变化对供水的影响。

Frederick[45]根据水土侵蚀模型(EPIC)分析了美国密苏

里–衣阿华–内布拉斯加州–堪萨斯州 20世纪 30 年

代的干旱时期灌溉需水量较1951~1980 年气候条件下

将有所增加。Peterson和Keller[46]研究了美国西部地

区流域，认为假定未来气温若上升 3℃，降水将减少

10%，若按目前的灌溉标准和用水量，那么美国西部

现有的可耕地面积将减少30%。Arllen[47]研究了气候

变化对以色列灌溉需水的影响。McCabe等[48]应用灌

溉模型分析了各种假定情景下气温、降水和气流阻力

的变化对农作物需水量的影响。王守荣[49]研究得出，

未来 30 年黄河及其以北地区的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。部分学

者还研究了气候变化对生活用水、工业用水、热电厂

冷却用水、航运和水生生态系统保护等用水部门用水

量的影响[50]。Smith[51]研究了全球气候变化对大湖区

水位、水质、航运及渔业的潜在影响。另有部分学者

通过洪水、枯水、海平面、潮位等方面对全球气候变

化对重大水利工程的影响进行了研究，如陈剑池等[52]

开展了气候变化对南水北调中线工程可调水量的影

响等。另外，部分学者对气候变化与人类活动对水文

影响的贡献识别开展了一定的研究，但其准确度仍存

在较大问题[53]；也有部分学者对全球气候变化对水环

境质量的影响进行了研究，重点研究降水、气温、光

照辐射、风速风型变化对水质的影响[54]。杨大文等[55]

指出全球气候变化已经影响到了流域水文过程和植

被生长。

气候变化导致的水文极端事件(洪涝及干旱)的增

加直接影响和威胁人类生命财产安全、经济社会的发

展和生态环境良性循环，成为该领域重点关注和研究

的主要内容之一。Krasovskaia 等[56]采用实测日流量及

同期降雨、气温等资料，分析了挪威气温、降水变化

对极端洪水值及频率的影响，得出在“暖期”极端洪

水次数增加 10%~15%，而极端洪水流量变化很小。

Wigley 等[57]根据英格兰和威尔士长系列降水记录，分

析计算洪涝和干旱极值出现的频率和变化规律。

Changnon[58]分析了美国伊利诺斯州洪涝频率与气候

条件的关系。Idso[59]、Bultot[60]等研究指出，CO2浓度

气候变化的水文水资源效应研究进展

增加会导致洪水发生频率增加。Whetton 等[61]直接根

据GCM 网格点上的日尺度降水值分析了暴雨频率的

变化。Zhang Qiang等[62]分析了气候变化和人类活动

对中国南方地区水文极端事件的影响。张国胜等[63]

通过对 1961 年以来黄河上游地区气候变化的分析，

指出汛期降水量的减少是黄河上游流量减少的最直

接的气候因子。范广洲等[64]利用 PRMS 水文模式系

统，模拟研究了气候变化对滦河流域丰、枯水年不同

季节水资源的影响。邓惠平等[65]分析气候波动对莱州

湾地区水资源及极端旱涝事件的影响。陈特固等[66]分

析了粤港澳 7个气象站近 100 年来降水量变化趋势，

并对其与全球气候变暖的关系进行了分析，研究表明

广东的重旱、重涝事件频率增加与气候变暖有关。

应对全球气候变化的适应性对策主要有加强气

候变化的基础研究、调整经济发展模式和产业结构、

加强水利基础设施建设、建立节水型社会建设、加强

非常规水源的利用[67]等。

3. 主要研究技术方法

对于气候变化的水文水资源效应研究，目前主要

采用的技术、方法主要有：统计分析、成因分析、情

景假设及降尺度、模型模拟、多模型耦合等。气候变

化对水系统的影响研究是一个复杂的系统问题，在实

际问题研究过程中并不是孤立采用某一种技术或方

法，都是相关技术方法的有机结合。

3.1. 统计分析

采用概率与数理统计学方法对长系列数据进行

分析，如 Man-Kendall 秩次相关检验法、Spearman 秩

次相关检验法、线性回归等方法分析水文气象要素的

变化趋势，主要分析对象为气温、降水、蒸发、流量

等数据的多年平均值、逐年平均值、逐年最大值、逐

年最小值、逐年最大月(旬、日)平均值、逐年最小月

(旬、日)平均值等。通过目前已掌握的降水、蒸发、

径流等水循环的影响要素的变化机理，结合统计分析

结果，对气候变化的水文水资源效应可能成因进行分

析，预估气候变化条件下各要素未来的趋势变化。如

Stockton[2]应用 Langbein 等估计的年径流量、年均温

度和年降水的经验关系对美国 7个主要流域进行了研

究。Stanley 等[68]则根据统计分析方法综合分析了美国

伊利诺斯州若干流域1940~1990 年气候波动和土地利

用变化对河川径流和洪水的影响及各自的贡献大小。

尤卫红等[69]以云南纵向岭谷地区历年逐月径流量观

测数据和云南的逐月雨量和气温等观测数据为基础，

应用统计分析和小波变换分析方法，研究了云南纵向

岭谷地区年际气候变化及其对国际河流年径流量变

化的影响。蓝永超[70]提出和使用一个用于黄河上游径

流变化趋势超长期预测的时间序列 Markov 链耦合模

型。邓慧平[71]应用多种随机模拟方法分析了径流均值

变化对洪水干旱频率和强度的影响。

3.2. 情景假设及降尺度

在全球尺度，由于气候系统受到地球外环境、地

球内部各系统和人类活动各方面的影响，对未来气候

变化趋势的预估还存在很大的不确定性，所以只能根

据各种未来可能存在的变化情况及趋势进行情景假

设，在此基础上开展气候变化的影响评估。生成情景

的方法有任意假设法(如假定未来气温升高1℃、2℃、

3℃，降水量增加或减少 10%、20%、30%等)时间序

列分析、时间/空间类比、基于 GCMs 输出等方法[72]，

目前基于GCMs 输出是最为常用方法。常用的 GCMs

包括：美国 NCAR 模式、GFDL 模式、CSU 模式，英

国UKMO 模式、HADL 模式，加拿大 CCC 模式，日

本CCSR 模式，德国 DKRZ 模式、ECHAM 模式、澳

大利亚 CSIRO 模式，中国的 IAP 模式、CAMS 模式、

NOA 模式、NCC 模式等。考虑全球气候模式的现有

分辨率，直接应用于区域尺度上难以满足实际需求。

对于区域尺度，气候变化不仅受到区域内部各种相关

因子的影响，在相当大程度上受到全球气候影响，其

不确定性更大，所以必须将 GCMs 输出降解到区域尺

度上，作为水文模型的输入条件以便开展相关研究。

目前主要根据全球气候模式采用简单法、统计法、动

力法、多种方法相结合等降尺度的方法生成区域内未

来气候变化情景，作为气候变化影响效应评估的输入

条件。动力降尺度方法由于物理意义明确，对观测资

料依赖小，应用前景较好，但由于计算复杂，现阶段

实际应用受到较大的制约；统计降尺度计算相对简

单，目前多采用该方法进行研究的较多[72]，常用的降

尺度方法有相关分析法、天气分型法、天气发生器等

[73]。相关研究如刘春蓁等[74]在“八五”期间利用 GCMs

预测的未来气候情景系统研究了全球气候变化对我

国水文水资源以及水资源供需平衡的影响。曾涛等[75]

100

气候变化的水文水资源效应研究进展

建立了气候陆面单向连接模型，通过降尺度处理

GCMs 的输出结果，连接到分布式水文模型计算径流，

以山西省为例进行不同情景下未来径流变化趋势的

分析。张建云等[76]利用GCMs 的模拟结果对我国7大

流域的水文要素变化进行了分析。范丽君[77]采用统计

降尺度的方法对中国未来区域气候情景进行了预估。

郝振纯等[78]以Delta 方法为基础，通过双三次多项式

曲面插值法(DCSI)来考虑气候要素变化率在大尺度

网格内的空间不均匀性，并对未来水资源情景进行模

拟预测，结果表明 Delta-DCSI方法是简单可行和更为

合理的降尺度方法。左德鹏、徐宗学等[79]统计降尺度

模型 SDSM 将HadCM3 输出数据降尺度到各站点，

分析未来气候变化情景下渭河流域潜在蒸散量以及

最高、最低气温的时空变化趋势。

3.3. 模型模拟

气候变化对水文水资源系统的影响的定量评估

离不开水循环过程的基本原理和模拟模型，如水量平

衡原理、概念性水文模型、分布式水文模型等。常用

的概念性水文模型有新安江模型、陕北模型、TANK、

SWMM 、PRMS、HSPF、HBV 、AWBM、SSARR、

NWSH、YRWBM、SARC 等[80]，具有代表性的分布

式/半分布式水文模拟模型和地下水模拟模型有

TOPMODEL、SWAT、MIKE SHE、VIC、TOPK AP I、

MODFLOW、FEFLOW 等。Nemec 和Schanke 应用概

念性水文模型估算了气候变化对美国干旱地区和湿

润地区径流的影响[1]。以 Thomthwaite 等人建立的水

量平衡模型为基础[81]，McCabe、Gleick[3,82]分别对美

国特拉华流域和美国加州萨克拉门托流域的水文情

势进行研究。Chiew 等[83]研究了气候变化对澳大利亚

28 个代表流域的影响。Major 等[84-89]采用确定性的月

时间尺度水量平衡模型来研究气候变化对水文水资

源影响。傅国斌和刘昌明[90]采用概念性月水量平衡模

型分析了全球变暖对海南万泉河流域水资源的影响。

陈英等[91]应用新安江月模型模拟了淮河蚌埠以上流

域对 7个GCMs 气候情景的响应，分析了各水文要素

的相应变化情况。英爱文和姜广斌[92]应用 WatBat 模

型分析了辽河流域水资源对气候变化的响应。郭靖等

[93]采用两参数月水量模型分析了气候变化对丹江口

水库径流过程的影响。Dibike 等[94]通过比较降尺度和

水文模型方法，分析气候变化的水文响应。Loukas 等

[95]根据 CCC 气候模型的输出结果，采用 UBC 流域水

文模型研究了 CO2倍增对英属哥伦比亚区的两个流域

径流的影响。Kirby[96]利用 SIMHYD 模型，分析了气

候变化情景下澳大利亚首府地区的流域水资源量。王

国庆等[97]通过采用 SIMHYD 概念性降水径流模型，

分析了气候变化对黄河中游汾河流域径流情势的影

响。贺瑞敏等[98]用澳大利亚水平衡模型(AWBM)，分

析了环境变化对黄河中游伊洛河流域径流量的影响。

陈利群等[99]利用 2个分布式水文模型(SWAT，VIC)进

行模拟，并对比其模型结果，研究土地覆被与气候波

动对径流的影响。刘昌明等[100]应用 SWAT 模型的水

量计算部分，选取黄河河源区为典型流域，基于 DEM

模拟不同气候和土地覆被条件下的黄河河源区地表

径流的变化。袁飞等[101]应用 VIC模型与区域气候变

化影响研究模型 PRECIS 耦合，对气候变化情景下海

河流域水资源的变化趋势进行了预测。王国庆[102]采

用假定的气候情景，利用改进的水文模型研究了黄

河中游各区间径流量对气候变化的敏感性。王兆礼

[103]以RS、GIS 与DEM技术为基础，构建了东江流

域分布式水文模型-DJWDHM，并利用该模型模拟了

流域气候与土地利用变化对水文要素的影响。陈军

锋等[104] 利用一个集总式水文模型(CHARM) 模拟了

梭磨河流域气候波动和土地覆被变化对径流影响。还

有一些学者根据不同流域特点相继提出了一些大尺

度流域水文模型评估气候变化对流域水资源的影响

[105-112]。

采用流域水文模型研究气候变化对流域水文水

资源影响方面有两个明显的趋势：1) 从统计模型向概

念性水量平衡模型和基于物理过程描述的分布式流

域水文模型转化，水文水资源特征对气候变化的响应

机理更清楚；2) 在模型的计算时段上，也从较大的时

间尺度(月)向小的时间尺度(日)转化，便于了解流域水

文水资源特征的实时变化。

气候变化的影响研究涉及海洋、陆地、大气等多

个系统，其研究有赖于气候模型、水文模型等诸多模

型的有机结合。其关键核心问题涉及到模型的接口技

术，即情景假设与传统模型的有机结合。

4. 研究中存在的问题

气候变化对水文水资源的影响研究涉及的范围

广(地圈、水圈、社会经济圈)、学科多(水文学、水资

气候变化的水文水资源效应研究进展

源学、气象学、生态学、经济学、环境科学、社会科

学、系统学、统计学等)，因而目前的研究仍然有不少

问题没有很好地解决，仍存在以下几个主要问题：

1) 近年来，国际上已注意到综合研究气候变化对

水文系统的影响，并建立了相应的评估模型，但这方

面的研究仍在探索之中，现有的模型较为单一有待进

一步完善。

2) 国内以定性描述分析和统计分析的研究多，而

利用遥感技术和地理信息系统建立机理驱动的概念

性水文模式动态模拟气候变化的水文效应的研究工

作较为薄弱。

3) 气候-陆地生态系统–社会经济系统及其相互

作用方面的综合研究较为薄弱。如在土地利用/土地覆

盖变化水文影响方面，综合评价各类下垫面的变化对

流域水循环、水平衡及水旱灾害的影响，定量区分各

类下垫面变化的贡献大小的研究相对较少，结合气候

变化的研究更少。

4) 在气候变化水文水资源影响方面，考虑未来气

候变化对水平衡、水循环、需水量和水旱灾害的影响

研究还较少，以及流域土地资源、水资源变化及适应

调整对经济增长、产业结构及生产力布局的影响以及

两者之间的反馈关系的研究也相对较少[113]。在气候变

化大背景下，极端天气事件与洪涝灾害的形成机理研

究、用水安全分析及水资源管理系统脆弱性研究的成

果不多。

5) 在气候变化对我国各类水资源脆弱区影响的

风险评估方面，由于气候变化的分析存在很大的不确

定性，考虑综合分析和科学应用气候变化预测成果的

研究比较少。

6) 空间尺度界定及其转换。尽管 GCMs 降尺度

输出结果连接到分布式水文模型的研究很多，但水文

空间不均匀性带来的尺度问题依然存在，即模型基本

计算单元的确定以及不同尺度的模型参数能否转换

问题。这主要表现为模型参数的网格化，即通过寻找

模型参数与地理信息之间的关系，能否将率定的模型

参数移植到无水文资料地区应用，仍然是有待研究的

问题。

7) 模型的误差与情景预测的不确定性问题。误差

的来源主要包括：被排除在外的因素引起的误差，不

合适的内插与外推，不合适的时间和空间分辨率，不

合适的时间步长算法等[114]。

5. 研究展望

气候变化对水文水资源的影响研究已取得了不少

成果，未来研究的重点和方向将体现在以下几个方面：

1) 气候变化相关要素监测体系研究及建设。目前

气候变化的影响研究在很大程度上受到研究地区和

历史监测数据资料的局限，未来应考虑根据不同空间

和时间尺度模型研究需要，选择有代表性地区构建有

针对性的监测体系，积累长系列实测资料，为高精度

模型的研究奠定基础。

2) 全球气候模式尺度降解技术的研究。尺度降解

技术是现有全球气候模型–水文模型耦合的关键技

术之一，受到现有认识水平的限制，还存在极大的不

确定性，其精细化程度直接关系到最终模拟成果的应

用。随着相关技术如 3S 技术的发展和基础资料的积

累，将为降尺度方法提供良好的基础条件和机遇，简

单实用的降解技术将成为将来研究亟需破解的难题

之一。

3) 水文–气候模型的双向耦合研究。目前对于气

候变化对水文水资源的影响研究主要是水文–气候

模型单向连接方法，即由单气候模型输出的产品来驱

动流域水文模型，未来需要深入研究气候模型与水文

模型的耦合途径，以提高两者之间不同时空尺度的转

化和模拟的精度。

4) 气候变化对水循环及其伴生全过程的综合研

究。目前主要研究重点为水量，突出在地表，在已有

成果基础上，未来应加强对水循环及其伴生全过程的

综合研究，水量、水质与水生态结合，大气、地表、

土壤与地下的结合，重点加强对水环境水生态的影

响、水文极端事件机理、区域水安全综合影响等方面

的研究。

5) 气候变化与人类活动对水文水资源系统的影

响的科学识别与定量评价研究。水循环过程受到多重

因素的影响，构建“气候变化–人类活动–水”系统

模型，科学识别与定量评价和区分气候变化与人类活

动的贡献(影响)是研究的难点之一。

6) 无资料地区影响评价理论、方法与实践研究。

如何定量预估无资料地区气候变化对地表径流的影

响，服务于该地区的水工程建设，降低工程建设和运

行风险，提高工程经济效益也是迫切需要解决的难题

102

气候变化的水文水资源效应研究进展

之一。

7) 气候变化的水相关风险分析。原有很多涉水工

程设计建设采用的相关经验理论和技术方法是建立

在历史统计规律分析基础上，由于气候变化对水循环

过程外部条件的改变，未来变化趋势必然发生改变，

若仍采用原标准，其工程运行风险必将增大。如何客

观评估由此增加的风险，采取合理的对策(修正技术参

数或采用其他补救措施)等，是重大工程论证建设和运

行管理中不得不面对的难题之一。

8) 适应性对策的效益对比分析。目前对于气候变

化的适应性对策，相对较为宏观，未来应加强不同对

策的经济效益定量对比分析研究。

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