基本信息
编辑推荐
1） 水利、地理、气象、国土资源、农业、林业、环境、水土保持等有关专业的工程技术人员； 2） 上述专业的高年级本科生与研究生。
内容简介
本书围绕着水文科学研究中"气候变化对水循环影响"这一热点问题，从气候变化背景、与水循环相互作用关系，国内外气候变化研究成果综述，到气候变化的过去、现状与未来，阐述了气候变化背景下流域水循环问题。主要内容包含了气候要素长期变化趋势分析与突变检验，大气环流模式（GCM）适应性评估，降尺度模型构建，流域水文过程的分布式模拟，基于陆-气耦合的流域水循环对气候变化的响应等。其基本内容皆源于作者过去十几年来的研究成果，并且均为我国具有代表性流域的实例研究。
目录
《水科学前沿丛书》出版说明
序一
序二
前言
第1章绪论1
1.1全球气候变化1
1.2气候变化的定义2
1.2.1天气、气候2
1.2.2气候变化3
1.3气候变化影响研究方法3
1.3.1社会经济情景的构建及应用4
1.3.2气候变化情景的构建及应用4
1.3.3气候变化影响评估中的不确定性5
1.4国内外气候变化研究成果综述7
1.5本章小结10
参考文献10
第2章气候变化趋势分析与检验14
2.1趋势检验方法14
2.1.1Mann-Kendall非参数统计检验方法14
书摘
第1章绪论
1.1全球气候变化
作为人类赖以生存的自然环境的一个重要组成部分，气候的任何变化都会对自然生态系统及社会经济产生不可忽视的影响。科学研究表明，近百年来，全球气候正经历一次以变暖为主要特征的显著变化。全球气候变暖与人类活动密切相关。自工业革命以来，人类过度使用煤炭、石油和天然气等化石燃料，排放出大量的温室气体是导致全球气候变暖的主要原因，而大面积的森林砍伐和草原破坏则加剧了全球变暖的进程。全球气候变化、气候变化与人类活动的相互作用以及由此产生的一系列问题，引起了世界各国的广泛关注和研究。开展全球气候变化研究，大致从20世纪80年代初开始，80年代中后期陆续实施。30余年来已有70多个国家和地区成立了全球变化研究国家委员会，协调和组织各自国家和地区的全球变化研究工作。政府间气候变化专门委员会（IntergovernmentalPanelonClimateChange，IPCC）第四次评估报告指出：气候系统变暖的客观事实是不容置疑的，许多自然系统正在受到区域气候变化，特别是受到温度升高的影响。以变暖为主要特征的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，未来气候变化对地区、国家甚至全球的可持续发展将产生举足轻重的影响（IPCC，2007；袁飞等，2005）。
IPCC（2007）预计气候变化将加重目前人口增长、经济变革和土地利用变化（包括城市化）对水资源造成的压力。在区域尺度上，山地积雪、冰川和小冰帽对可用淡水起着关键作用。预估近几十年冰川物质消失和积雪减少的速率将会在21世纪加快，从而减少可用水资源量，降低水力发电的潜力并改变依靠冰川融雪径流的地区河流的季节性流量，而这些地区居住着当今世界上1/6以上的人口。降水和温度的变化导致径流和可用水量发生变化。在较高纬度地区和某些潮湿的热带地区，包括人口密集的东亚和东南亚地区，根据预估，到21世纪中叶径流将会增加10%～40%；而在某些中纬度和干燥的热带地区，由于降水减少而蒸腾率上升，径流将减少10%～30%。另有研究结果表明，许多半干旱地区，如地中海流域、美国西部、非洲南部和巴西东北部的水资源量将由于气候变化而减少。预估受干旱影响的地区将有所增加，并有可能对许多行业如农业、供水、能源生产和卫生产生不利影响。从区域层面，预估由于气候变化，灌溉用水需求会出现大幅度增加。气候变化对淡水系统的不利影响超过其效益。预估径流减少的地区会面临水资源所提供服务价值的降低。某些地区年径流量增加所带来的有利影响可能会被因降水变率增加和季节径流变化对供水、水质和洪水风险造成的负面效应所抵消。
近百年来，中国年平均地表气温升高幅度为0.6～0.8℃，增温速率比同期全球平均略高。而近50年来，中国年平均地表气温升高1.1℃，增温速率0.22℃/10a，比全球或北半球同期平均高得多。一方面，气候变暖可能会对人类生存环境产生重大影响，可能使我国的经济部门如农业、水资源及沿海地区遭受严重后果；另一方面，如果过早地承担温室气体减排义务，其直接后果又将制约我国能源工业和制造业的发展，削弱我国产品在国际市场上的竞争力，从而使我国整体国民经济和社会发展受到严重制约。因此，中国作为发展中的大国，在应对气候变化问题上面临严峻的挑战。这主要表现在资源“瓶颈”性约束和环境污染两大严重而紧迫的问题。一方面，中国生态环境脆弱，海岸线漫长，人均资源占有量低，极易受到气候变化的不利影响；另一方面，中国人口众多，经济发展水平低，在今后相当长的时期内，发展经济、改善人民生活仍是首要任务。防止气候向不利的方向发展、阻止其恶化是全人类共同的任务和使命。气候变化是由于地球的气候系统受到了不同程度的扰动而引起的。除了自然的因素，如地球的轨道和自转变化，以及太阳辐射、火山爆发等外，使气候系统产生扰动的另一重要驱动力是由人类活动导致的温室气体大气浓度的增加，其中最重要的温室气体是二氧化碳。温室气体通过其温室效应促进了全球变暖。
1.2气候变化的定义
1.2.1天气、气候
天气是指短时间（几分钟到几天）发生的气象现象，如雷雨、冰雹台风、寒潮、大风等。它们常常在短时间内造成集中的、强烈的影响和灾害，如一次雷雨和冰雹常常在几个小时或十几个小时内生消，它们会带来局部地区的闪电、雷暴、大风、暴雨和冰雹。这是短期天气预报的任务。一次全国性的寒潮过程会持续3～5天或更长时间，也属于天气的范畴。它可以在数天内造成大范围地区降温与大风天气，甚至带来暴风雪。一周左右的天气预报是中期天气预报的任务。比中期天气预报更长的气象预报属于气候预测的任务。气候是指某一长时期内（月、季、年、数年到数百年及以上）气象要素（如温度、降水、风、日照和辐射等）和天气过程的平均或统计状况，主要反映某一地区冷暖干湿等基本特征，通常由某一时期的平均值和距此平均值的离差值（气象上称距平值）来表征。
研究气候特征、形成和变化的学科是气候学，它是大气学科的一个重要分支。气候学依据它的发展有狭义的定义、经典的定义和广义的定义之分。前者通常被定义为平均天气或在某一长时期的平均天气状态，更严格的是用这一长时期内对有关变量的平均值或变率从统计上来表征。广义的气候学定义指气候系统的状态及其变化，包括平均气候状态和气候变化与变率（climatechangeandvariability）。由此可见，随着科学的发展，气候从一个局地的、低层大气特征的概念已转变为全球气候系统的概念。气候学的研究对象也自然而然地扩展为全球气候系统。
全球气候系统指的是由一个大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈组成的高度复杂的系统，这些部分之间发生着明显的相互作用。在这个系统自身动力学和外部强迫作用下（如火山爆发、太阳变化、人类活动引起的大气成分的变化），气候系统不断地随时间演变（渐变和突变），而且具有不同时空尺度的气候变化与变率（月、季节、年际、年代际等气候变率与振荡）。
1.2.2气候变化
从科学的角度讲，气候变化是指气候平均状态和离差（距平）两者中的一个或者一起出现了统计意义上显著的变化。离差值增大，表明气候变化的幅度越大，气候状态不稳定性增加，气候变化敏感性也增大。以温度为例说明气候变化与平均值或离差值变化的关系。假定某一地区或地点的温度在多年平均条件下呈正态分布，在平均温度处出现的概率最大，偏冷和偏热的天气出现的概率较小。极冷或极热的天气（一般在2倍标准差σ以上）出现的可能性很小或没有。假如由于气候变暖的作用，平均值增加了某一数值，这时偏热天气出现的概率将明显增加，并且原来从不出现的极热天气现在也可能出现了；相反，偏冷天气出现的概率将大大减少。如果平均值不变，但离差增加后，会造成更多的偏冷或偏热天气，更多的极热或极冷天气，可以得出这几类天气的出现概率都比先前气候条件下的出现概率增大了。以上结论不但说明了气候变化可以由气候平均值或离差的变化引起，而且也清楚地说明了气候变化与极端天气事件出现的关系。
应该指出，气候变化可以由不同的原因造成。概括起来，分为自然的原因和人类活动的原因。根据引起气候变化原因的不同，对气候变化的定义也不同。IPCC定义的气候变化是指气候随时间发生的任何一种变化，不论它是由自然的变率造成，还是人类活动的结果。但联合国气候变化框架公约（UNFCCC）中使用的气候变化定义则专指由人类活动直接或间接引起的气候变化。这种人类活动是通过改变全球大气组成成分而影响全球气候的，由此造成的气候变化是叠加在相同时期的自然气候变率之上的。
1.3气候变化影响研究方法
未来全球气候变化的趋势受人类社会的发展途径影响很大。气候变化对生态系统和社会经济的影响评估是选择适应和减缓气候变化战略的基础。在评估气候变化的影响、脆弱性和适应性时，需要构建未来社会经济变化的情景，由此衍生出温室气体的排放情景，然后利用气候模式对未来人类活动引起的气候变化进行情景预估，以减少气候变化的影响、脆弱性和适应性评估的不确定性（丁一汇等，2009）。
评价气候变化影响的方法一般有三种：影响、相互作用和集成方法（IPCC，1994）。全球气候变化对水循环的影响研究，主要是通过研究气候变化引起的流域气温、降水、蒸发等变化来预估径流可能的增减趋势及对其流域供水影响，即所谓的What-if模式（江涛等，2000）：如果气候发生某种变化，水文循环各分量将随之发生怎样的变化，气候变化对水循环的影响因地区和气候情景的不同而异。研究气候变化对水循环的影响包括两方面的内容：一是选择未来气候情景；二是选择或建立水文模型。一般包括四个步骤：①定义气候变化情景，描述未来气候变化状态；②建立、验证流域水文模型；③将气候变化情景作为流域水文模型的输入，模拟、分析区域水文循环过程和水文变量；④评价气候变化对水循环的影响，根据水循环的变化规律和影响程度，提出相适应的对策和措施。其中水文模型的建立与未来气候变化情景的生成是影响评估的关键。1.3.1社会经济情景的构建及应用
所谓情景就是在对一系列重要内在联系和驱动因子作出协调一致及合理假设的基础上，为世界或地区提供未来发展的可能状态。因此，情景分析不同于预测，并不力图描绘被研究对象未来最可能发生的情况。2000年出版的IPCC《排放情景特别报告》（SpecialReportonEmissionScenarios，SRES）提出了4种全球未来可能的社会经济发展框架（Nakienovietal.，2000）。通过相关假设和特征的量化，衍生出了多种温室气体排放情景，是评估未来气候变化可能影响的基础。
在SRES所构建的社会经济情景中，社会经济发展的主要驱动因素包括人口、经济增长、技术变化、能源、土地利用、社会公平性、环境保护和全球一体化。无论从定性角度还是从定量角度，4种情景系列（A1、A2、B1和B2）的差异都比较大。
A情景强调经济发展，B情景在发展经济的同时强调环境保护的重要性；1类情景强调全球的趋同性，2类情景强调区域经济、社会、环境可持续发展。
社会经济情景的构建包括两个过程：①主要指标和背景因子的设定分析阶段：确定研究对象的特点和内在联系，并进行完整的定性描述，构建未来的发展框架，对一些重要关系和因素设定量化目标；②情景的计算分析阶段：基于第一阶段得出的量化关系，应用经济、能源、环境等综合模型来模拟未来主要经济、社会、能源、土地利用和环境等指标的发展趋势。
1.1全球气候变化
作为人类赖以生存的自然环境的一个重要组成部分，气候的任何变化都会对自然生态系统及社会经济产生不可忽视的影响。科学研究表明，近百年来，全球气候正经历一次以变暖为主要特征的显著变化。全球气候变暖与人类活动密切相关。自工业革命以来，人类过度使用煤炭、石油和天然气等化石燃料，排放出大量的温室气体是导致全球气候变暖的主要原因，而大面积的森林砍伐和草原破坏则加剧了全球变暖的进程。全球气候变化、气候变化与人类活动的相互作用以及由此产生的一系列问题，引起了世界各国的广泛关注和研究。开展全球气候变化研究，大致从20世纪80年代初开始，80年代中后期陆续实施。30余年来已有70多个国家和地区成立了全球变化研究国家委员会，协调和组织各自国家和地区的全球变化研究工作。政府间气候变化专门委员会（IntergovernmentalPanelonClimateChange，IPCC）第四次评估报告指出：气候系统变暖的客观事实是不容置疑的，许多自然系统正在受到区域气候变化，特别是受到温度升高的影响。以变暖为主要特征的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，未来气候变化对地区、国家甚至全球的可持续发展将产生举足轻重的影响（IPCC，2007；袁飞等，2005）。
IPCC（2007）预计气候变化将加重目前人口增长、经济变革和土地利用变化（包括城市化）对水资源造成的压力。在区域尺度上，山地积雪、冰川和小冰帽对可用淡水起着关键作用。预估近几十年冰川物质消失和积雪减少的速率将会在21世纪加快，从而减少可用水资源量，降低水力发电的潜力并改变依靠冰川融雪径流的地区河流的季节性流量，而这些地区居住着当今世界上1/6以上的人口。降水和温度的变化导致径流和可用水量发生变化。在较高纬度地区和某些潮湿的热带地区，包括人口密集的东亚和东南亚地区，根据预估，到21世纪中叶径流将会增加10%～40%；而在某些中纬度和干燥的热带地区，由于降水减少而蒸腾率上升，径流将减少10%～30%。另有研究结果表明，许多半干旱地区，如地中海流域、美国西部、非洲南部和巴西东北部的水资源量将由于气候变化而减少。预估受干旱影响的地区将有所增加，并有可能对许多行业如农业、供水、能源生产和卫生产生不利影响。从区域层面，预估由于气候变化，灌溉用水需求会出现大幅度增加。气候变化对淡水系统的不利影响超过其效益。预估径流减少的地区会面临水资源所提供服务价值的降低。某些地区年径流量增加所带来的有利影响可能会被因降水变率增加和季节径流变化对供水、水质和洪水风险造成的负面效应所抵消。
近百年来，中国年平均地表气温升高幅度为0.6～0.8℃，增温速率比同期全球平均略高。而近50年来，中国年平均地表气温升高1.1℃，增温速率0.22℃/10a，比全球或北半球同期平均高得多。一方面，气候变暖可能会对人类生存环境产生重大影响，可能使我国的经济部门如农业、水资源及沿海地区遭受严重后果；另一方面，如果过早地承担温室气体减排义务，其直接后果又将制约我国能源工业和制造业的发展，削弱我国产品在国际市场上的竞争力，从而使我国整体国民经济和社会发展受到严重制约。因此，中国作为发展中的大国，在应对气候变化问题上面临严峻的挑战。这主要表现在资源“瓶颈”性约束和环境污染两大严重而紧迫的问题。一方面，中国生态环境脆弱，海岸线漫长，人均资源占有量低，极易受到气候变化的不利影响；另一方面，中国人口众多，经济发展水平低，在今后相当长的时期内，发展经济、改善人民生活仍是首要任务。防止气候向不利的方向发展、阻止其恶化是全人类共同的任务和使命。气候变化是由于地球的气候系统受到了不同程度的扰动而引起的。除了自然的因素，如地球的轨道和自转变化，以及太阳辐射、火山爆发等外，使气候系统产生扰动的另一重要驱动力是由人类活动导致的温室气体大气浓度的增加，其中最重要的温室气体是二氧化碳。温室气体通过其温室效应促进了全球变暖。
1.2气候变化的定义
1.2.1天气、气候
天气是指短时间（几分钟到几天）发生的气象现象，如雷雨、冰雹台风、寒潮、大风等。它们常常在短时间内造成集中的、强烈的影响和灾害，如一次雷雨和冰雹常常在几个小时或十几个小时内生消，它们会带来局部地区的闪电、雷暴、大风、暴雨和冰雹。这是短期天气预报的任务。一次全国性的寒潮过程会持续3～5天或更长时间，也属于天气的范畴。它可以在数天内造成大范围地区降温与大风天气，甚至带来暴风雪。一周左右的天气预报是中期天气预报的任务。比中期天气预报更长的气象预报属于气候预测的任务。气候是指某一长时期内（月、季、年、数年到数百年及以上）气象要素（如温度、降水、风、日照和辐射等）和天气过程的平均或统计状况，主要反映某一地区冷暖干湿等基本特征，通常由某一时期的平均值和距此平均值的离差值（气象上称距平值）来表征。
研究气候特征、形成和变化的学科是气候学，它是大气学科的一个重要分支。气候学依据它的发展有狭义的定义、经典的定义和广义的定义之分。前者通常被定义为平均天气或在某一长时期的平均天气状态，更严格的是用这一长时期内对有关变量的平均值或变率从统计上来表征。广义的气候学定义指气候系统的状态及其变化，包括平均气候状态和气候变化与变率（climatechangeandvariability）。由此可见，随着科学的发展，气候从一个局地的、低层大气特征的概念已转变为全球气候系统的概念。气候学的研究对象也自然而然地扩展为全球气候系统。
全球气候系统指的是由一个大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈组成的高度复杂的系统，这些部分之间发生着明显的相互作用。在这个系统自身动力学和外部强迫作用下（如火山爆发、太阳变化、人类活动引起的大气成分的变化），气候系统不断地随时间演变（渐变和突变），而且具有不同时空尺度的气候变化与变率（月、季节、年际、年代际等气候变率与振荡）。
1.2.2气候变化
从科学的角度讲，气候变化是指气候平均状态和离差（距平）两者中的一个或者一起出现了统计意义上显著的变化。离差值增大，表明气候变化的幅度越大，气候状态不稳定性增加，气候变化敏感性也增大。以温度为例说明气候变化与平均值或离差值变化的关系。假定某一地区或地点的温度在多年平均条件下呈正态分布，在平均温度处出现的概率最大，偏冷和偏热的天气出现的概率较小。极冷或极热的天气（一般在2倍标准差σ以上）出现的可能性很小或没有。假如由于气候变暖的作用，平均值增加了某一数值，这时偏热天气出现的概率将明显增加，并且原来从不出现的极热天气现在也可能出现了；相反，偏冷天气出现的概率将大大减少。如果平均值不变，但离差增加后，会造成更多的偏冷或偏热天气，更多的极热或极冷天气，可以得出这几类天气的出现概率都比先前气候条件下的出现概率增大了。以上结论不但说明了气候变化可以由气候平均值或离差的变化引起，而且也清楚地说明了气候变化与极端天气事件出现的关系。
应该指出，气候变化可以由不同的原因造成。概括起来，分为自然的原因和人类活动的原因。根据引起气候变化原因的不同，对气候变化的定义也不同。IPCC定义的气候变化是指气候随时间发生的任何一种变化，不论它是由自然的变率造成，还是人类活动的结果。但联合国气候变化框架公约（UNFCCC）中使用的气候变化定义则专指由人类活动直接或间接引起的气候变化。这种人类活动是通过改变全球大气组成成分而影响全球气候的，由此造成的气候变化是叠加在相同时期的自然气候变率之上的。
1.3气候变化影响研究方法
未来全球气候变化的趋势受人类社会的发展途径影响很大。气候变化对生态系统和社会经济的影响评估是选择适应和减缓气候变化战略的基础。在评估气候变化的影响、脆弱性和适应性时，需要构建未来社会经济变化的情景，由此衍生出温室气体的排放情景，然后利用气候模式对未来人类活动引起的气候变化进行情景预估，以减少气候变化的影响、脆弱性和适应性评估的不确定性（丁一汇等，2009）。
评价气候变化影响的方法一般有三种：影响、相互作用和集成方法（IPCC，1994）。全球气候变化对水循环的影响研究，主要是通过研究气候变化引起的流域气温、降水、蒸发等变化来预估径流可能的增减趋势及对其流域供水影响，即所谓的What-if模式（江涛等，2000）：如果气候发生某种变化，水文循环各分量将随之发生怎样的变化，气候变化对水循环的影响因地区和气候情景的不同而异。研究气候变化对水循环的影响包括两方面的内容：一是选择未来气候情景；二是选择或建立水文模型。一般包括四个步骤：①定义气候变化情景，描述未来气候变化状态；②建立、验证流域水文模型；③将气候变化情景作为流域水文模型的输入，模拟、分析区域水文循环过程和水文变量；④评价气候变化对水循环的影响，根据水循环的变化规律和影响程度，提出相适应的对策和措施。其中水文模型的建立与未来气候变化情景的生成是影响评估的关键。1.3.1社会经济情景的构建及应用
所谓情景就是在对一系列重要内在联系和驱动因子作出协调一致及合理假设的基础上，为世界或地区提供未来发展的可能状态。因此，情景分析不同于预测，并不力图描绘被研究对象未来最可能发生的情况。2000年出版的IPCC《排放情景特别报告》（SpecialReportonEmissionScenarios，SRES）提出了4种全球未来可能的社会经济发展框架（Nakienovietal.，2000）。通过相关假设和特征的量化，衍生出了多种温室气体排放情景，是评估未来气候变化可能影响的基础。
在SRES所构建的社会经济情景中，社会经济发展的主要驱动因素包括人口、经济增长、技术变化、能源、土地利用、社会公平性、环境保护和全球一体化。无论从定性角度还是从定量角度，4种情景系列（A1、A2、B1和B2）的差异都比较大。
A情景强调经济发展，B情景在发展经济的同时强调环境保护的重要性；1类情景强调全球的趋同性，2类情景强调区域经济、社会、环境可持续发展。
社会经济情景的构建包括两个过程：①主要指标和背景因子的设定分析阶段：确定研究对象的特点和内在联系，并进行完整的定性描述，构建未来的发展框架，对一些重要关系和因素设定量化目标；②情景的计算分析阶段：基于第一阶段得出的量化关系，应用经济、能源、环境等综合模型来模拟未来主要经济、社会、能源、土地利用和环境等指标的发展趋势。
