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通讯作者:

司丽丽,E-mail:sll_0312@163.com

引用:苏布达,孙赫敏,李修仓,等,2020.气候变化背景下中国陆地水循环时空演变[J].大气科学学报,43(6):1096-1105.

Quote:Su B D,Sun H M,Li X C,et al.,2020.Impact of climate change on terrestrial water cycle in China[J].Trans Atmos Sci,43(6):1096-1105.

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    摘要

    水循环是气候系统各子系统相互作用过程中一个最活跃的枢纽,受气候变化影响显著。本文采用观测和多套再分析数据,系统分析了1979年以来中国及各大流域大气水汽含量、降水、蒸散发和地表径流等水循环要素年际变化。研究发现,1979—2018年,中国陆地整层大气水汽含量和水汽收支呈显著上升趋势;水汽收支除在松花江和西南诸河略有下降,其余流域均呈上升趋势;降水除西北诸河流域呈现显著上升趋势外,其余流域变化不显著;蒸散发整体呈微弱增加,但南方大部流域呈现显著的减小趋势;除西北诸河径流显著上升趋势外,北方大部分流域地表径流呈现减少趋势,而南方流域的径流变化趋势复杂多样。相对1979—2000年,21世纪以来中国年平均气温上升约0.63 ℃,年降水量、大气水汽含量分别增加0.5%和1.2%,水汽总输入和输出量均减小,降水再循环率增加10.9%。进入21世纪,中国陆地水资源一级分区内循环均较前20 a活跃,降水再循环率除松花江和辽河流域外,均有所增加。其中,海河、黄河、淮河和西北诸河流域的水汽和蒸发形成的降水都有所增加;辽河流域蒸发形成的降水有所增加,但输入水汽减少导致流域降水减少最多;松花江、长江、珠江和西南诸河流域蒸发形成的降水增加,输入水汽减少导致降水略有减少;东南诸河蒸发形成的降水略有增加,但整体变化不大。

    Abstract

    Water cycle is one of the most active processes in the interaction among ocean,land and atmosphere,and affected significantly by climate change.This paper evaluates the changes of water cycle components including precipitation,evapotranspiration,surface runoff and water vapor in China and ten river basins since 1979 based on ground based observations and reanalyses.Results show that the atmospheric water vapor and water vapor budget have shown significant increase trends during 1979—2018 in China.But,a weak downward trend of atmospheric water vapor was found at the Songhua River Basin and the Southwest River Basin spatially.Except for the Northwest River Basin,where annual precipitation increased significantly,changes of precipitation in other river basins were not significant.Areal averaged annual actual evapotranspiration increased slightly in China,but decreased obviously at the most River basins in South China.As for surface runoff,a clear increase trend was detected at the Northwest River Basin,but negative trends were found at the majority of River basins in North China,while trends were complex at the River basins in South China.Relative to 1979—2000,annual mean temperature in China increased by about 0.63 ℃,and annual precipitation and atmospheric water vapor increased about 0.5% and 1.2%,respectively,in 2000—2018.Meanwhile,both inflow and outflow of water vapor decreased,and precipitation recycling ratio increased by 10.9%.Spatially,the internal water recirculation was more active than before in 2000—2018 at the most river basins escept for the Songhua and Liaohe River basins in Northeast China.Precipitation produced by local evapotranspiration and inflow water vapor were both increased at the Haihe,Yellow,Huaihe and Northwest River Basins.At the Songhua,Liaohe,Yangtze,Pearl and Southwest River Basins,increase of precipitation from local evapotranspiration was offset by more significant declining of precipitation from infow water vapor,and this effect was more obvious at the Liaohe River Basin than others.Precipitation produced by local evapotranspiration has increased slightly,but overall change of precipitation was not significant at the Southeast River Basin.

    关键词

    陆地水循环气候变化中国

  • 水循环是海洋、陆地和大气之间相互作用过程中一种最活跃且最重要的枢纽,对全球气候和生态环境变化起至关重要的作用。Oki(2006)和Trenberth et al.(2007)综合了多种观测资料,对全球水循环过程进行定量评估,形成了全球水循环整体框架:地壳中的含水量最多,但地下深层的水体和其他水体的交换相当缓慢,全球水循环过程中可不予考虑;海洋储水量1 335 040万亿立方米,为地壳储水量的1/10;另有大量的水主要以冰的形式存在于格陵兰与南极冰盖;大气中的含水量极低,约为12.7万亿立方米(折合平均水深为25 mm);地表每年的平均降水量约为113万亿立方米(折合平均水深为1 000 mm),主要由海洋的蒸发和陆地的蒸发与蒸腾补给;海洋平均每年蒸发约为413万亿立方米,其中只有约10%输送到陆地;陆地平均降水中65%被植被蒸散,其余转变为地表径流。根据克拉珀龙克劳修斯(CC)方程,理论上,饱和水汽压随气温的上升而增加,大气中的水汽含量会随着全球温度的上升而增加,进而对全球水循环产生影响。观测和模式模拟研究发现,近百年来随着气温升高,大气的水汽含量的变化基本遵循CC方程,气温每升高1℃,水汽含量上升7%左右;但,陆地降水变化不大,约为1%·℃-1~3%·℃-1,且表现为极大的区域差异。另外,受到监测网络在空间和时间覆盖范围的限制,水循环变量的趋势仍然存在相当大的不确定性(Huntington,2006;Goose et al.,2010;Durack et al.,2012;Good et al.,2015;Eicker et al.,2016;Skliris et al.,2016)。

  • 中国大陆幅员辽阔,南北纬跨度约50°,西倚青藏高原,东临太平洋,地形复杂多变,受季风影响显著。20世纪90年代,刘国纬和汪静萍(1997)基于1973—1982年探空站数据和地面观测资料研究了中国陆地水循环框架模型,发现中国大陆上空整层大气水汽含量约为0.14万亿立方米,折合水深15.1 mm;水汽年总输入量为1 909.4 mm,输出量为1 625.3 mm,水汽收支为284.1 mm;降水量为648.4 mm,蒸散发量为364.3 mm,地表水资源量为284.1 mm。全球变暖背景下,中国地表气温显著上升,且升温幅度大于全球。相应的,近几十年中国陆地水循环及其相关过程也存在明显的趋势变化和年际、年代际变率特征(《第三次气候变化国家评估报告》编写委员会,2015;丁一汇,2017;罗勇等,2017;姜彤等,2020)。近些年有大量研究开展了中国陆地水循环组成要素的时空演变特征分析,但较少关注气候变化对水循环系统的影响以及影响的区域差异。本文选用中国地面和探空观测数据以及多套再分析资料,对比分析21世纪前后两期的水循环要素及降水再循环率的演变特征,研究气候变化对中国水循环系统的影响。

  • 1 资料和方法

  • 本文主要关注大气水汽、降水、蒸发和径流等水循环要素,收集整理了基础地理信息数据、气象数据、水文数据和再分析数据(表1)。水文基础地理信息采用国家基础地理信息地图网发布的中国1∶400万1~5级河网数据及水利部水利水电规划设计总院发布的中国1:25万1级水资源分区数据。大气水汽采用多套数据集合分析,包括1979—2015年均一化的探空资料,以及1979—2018年NCEP/NCAR、ERA-Interim、ERA5和JRA55等再分析数据。降水数据采用国家气象信息中心整理的1979—2018年逐日观测资料。蒸散发采用多套数据集合分析,包括全球长期通量观测网络数据(FLUXNET-MET)、基于观测气象资料计算的平流干旱模型(Advection-Aridity model,AA)数据和非线性互补相关模型(nonlinear Complementary Relationship,CR)数据、GLEAM遥感蒸散发模型(Global Land-surface Evaporation:the Amsterdam Methodology)数据以及ERA-Interim、JRA55再分析数据。地表径流数据为基于各水资源一级分区共63个水文站流量资料和国家气象信息中心逐日气象要素率定VIC水文模型并模拟获取的1979—2018年逐日径流。

  • 表1 研究数据汇总

  • Table1 Data list

  • 大气中水汽输送不断改变着全球水汽的时空分布特征,在大气中产生水汽源区和汇区,并通过相变产生的潜热交换反过来影响大气环流的形态。地表径流、地下水动态等也使得水分及其携带的热量在陆地上发生改变,调节着全球能量和水分的分布。而降水和蒸散发,则将陆-气联系在一起,使它们互为水分和热量的源汇,成为一个整体(丁一汇,2017)。区域降水根据水汽来源的不同可以分为再循环和外循环两部分:

  • P=Pm+Pa

  • 其中:P为降水;Pm表示由本地蒸散发的水汽凝结形成的降水,称之为再循环降水,也称为内循环降水;Pa为由外部输入的水汽形成的降水,称之为外循环降水。再循环降水占总降水的比例称为降水再循环率,表示为:

  • ρ=PmPm+Pa=PmP

  • 降水再循环率的计算采用Eltahir and Bras(1994)二维模型:

  • ρ=Im+EIm+E+Ia

  • 其中:Im表示输入格区的水汽来自研究区内;Ia表示输入格区的水汽来自研究区外;E为蒸散发量。公式假设条件为:1)大气可降水量W的变化相对于蒸散发量和水汽输送通量来说很小(W/t0);2)大气水汽充分混合,外循环降水量与内循环降水量之比等于大气水汽含量中的平流水汽与蒸散发水汽之比。该模型可用于计算月尺度水分再循环率,并可获得水分再循环率的空间分布(图1)。

  • 图1 水分再循环示意

  • Fig.1 Schematic diagram of moisture recycling

  • 2 水循环要素时空分布

  • 2.1 空间分布特征

  • 观测和多套再分析数据显示,中国陆地多年平均(1981—2010年)的整层大气水汽含量约为0.13万亿立方米,折合平均水深约14 mm。从图2a可以看出,受海陆分布与大气环流的影响,中国大气水汽含量空间差异较大,由东南沿海的40 mm向西北递减,青藏高原和西北地区东部为极小值区,约为5 mm。中国为多年平均水汽汇区,1981—2010年多年平均水汽输入为15.5 万亿立方米/年,输出为12.1万亿立方米/年,67%为过境水汽。水汽收支为3.4万亿立方米/年。东边界的西风输出大于西边界的西风输入;南边界水汽输入量为最大,北边界为弱的水汽输入边界,但经向水汽输送量要小于纬向水汽输送量。

  • 中国陆地多年平均年降水量为615.3 mm。图2b显示,降水量的空间分布阶梯特征十分明显,由东南沿海向西北内陆递减。年降水量最大值位于长江中下游和东南沿海地区,约为1 500~2 000 mm;西北内陆沙漠地区年降水量较少,多在200 mm以下,最小值位于西北塔里木地区,不足25 mm。

  • 不同产品得到的中国区域平均年实际蒸散发介于350~600 mm。图2c显示,年蒸散发由南部和东南沿海向西北内陆递减,最大值位于海南,达1 200 mm以上;最小值则位于新疆南部的塔克拉玛干以及内蒙古西部地区,不足100 mm。

  • 中国陆地年地表径流总量为2.6万亿立方米,径流深为278 mm。一级水文分区中,长江流域的径流最大,为9 856 亿立方米,海河流域的径流最小,为216亿立方米。从图2d可以看出,径流深也由东南沿海像西北内陆递减,东南诸河的径流深最大,为904 mm,西北诸河流域最小,只有33 mm。

  • 2.2 时间变化特征

  • 19 79—2018年中国区域水循环要素变化的距平百分率(相对1981—2010年气候平均态)如图3所示。

  • 随着地表气温显著升高,1979—2018年中国区域整层水汽含量呈显著上升趋势,尤其是2010年后增加明显(图3a)。水汽收支在20世纪80—90年代变化不大,进入21世纪后显著上升。水汽输入、输出在1979—2018年均呈显著的下降趋势(图3b)。

  • 1979—2018年降水量变化趋势不显著,但年代际波动较大。20世纪80年代和21世纪前10 a的年降水量较1981—2010年均值分别偏少0.6%和2.2%,而20世纪90年代和近10 a代降水分别偏多2.0%和4.6%(图3c)。

  • 图2 1981—2010年中国多年平均整层大气水汽含量(a)、降水量(b)、实际蒸散发(c)和地表径流(d)的空间分布(单位:mm)

  • Fig.2 Spatial distribution of(a)multi-year averaged annual atomospheric water vapor,(b)precipitation,(c)actual evapotranspiration and(d)surface runoff in China for 1981—2010(unit:mm)

  • 1979—2018年多种产品集合的蒸散发量呈现微弱的增加趋势。再分析资料的蒸散发明显高于其他产品。1979—2000年,不同蒸散发产品趋势比较一致,皆略有增大,而21世纪以来,大部分蒸散发产品呈下降趋势,但GLEAM和JRA-55的蒸散发继续增大,FLUXNET-MTE保持平稳;从多产品集合来看,中国地表蒸散发在2000年之后呈现微弱减小趋势(图3d)。

  • 地表径流总量呈波动下降趋势,20世纪80—90年代变化不大,进入21世纪后,中国地表径流呈先下降后上升的趋势,2010年后中国大部分区域由负距平转向正距平(图3e)

  • 相对于1979—2000年,2001—2018年中国整层水汽含量增加约1.2%,变化不大;水汽输入和输出均有所减小,但水汽输出减少的比例小于输入减少的比例,水汽收支增加;降水增加0.5%,变化不大;蒸散发减少0.6%,变化不大;地表径流总量减少约6%(表2)。

  • 2.3 水资源一级分区水循环要素变化

  • 1979—2018年,中国水循环要素变化趋势有明显的区域特征(图4)。整层大气水汽含量在辽河流域呈显著下降趋势,黄河流域和西北诸河呈显著上升趋势,其余流域变化不明显,淮河和东南诸河略有下降,松花江、海河、长江、珠江和西南诸河略有上升。水汽收支除在松花江和西南诸河略有下降,其余流域均呈上升趋势,其中海河、黄河、长江、东南诸河和西北诸河显著上升。

  • 图3 1979—2018年中国年整层大气水汽含量(a)、水汽收支(b)、降水量(c)、实际蒸散发(c)和地表径流(d)距平百分率时间变化(单位:%;气候平均:1981—2010年;c和e图中黑色实线为5 a滑动平均)

  • Fig.3 Time series of(a)annual atomospheric water vapor,(b)water vapor budget,(c)precipitation,(d)actual evapotranspiration and(e)surface runoff anomaly in China during1979—2018(unit:%;climate normal:1981—2010;the black lines in panels c and e are the 5-year moving averages)

  • 降水量除西北诸河显著上升外,其余流域变化不显著,但各流域具有明显的年代际变化特征:东北部的松花江和辽河及华北的海河和黄河流域在20世纪80—90年代正距平,21世纪初负距平,2010年后显著上升;淮河流域的降水变化不明显;长江、珠江和东南诸河在20世纪80年代降水量变化不明显,90年代正距平,21世纪初负距平,2010年后显著上升;西南诸河的降水量在21世纪前变化不明显,但在21世纪后下降显著;西北诸河的降水量在1985年后增加趋势加强,倾向率达13.0 mm/(10 a)。

  • 表2 中国陆地水资源一级分区水循环要素2001—2018年相对于1979—2000年变化百分率

  • Table2 Percentage change of factors in hydrological cycle in China basins during2001—2018 relative to 1979—2000%

  • 蒸散发在中国西部和东北部流域主要以增加为主,南部大部流域呈现显著的减小趋势:其中辽河、淮河和长江流域呈弱下降趋势;海河、珠江流域和东南诸河呈现显著下降趋势;松花江和西南诸河呈显著增加趋势,西北诸河略有增加。但淮河流域、西南诸河和西北诸河在21世纪以后发生了趋势转变,淮河流域由显著下降趋势转变为弱的上升趋势,西南诸河由上升趋势转变为下降趋势,西北诸河由显著上升趋势转变为明显下降趋势。

  • 除西北诸河外,观测的地表径流在北方大部分流域呈现减少的趋势,而南方的河川径流变化趋势比较复杂。其中,松花江和辽河流域年径流量为弱下降趋势;海河和黄河流域观测的年径流量也呈现持续减少的趋势;淮河流域由于区域取调水情况复杂,大部分地区呈下降趋势;长江流域上游年径流有显著上升趋势,中下游径流量年际变化相对平稳;西南诸河径流呈显著下降趋势;珠江和东南诸河地表径流略有增加。

  • 相对于1979—2000年,2001—2018年中国整层水汽含量在黄河和西南诸河流域略有增加,但增幅均不足3%,西北诸河的整层水汽含量增加显著,达7.6%;松花江、海河、长江和珠江的水汽含量略有减小,减幅小于1%,淮河和东南诸河减幅约为1.1%,辽河流域减少最多,达3.7%。中国整体水汽输入和输出均有所减小,但除松花江、辽河和西南诸河外,大部分流域水汽输出减少的比例大于输入减少的比例,水汽收支增加;中国东部和南部流域降水减少,华北和西北流域降水增多,其中,黄河和淮河流域降水增加约4%左右,西北诸河流域降水增加达10.2%,海河、珠江和东南诸河降水基本变化不大;辽河流域降水减少较多,约为5.5%,松花江、长江和西南诸河减少约为2%。蒸散发在淮河、长江、珠江和东南诸河流域有所减少,减少幅度小于3%,海河和西南诸河流域变化不大,而东北松花江和西北诸河流域的蒸散发增加显著,其中西北诸河流域增幅达18.8%。西北诸河径流增加显著,而长江、珠江、东南诸河和西南诸河等南方流域略有减少,平均减少约为8%,北方流域减少明显,松花江和辽河减幅约20%(表2)。

  • 图4 1979—2018年中国陆地水资源一级分区水循环要素时间变化趋势(P代表降水量,E代表蒸散发量,R代表地表径流量,W代表整层大气水汽含量,I代表输入水汽量,O代表输出水汽量)

  • Fig.4 Trends in factors of hydrological cycle at the ten river basins in China during1979—2018(P:precipitation;E:actual evapotranspiration;R:surface runoff;W:atomospheric water vapor content;I:atmospheric water vapor inflow;O:atmospheric water vapor outflow)

  • 3 中国降水再循环率演变特征

  • 中国多年平均(1981—2010年)降水再循环率约为15%,空间分布差异明显。降水再循环率南方明显高于北方,高值区位于珠江流域、长江中游,一般在15%~30%,局地可达40%以上。青藏高原地区降水再循环率也相对较高,大部在15%~20%。西北、华北北部及辽河流域为中国降水再循环率的低值区,一般在10%以内,表明这些地区降水的水汽来源主要依赖于区外的水汽输送(图5)。

  • 1979年以来,中国年降水再循环率均呈现增加趋势,表明全球气候变暖下,中国区域的水分内循环在加速(图6)。空间上,除松花江和辽河流域外,其余八大水资源分区降水再循环率均有所增加。其中,长江、黄河和海河三个流域增幅超10%。

  • 4 讨论和结论

  • 近百年来随着气温升高,全球尺度降水、蒸发、水汽及径流的分布、强度和极值都发生了变化,显示出气候变暖已对全球尺度水循环产生了一定的影响。近40 a来全球气温升高约0.5℃,大气水汽含量上升3.5%左右,降水偏多1%~3%(IPCC,2014)。

  • 全球变暖背景下,中国陆地水循环及其相关过程存在明显的趋势变化和年际、年代际变率特征。1979—2018年,中国大气水汽含量呈显著上升的趋势;水汽收支在20世纪80—90年代变化不大,进入21世纪后显著上升。年降水量变化趋势不显著,但近10 a来呈明显增多的趋势;1979年以来,蒸散发总体上呈现微弱增加趋势,其中1979—2000年,各种产品的蒸散发显示微弱增大趋势,进入21世纪后,不同产品的趋势呈现较大的差异;地表径流总体上呈减少的趋势;降水再循环率呈显著增加趋势。总体而言,相对1979—2000年,21世纪以来中国地表年平均气温上升0.63℃;水汽含量增加约1.2%,小于全球及理论计算增加量;年降水量增加0.5%,也小于全球增幅;大气水汽总输入和输出量均减小,蒸散发减少,降水再循环率却增加10.9%。

  • 图5 1981—2010年中国降水再循环率空间分布(单位:%)

  • Fig.5 Spatial distribution of precipitation recycling ratio in China for 1981—2010(unit:%)

  • 图6 1979—2018年中国降水再循环率时间变化(虚线为线性趋势)

  • Fig.6 Time series of precipitation recycling ratio in China during1979—2018(the dashed line is the linear trend)

  • 中国水循环基本与全球水循环变化特征一致,但又表现出明显的区域差异。1979—2018年,整层大气水汽含量在辽河流域呈显著下降趋势,黄河流域和西北诸河呈显著上升趋势,其余流域变化不明显;水汽收支除在松花江和西南诸河略有下降,其余流域均呈上升趋势;降水量除西北诸河显著上升外,其余流域变化不显著;蒸散发在中国西部和东北部流域主要以增加为主,南方大部流域呈现显著的减小趋势;地表径流除西北诸河外,中国北方大部分流域呈现减少的趋势,而位于南方的河流径流量变化趋势多样。

  • 相对于1979—2000年,21世纪以来中国陆地水资源一级分区内循环均较活跃,降水再循环率除松花江和辽河流域外,均较之前增加。海河、黄河、淮河和西北诸河的降水增加,流域的水汽和蒸发形成的降水都有所增加,蒸散发形成的降水增加比重大于外界输入水汽形成的降水增加比重。虽然辽河流域内蒸散发形成的降水有所增加,但输入水汽减少导致流域总降水减少最多。松花江、长江、珠江和西南诸河流域内蒸散发形成的降水增加,输入水汽减少导致降水略有减少。东南诸河流域虽然内部蒸发形成的降水略有增加,但整体变化不大。

  • 受到监测时空限制,对水循环系统变化的认识存在不足。大气水汽含量和降水变化的不一致会导致大气环流的改变,而大气环流的变化进一步加大水循环的空间差异。海表面气压变化趋势的分析表明,过去百年中全球的Walker环流有减弱的迹象,大气的表面风速有所减弱(Vecchi et al.,2006;Vecchi and Soden,2007a;Tokinaga,et al.,2012)。经向Hadley环流对于全球变暖的响应则不像纬向Walker环流那样显著(Vecchi and Soden,2007b;Ma et al.,2012)。总的来说,在大尺度环流上,由于全球变暖导致大气中水汽与层结发生变化,热带环流未来将会减慢,同时Hadley环流将向极扩张,热带辐合带也将产生飘移。区域降水变化可拆分为热力项与动力项的变化,而受热带水汽增加影响的热力项与由环流减弱主导的动力项相互抵消,使得其他动力过程得以控制局地的环流变化,例如海洋表面增暖分布型的效应以及陆地的多种物理过程,使得未来的气候变化对区域水循环的影响不确定性加大(Ma et al.,2018)。

  • 20 世纪80年代前中国东部地区来自西北太平洋、南海和孟加拉湾的水汽输送偏强,20世纪80年代之后显著减弱,这与20世纪80年代中期以来东亚夏季风年代际减弱的变化特征一致。由于输送到中高纬地区的水汽大大减少,华北地区降水偏少,南方降水偏多。21世纪以来,松花江、辽河、海河、黄河和淮河流域的降水和径流相对于1981—2000年均有所增加或下降趋势减缓,水汽收支均较2000年前的下降趋势减缓或转为增加趋势;而长江、珠江、东南诸河和西南诸河的降水和径流则有所减少(丁一汇等,2013;丁一汇,2017;梁苏洁等,2014;苏涛等,2014)。全球变暖导致极端降水增加,这一现象在中高纬度表现更为明显。中国处于中纬度地区,无论是在干旱区还是湿润区,中国极端降雨事件都显著增加,这也使得中国的水循环变化更为复杂(罗勇等,2017)。

  • 参考文献

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