气候和人类活动对水循环的影响机理(精)

第1章全球变化与水循环 水循环是联系大气水、地表水、地下水和生态水的纽带，其变化深刻地影响着全球水资源和生态环境系统的时空分布，影响着人类社会的发展。本书中的全球变化是指人类活动导致的全球气候变化和下垫面变化，是水循环演变的驱动要素。人类活动以前所未有的速度和程度改变了全球现代地表环境（Steffen et al.，2007），地球系统提供给人类生存环境的能力正受到人类本身活动的极大挑战。联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第五次评估报告（Fifth Assessment Report，AR5）明确指出，人类对气候系统的影响是明确的，21世纪末期及以后时期的全球平均地表变暖主要取决于累积的CO2排放，即使停止了CO2的排放，气候变化的许多方面仍将持续许多世纪。全球环境变化的危险性加大，各种资源短缺和环境问题日益突出。温室气体排放导致的气候变化，使得洪涝、干旱等极端灾害事件频繁发生并不断加剧。据统计，1991～2000年，全球约66.5万人死于2557起自然灾害，其中90%是与水相关的自然灾害。根据《联合国全球评估报告》，1900年以来，超过1100万人死于干旱，超过20亿人受到干旱的影响，灾害的频率和强度普遍上升。根据世界银行预估，2020～2050年，适应全球平均气温上升2℃影响的成本每年可能达到700亿～1000亿美元。因此，分析全球变化的历史是认知水循环演变规律及其对水资源、生态环境和社会经济影响的前提。 本章论述全球气候变化和人类活动对现代地表环境的影响和改变程度，以及其对水文、水资源的影响，阐述全球变化下水文学面临的挑战及发展趋势。 1.1全球气候变化 1.1.1气温上升 人类活动造成温室气体排放量增加是全球气候变暖的主要影响因素，化石燃料使用和土地利用变化是温室气体浓度上升的主要原因，大气中CO2、CH4和N2O等温室气体浓度已上升到历史*高水平。向大气排放CO2的长期积累是气候变暖的主要因素，但非CO2温室气体的贡献也十分显著。2013年9月27日在瑞典首都斯德哥尔摩，IPCC**工作组第五次评估报告“Climate Change 2013:The Physical Science Basis”指出，全球气候系统变暖是毋庸置疑的事实，1950年以来，观测到气候系统的许多变化是过去几十年甚至近千年以来史无前例的。全球几乎所有地区都经历了升温过程，体现在地球表面气温和海洋温度的上升、海平面的上升、格陵兰和南极冰盖消融及冰川退缩、极端气候事件频率增加等方面。1880～2012年全球升温在0.65～1.06℃，平均温度已升高0.85℃；过去30年，每10年地表温度的增加幅度高于1850年以来的任何时期。1951～2001年我国平均气温上升约1.1℃，增温从20世纪80年代开始，且有加速的趋势，90年代是我国20世纪*暖的十年。 在IPCC第五次评估报告中，基于国际耦合模式比较计划第五阶段（The fifth phase of the Coupled Model Intercomparison Project，CMIP5）的46个地球系统模式给出的21世纪气候变化预估结果，未来全球平均地表气温将随温室气体排放而继续升高。基于CO2浓度驱动的温室气体代表性浓度路径（representative concentration pathways，RCP）情景，相对于1986～2005年，2081～2100年全球平均地表气温处于CMIP5模式结果5%～95%的范围内，RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0、RCP8.5情景下全球平均地表气温分别升高0.3～1.7℃、1.1～2.6℃、1.4～3.1℃和2.6～4.8℃。RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5情景下预估的2081～2100年全球平均地表气温可能会比工业化前高1.5℃（高信度），RCP6.0和RCP8.5情景下可能会比工业化前高2℃（高信度），而RCP2.6情景下可能不高于2℃（中等信度）。除RCP8.5情景下可能在2081～2100年出现超过4℃的升温情况外（中等信度），其他所有RCP情景下都不可能出现这种情况（高信度）（董思言和高学杰，2014）。 1.1.2降水变化 气温升高将导致大气中水汽含量增多，进而对降水产生影响（Trenberth et al.，2003）。全球范围的极端事件增多，全球降水将呈现“干者越干、湿者越湿”的趋势。不同区域和不同强度降水呈现不同变化趋势。例如，Gu等（2007）研究指出，热带地区的降水增加，而北半球中纬度降水减少。1979～2000年卫星观测资料研究及多模式集合模拟结果表明，在更为暖湿的气候下，热带地区强降水事件将会增多，而弱降水事件将会减少（Allan and Soden，2008）。Karl和Knight（1998）指出，美国近百年来降水量增加主要由极端降水事件增加导致。Fujibe等（2005）研究表明，20世纪日本强降水频率增加，弱降水频率减少。极端降水的这种变化很可能与全球变暖有关（Allan and Soden，2008；Held and Soden，2006）。Karl和Trenberth（2003）在全球范围内选取降水总量相同的站点，发现平均温度较高的站点会出现更多的强降水和更少的弱降水。 降水强度分布结构对全球变暖的响应可能更敏感。例如，Lau和Wu（2007）对热带地区降水进行研究发现，1979～2003年该地区强降水和弱降水呈增加趋势，而中等强度降水呈减少趋势。黄晓亚等（2013）研究表明，58年来，虽然我国贵州年降水量变化趋势不明显，但各站日降水量集中度呈现加大的趋势，且77%的站点增加趋势显著。连续3日、5日、7日无雨日次数以及*大日降水量都呈现增加趋势，日降水量集中度与*大日降水量相关程度高，说明该地区暴雨和干旱发生频率增加趋势明显。IPCC第三次评估报告以及IPCC第四次评估报告得出结论认为，在总降水量增加的暴雨事件中，以及在总降水量减少或保持不变的区域，极端降水出现了增加的情况（Folland et al.，2001）。20世纪暴雨事件有所增加，降水量通常比平均水平要大得多，甚至在总降水量减少的地区也是如此（Trenberth et al.，2007）。在全球变暖的背景下，极端暖事件增多，极端冷事件减少；热浪发生频率更高，时间更长；陆地区域的强降水事件增加，欧洲南部和非洲西部干旱强度更强、持续时间更长；热带气旋的强度、频率和持续时间存在长期增加趋势。 近100年来我国平均降水变化总体趋势不显著，但呈显著的年际和年代际振荡以及区域性变化。从降水量的季节变化来看，秋季和春季变化较显著，分别减少27.3mm和增加20.6mm；从区域性变化来看，海河流域、黄河流域显著减少，长江下游、西部内陆河显著增加；同时区域性短历时暴雨强度、极端强降水日数增加（丁一汇等，2006）。 1.2人类活动 1.2.1人口增加 自然界所受到的人类扰动与人类社会的规模和构成有关。人口是人类活动的主体，人口数量会影响（水土）资源、能源、粮食、环境等诸多方面，从而对自然环境产生直接压力。 人类真正的大发展是进入资本主义时代以后。18世纪在欧洲爆发的工业革命激发起了第二次人口浪潮。这一次人口浪潮主要席卷了欧美各资本主义国家。从19世纪初至1950年的150年间，欧美等发达地区的人口增长2.35倍，而其他发展中地区的人口只增长1.31倍。18世纪后半期，发展中国家人口占世界人口74.6%，1900年下降至65.3%。这一时期全球人口从1650年5.6亿增加至1950年25.2亿。第二次世界大战后，全球出现席卷世界各国的第三次人口浪潮。除发达国家作为补偿性增长的“婴儿激增”外，战后独立的国家人口剧增。1950～1988年世界人口就翻了一番。世界人口每增10亿的时间越来越短，1800年世界人口达到10亿，1931年达20亿，1960年达到30亿，1974年达到40亿，1987年达到50亿，1999年达到60亿。2002年底，全球人口已接近62亿。根据2018年《世界人口状况》报告，2017年全球人口为75.5亿。根据联合国人口基金会发布的报告，到2050年全球人口将增长22亿，其中13亿的增长可能来自撒哈拉以南的非洲。 1850年中国人口约4.3亿，占世界人口的34%。由于战乱等原因，1850年至1950年中国人口增长缓慢。1949年末，我国人口为5.42亿，占世界人口比例下降到22%。到1990年末，我国人口已达11.43亿，但占世界人口比例一直保持在22%左右。20世纪90年代，随着计划生育工作的不断加强，我国的生育率下降到更替水平以下。由于人口结构的原因，我国人口总量仍在继续增长，但占世界比例逐年降低，2021年我国人口约14.1亿，占世界人口的19%。 1.2.2土地利用/土地覆盖变化 农业、城镇化等人类活动对生态系统和土地覆盖的改变，是地球自然生态系统变化*主要的根源之一。20世纪以来，人类活动所导致的土地覆盖变化已逐渐成为一个伴随地球系统产生的全球现象。耕地面积扩大、城镇化以及对木材、纸制品的需求等人类活动改变了42%～68%陆地表面（Hurtt et al.，2006）。土地利用/土地覆盖变化（land use and cover change，LUCC）对全球变化的影响已达到与自然要素对全球变化影响的同一量级，在一些区域成为生态系统变化的主要原因。 农业作为人类*主要的土地利用活动之一，目前已经涉及全球陆地地表的1/3，已替代全球陆地地表的大部分植被。据统计，1700～1992年，全球耕地面积整体上呈增加趋势，共增加了约5.5倍，欧洲是耕地扩大*快速的地区，其次是北美洲和苏联，大部分耕地增加以牺牲林地和草地为代价（Ramankutty and Foley，1999）。通过对多源耕地数据分析，1981～1990年全球各个大洲耕地均有增加，增加的区域主要位于亚洲的东南部、印度河流域、中东和中亚地区、美国的大平原地区，同时美国东南部和中国东部的耕地减少较为剧烈（Lepers et al.，2005）。20世纪90年代以来，随着城市化水平提升、工业化推进、经济发展以及人口增长，耕地呈现减少趋势。20世纪90年代初全球耕地为1800万km2（Ramankutty and Foley，1999），2000年全球耕地约为1500万km2。1961～2015年，耕地面积总量呈递减趋势的国家越来越多，人均耕地面积递减的国家所占比例达85.71%。预测在2000～2030年，城市化将导致每年主要农业用地损失160万～330万hm2。2050年，世界人口可能过亿的17个国家及耕地面积排名前十的国家，大多数表现出耕地减少趋势，90%以上的国家出现人均耕地面积减少的现象（赵文武，2012）。 20世纪初，地球上的森林面积约有5000万km2，如今已锐减到不足4000万km2。全世界的热带雨林每年破坏率达2%，现在正以每秒0.607hm2的速度自地球表面消失。我国历史上曾经是一个多林的国家，经考证分析，在4000年前的远古时代，森林覆盖率高达60%以上。但是随着历史的发展，森林资源日趋减少。到战国末期降为46%，唐代约为33%，明代之初为26%，1840年前后约降为17%，1949年中华人民共和国成立时降为8.6%。到21世纪初上升到18.21%，2018年全国森林面积达到31.2亿亩（1亩=666.7m2），森林覆盖率达到21.66%。东部地区森林覆盖率为34%，中部地区为27%，西部地区只有13%，而占国土面积32%的西北5省（自治区）（陕西省、甘肃省、青海省、宁夏回族自治区、新疆维吾尔自治区）的森林覆盖率只有6%。 尽管人类通过耕作活动利用土地