长江上游近千年来的洪水变化...水文模型模拟数据与重建数据_霍苒.pdf

长江上游近千年来的洪水变化比较气候-水文模型模拟数据与重建数据霍苒1,2,陈华1,2*,李璐3,许崇育4,1,李晶晶1,洪思1,占车生5,夏军1,61.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉 430072;2.武汉大学海绵城市建设水系统科学湖北省重点实验室,武汉 430072;3.NORCE Norwegian Research Centre,Bjerknes Centre for Climate Research,Jahnebakken 5,5007 Bergen,Norway;4.Department of Geosciences,University of Oslo,P.O Box 1047 Blindern,0316 Oslo,Norway;5.中国科学院生态系统网络观测与模拟重点实验室,北京 100101;6.中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室,北京 100101*通讯作者,E-mail: 通讯作者,E-mail:c.y.xugeo.uio.no收稿日期:2022-03-20;收修改稿日期:2022-08-27;接受日期:2022-09-15;网络版发表日期:2023-01-19国家重点研发计划项目(编号:2017YFA0603702)和挪威研究理事会(FRINATEK)项目(编号:274310)资助摘要了解水文过程对温室气体水平上升的响应,对气候变化影响研究至关重要.然而,由于缺乏长期的观测数据来了解气候系统的长期行为,这方面的研究往往受到一定限制.结合重建数据和模型模拟(全球气候模式和水文模型)数据将有助于更好地理解气候和水文过程在过去几十年到几个世纪的时间尺度上的变化.在本研究中,利用模型链方法研究长江上游过去千年至21世纪末的洪水变化.首先,利用四个全球气候模式(BCC-CSM1.1、MIROC-ESM、MRI-CGCM3、CCSM4)的降水和温度数据驱动水文模型,模拟长江上游在过去千年(8501849年)、历史时期(18502005年)和未来时期(20062099年)的日径流过程.在此基础上,评估了模拟降水、温度和极值流量是否与文献记载的干湿期、温度变化和古洪水记录具有相似的统计特性.最后,通过模型模拟结果探究了极值流量从过去千年到未来的变化.结果表明:(1)MIROC-ESM模式不同于其他三种气候模式,从温暖期(中世纪暖期;MCA)到寒冷期(小冰期;LIA),温度增加,而其他模式的温度变化与历史记录相似;(2)BCC-CSM1.1模式的模拟降水与记录的干湿期之间的相关性优于其他模式;(3)BCC-CSM1.1模式模拟结果显示,在长江上游大部分子流域,极值流量的大小从MCA时期到LIA时期呈下降趋势,历史时期相对于冷期呈上升趋势.而在气候变化的影响下,四个气候模式预测未来极值流量将会显著增大.关键词气候变化,洪水变化,古洪水记录,气候-水文模型,长江上游中文引用格式:霍苒,陈华,李璐,许崇育,李晶晶,洪思,占车生,夏军.2023.长江上游近千年来的洪水变化比较气候-水文模型模拟数据与重建数据.中国科学:地球科学,53(3):525545,doi:10.1360/N072022-0079英文引用格式:Huo R,Chen H,Li L,Xu C,Li J,Hong S,Zhan C,Xia J.2023.Flood variability in the upper Yangtze River over the last millenniumInsights froma comparison of climate-hydrological model simulated and reconstruction.Science China Earth Sciences,66(3):547567,https:/doi.org/10.1007/s11430-022-1008-5 2023 中国科学杂志社中国科学:地球科学2023 年第 53 卷第 3 期:525 545SCIENTIA SINICA T论 文1引言气候变暖导致极端事件增加,包括强降水和洪水,这是由于全球气候变暖增加了大气的持水能力.洪水是地球上最常见的自然灾害之一,在包括中国在内的世界许多地区,大洪水造成的经济成本正在增加,这一趋势在未来几十年可能会加剧(田烨,2015;李昌文等,2022).更重要的是,洪水大小和频率的时空分布也在发生着变化,这促使我们研究新的方法,不仅要利用不同类型的数据,还要将不同时间尺度上的洪水信息联系起来(Viglione等,2013).洪水事件的发生促使很多学者研究了基于代用资料进行气候和洪水重建的课题(肖丁木等,2016;徐宏范等,2020),同时这些研究为认识没有仪器记录时期的水文过程和洪水变化提供了有用的见解.以往的研究大都集中在利用河流或湖泊沉积物以及历史文献记录来推断比观测时期更长一段时间内的洪水变化.Engeland等(2020)利用高分辨率X射线、磁化率和CT扫描等手段,分析了从挪威Flyginnsjen湖提取的沉积物,并利用这些数据估计了过去10300年来Elverum站的洪水频率.Munoz等(2018)根据密西西比河下游的湖泊沉积物和树木年轮记录,重建了过去500年(15002000年)的洪峰值和洪水频率,发现100年一遇的洪水在过去5个世纪中增加了20%.很多学者通过调查研究,发现在汉江上游峡谷有全新世洪水滞留沉积物(李晓刚,2014;查小春等,2017),通过观察和采样分析,他们在流域尺度上获得了万年时间尺度的全新世洪水事件,这对理解区域水文过程对气候变化的响应非常重要.最近,Zhou等(2021)对过去千年长江的洪水进行了分析,利用长江水下三角洲沉积物,建立了一系列全新世的古洪水事件,揭示了14个洪水频发的时期.结果表明,亚洲夏季风和ENSO对近600年来的大洪水事件和洪水频次的增加有明显影响.此外,历史文献记载也为进一步探究洪水事件的长期变化提供了重要的记录.例如,Tang和Feng(2021)利用文献中报道的365个与洪涝和干旱相关的极端事件,重建了河西走廊公元01950年的一系列洪水和干旱事件.Zhang等(2007)和Li等(2020)基于记载的洪水记录也对长江和黄河进行了类似研究,不断更新的洪水频率记录为研究不同流域长期洪水动态规律提供了机会.毫无疑问,重建古洪水对揭示过去气候的统计特征起着至关重要的作用.然而,在许多地区,往往没有足够长度和时间分辨率的古气候和古洪水记录(Lewis,2018).此外,沉积记录还会受到不同量级和频率洪水的影响,如果仅使用沉积记录和/或历史文献记录,要准确区分不同大小的洪水以及量化古洪水的量级和频率是一个巨大的挑战(Smith等,2010).数值模拟为认识没有仪器记录时期洪水事件的特征提供了一种重要的补充方法.例如,徐夏楠(2015)利用气候模式的输出结果和HYDROTREND水文模型对鄱阳湖近千年来的径流量和输沙量变化进行了研究,发现在10002000年期间,气候变化是径流变化的主导因素,而人类活动是导致鄱阳湖输沙变化的主要原因.最近,Sheng等(2020)利用ECHO-G气候模式和水文模型重建了10002012年鸭绿江的年最大一日流量.他们发现,14511850年(小冰期)极值流量事件的频率曲线与10001450年(中世纪暖期)的频率曲线相似.然而,由于气候变化和人类活动,从18402012年,极值流量事件的发生频率增加了10.47%.为了探究密西西比河洪水的驱动因素,Van der Wiel等(2018)将全球气候模型与地表水模块耦合,模拟了工业化前气候下3400年的极值流量,并讨论了全球变暖对未来极端水文事件的潜在影响.结果表明,陆-气耦合系统模式为研究不同气候条件下的洪水事件提供了一种方法.还有一些学者利用最后一个间冰期(129116万年前)来类比地质时间和温度相似的未来时期.Scussolini等(2020)利用气候模式、PCR-GLOBWB水文模型和CaMa-洪水水动力模型来模拟最后一个间冰期的流量和100年一遇洪水.分析古洪水的传统方法是利用河流或湖泊沉积记录以及历史文献记录来推断近千年来的洪水事件(包括洪水发生时间和洪峰流量).目前已有一些学者利用数学方法对长期径流过程和洪水进行模拟,第五次国际耦合模式比较计划(CMIP5)开展了一系列长期气候试验,提供了过去千年(8501849年)的气候变量(Tay-lor等,2012),在古气候重建中确定了这1000年来气候有明显差异的两个时期,即中世纪暖期和小冰期,这两个时期被认为是距离现代最近的暖期和冷期(王绍武,2010).并且由于发生在现代气候变暖之前,被公认为属于自然气候变率.因此,在过去的1000多年里,经历了一个冷暖交替的过程,成为研究洪水对气候变化的响应以及气候与水文(洪水)关系的绝佳时期.本研究的主要目的是利用由水文模型、偏差校正霍苒等:长江上游近千年来的洪水变化比较气候-水文模型模拟数据与重建数据526方法和全球气候模式(GCM)构成的模型链方法,探究长江上游地区年代际时间尺度上气候和水文极值事件的变化.具体目标为:(1)利用模型链方法模拟长江上游各子流域近千年来的日径流,并将模拟的洪水事件与古洪水记录进行对比;(2)评估近千年来不同全球气候模式驱动的区域水文极值事件变化的异同;(3)研究长江上游地区近千年至21世纪末的水文极值事件变化特征.2研究区域和数据长江上游是指从源头延伸至湖北省宜昌这一段,途经青海、西藏、四川、云南、重庆、湖北等省级行政区(图1).研究区域长4504km,流域总面积约100万km2(Gao等,2012).19552011年的年均气温为12.7,年均降水量约为859mm(Chen等,2014).降水主要集中在春末至中秋,冬季寒冷干燥,夏季炎热潮湿.长江上游主要支流为金沙江、岷江、沱江、嘉陵江和乌江(图1),该河段垂直落差较大,峡谷较深(Gao等,2012).在本研究中主要划分了七个子流域,金沙江流域分为两个子流域:石鼓站以上流域位于纵向河谷少雨区,年降水量在600mm以下;石鼓站以下,屏山站以上的子流域年平均降水量约为800mm,约占宜昌站以上流域总径流量的三分之一;岷江的控制站为距河口29km的高场站,全流域年降水量为6001300mm;沱江流域(富顺站为出口)年平均气温17.1,降水集中在69月,约占全年降水量的70%;嘉陵江流域是长江上游支流中最大的子流域,以北碚站为出口;乌江是长江上游流域南岸最大的支流,武隆为控制站.长江上游气象数据取自国家气象科学数据中心发布的中国地面气候资料日值数据集,本研究整理了研究区内19612005年70个气象站的逐日降水和气温观测资料;七个子流域控制站的日流量数据来源于长江水利委员会水文局.此外,我们还收集了宜昌站的古洪水记录(葛兆帅,2009),这些古洪水都造成了大量的经济损失和人员伤亡(见表1).葛兆帅(2009)根据洪水痕迹和文献记载,确定了主要的古洪水记录,包括洪峰和发生年份.对于气候模式数据,自2019年以来,CMIP6发布了最新数据;然而,对于8502099年的日降水和气温数据,CMIP6目前只提供了MRI-ESM2.0模型(https:/esgf-node.llnl.gov/search/cmip6/).因此,在本研究中使用了CMIP5中的四个气候模式,分别为BCC-CSM1.1、MIROC-ESM、MRI-CGCM3和CCSM4;我们获得了过去千年(8501849年)、历史时期(18502005年)和未来时期两种RCP情景下(20062099年;图 1长江上游地形与河网,以及各子流域的水文控制站和气象站中国科学:地球科学2023 年第 53 卷第 3 期527RCP2.6&RCP8.5)的日降水和气温数据(见表2),更多CMIP5实验设计的细节可以在Huo等(2021)之前的研究中找到.3方法3.1水文模型新安江模型是河海大学赵人俊教授团队在20世纪7