氣候和人類活動對水循環的影響機理(精) 節選

第1章全球變化與水循環 水循環是聯系大氣水、地表水、地下水和生態水的紐帶，其變化深刻地影響著全球水資源和生態環境系統的時空分布，影響著人類社會的發展。本書中的全球變化是指人類活動導致的全球氣候變化和下墊面變化，是水循環演變的驅動要素。人類活動以前所未有的速度和程度改變了全球現代地表環境（Steffen et al.，2007），地球系統提供給人類生存環境的能力正受到人類本身活動的極大挑戰。聯合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第五次評估報告（Fifth Assessment Report，AR5）明確指出，人類對氣候系統的影響是明確的，21世紀末期及以后時期的全球平均地表變暖主要取決于累積的CO2排放，即使停止了CO2的排放，氣候變化的許多方面仍將持續許多世紀。全球環境變化的危險性加大，各種資源短缺和環境問題日益突出。溫室氣體排放導致的氣候變化，使得洪澇、干旱等極端災害事件頻繁發生并不斷加劇。據統計，1991～2000年，全球約66.5萬人死于2557起自然災害，其中90%是與水相關的自然災害。根據《聯合國全球評估報告》，1900年以來，超過1100萬人死于干旱，超過20億人受到干旱的影響，災害的頻率和強度普遍上升。根據世界銀行預估，2020～2050年，適應全球平均氣溫上升2℃影響的成本每年可能達到700億～1000億美元。因此，分析全球變化的歷史是認知水循環演變規律及其對水資源、生態環境和社會經濟影響的前提。 本章論述全球氣候變化和人類活動對現代地表環境的影響和改變程度，以及其對水文、水資源的影響，闡述全球變化下水文學面臨的挑戰及發展趨勢。 1.1全球氣候變化 1.1.1氣溫上升 人類活動造成溫室氣體排放量增加是全球氣候變暖的主要影響因素，化石燃料使用和土地利用變化是溫室氣體濃度上升的主要原因，大氣中CO2、CH4和N2O等溫室氣體濃度已上升到歷史*高水平。向大氣排放CO2的長期積累是氣候變暖的主要因素，但非CO2溫室氣體的貢獻也十分顯著。2013年9月27日在瑞典首都斯德哥爾摩，IPCC**工作組第五次評估報告“Climate Change 2013:The Physical Science Basis”指出，全球氣候系統變暖是毋庸置疑的事實，1950年以來，觀測到氣候系統的許多變化是過去幾十年甚至近千年以來史無前例的。全球幾乎所有地區都經歷了升溫過程，體現在地球表面氣溫和海洋溫度的上升、海平面的上升、格陵蘭和南極冰蓋消融及冰川退縮、極端氣候事件頻率增加等方面。1880～2012年全球升溫在0.65～1.06℃，平均溫度已升高0.85℃；過去30年，每10年地表溫度的增加幅度高于1850年以來的任何時期。1951～2001年我國平均氣溫上升約1.1℃，增溫從20世紀80年代開始，且有加速的趨勢，90年代是我國20世紀*暖的十年。 在IPCC第五次評估報告中，基于國際耦合模式比較計劃第五階段（The fifth phase of the Coupled Model Intercomparison Project，CMIP5）的46個地球系統模式給出的21世紀氣候變化預估結果，未來全球平均地表氣溫將隨溫室氣體排放而繼續升高。基于CO2濃度驅動的溫室氣體代表性濃度路徑（representative concentration pathways，RCP）情景，相對于1986～2005年，2081～2100年全球平均地表氣溫處于CMIP5模式結果5%～95%的范圍內，RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0、RCP8.5情景下全球平均地表氣溫分別升高0.3～1.7℃、1.1～2.6℃、1.4～3.1℃和2.6～4.8℃。RCP4.5、RCP6.0和RCP8.5情景下預估的2081～2100年全球平均地表氣溫可能會比工業化前高1.5℃（高信度），RCP6.0和RCP8.5情景下可能會比工業化前高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年出現超過4℃的升溫情況外（中等信度），其他所有RCP情景下都不可能出現這種情況（高信度）（董思言和高學杰，2014）。 1.1.2降水變化 氣溫升高將導致大氣中水汽含量增多，進而對降水產生影響（Trenberth et al.，2003）。全球范圍的極端事件增多，全球降水將呈現“干者越干、濕者越濕”的趨勢。不同區域和不同強度降水呈現不同變化趨勢。例如，Gu等（2007）研究指出，熱帶地區的降水增加，而北半球中緯度降水減少。1979～2000年衛星觀測資料研究及多模式集合模擬結果表明，在更為暖濕的氣候下，熱帶地區強降水事件將會增多，而弱降水事件將會減少（Allan and Soden，2008）。Karl和Knight（1998）指出，美國近百年來降水量增加主要由極端降水事件增加導致。Fujibe等（2005）研究表明，20世紀日本強降水頻率增加，弱降水頻率減少。極端降水的這種變化很可能與全球變暖有關（Allan and Soden，2008；Held and Soden，2006）。Karl和Trenberth（2003）在全球范圍內選取降水總量相同的站點，發現平均溫度較高的站點會出現更多的強降水和更少的弱降水。 降水強度分布結構對全球變暖的響應可能更敏感。例如，Lau和Wu（2007）對熱帶地區降水進行研究發現，1979～2003年該地區強降水和弱降水呈增加趨勢，而中等強度降水呈減少趨勢。黃曉亞等（2013）研究表明，58年來，雖然我國貴州年降水量變化趨勢不明顯，但各站日降水量集中度呈現加大的趨勢，且77%的站點增加趨勢顯著。連續3日、5日、7日無雨日次數以及*大日降水量都呈現增加趨勢，日降水量集中度與*大日降水量相關程度高，說明該地區暴雨和干旱發生頻率增加趨勢明顯。IPCC第三次評估報告以及IPCC第四次評估報告得出結論認為，在總降水量增加的暴雨事件中，以及在總降水量減少或保持不變的區域，極端降水出現了增加的情況（Folland et al.，2001）。20世紀暴雨事件有所增加，降水量通常比平均水平要大得多，甚至在總降水量減少的地區也是如此（Trenberth et al.，2007）。在全球變暖的背景下，極端暖事件增多，極端冷事件減少；熱浪發生頻率更高，時間更長；陸地區域的強降水事件增加，歐洲南部和非洲西部干旱強度更強、持續時間更長；熱帶氣旋的強度、頻率和持續時間存在長期增加趨勢。 近100年來我國平均降水變化總體趨勢不顯著，但呈顯著的年際和年代際振蕩以及區域性變化。從降水量的季節變化來看，秋季和春季變化較顯著，分別減少27.3mm和增加20.6mm；從區域性變化來看，海河流域、黃河流域顯著減少，長江下游、西部內陸河顯著增加；同時區域性短歷時暴雨強度、極端強降水日數增加（丁一匯等，2006）。 1.2人類活動 1.2.1人口增加 自然界所受到的人類擾動與人類社會的規模和構成有關。人口是人類活動的主體，人口數量會影響（水土）資源、能源、糧食、環境等諸多方面，從而對自然環境產生直接壓力。 人類真正的大發展是進入資本主義時代以后。18世紀在歐洲爆發的工業革命激發起了第二次人口浪潮。這一次人口浪潮主要席卷了歐美各資本主義國家。從19世紀初至1950年的150年間，歐美等發達地區的人口增長2.35倍，而其他發展中地區的人口只增長1.31倍。18世紀后半期，發展中國家人口占世界人口74.6%，1900年下降至65.3%。這一時期全球人口從1650年5.6億增加至1950年25.2億。第二次世界大戰后，全球出現席卷世界各國的第三次人口浪潮。除發達國家作為補償性增長的“嬰兒激增”外，戰后獨立的國家人口劇增。1950～1988年世界人口就翻了一番。世界人口每增10億的時間越來越短，1800年世界人口達到10億，1931年達20億，1960年達到30億，1974年達到40億，1987年達到50億，1999年達到60億。2002年底，全球人口已接近62億。根據2018年《世界人口狀況》報告，2017年全球人口為75.5億。根據聯合國人口基金會發布的報告，到2050年全球人口將增長22億，其中13億的增長可能來自撒哈拉以南的非洲。 1850年中國人口約4.3億，占世界人口的34%。由于戰亂等原因，1850年至1950年中國人口增長緩慢。1949年末，我國人口為5.42億，占世界人口比例下降到22%。到1990年末，我國人口已達11.43億，但占世界人口比例一直保持在22%左右。20世紀90年代，隨著計劃生育工作的不斷加強，我國的生育率下降到更替水平以下。由于人口結構的原因，我國人口總量仍在繼續增長，但占世界比例逐年降低，2021年我國人口約14.1億，占世界人口的19%。 1.2.2土地利用/土地覆蓋變化 農業、城鎮化等人類活動對生態系統和土地覆蓋的改變，是地球自然生態系統變化*主要的根源之一。20世紀以來，人類活動所導致的土地覆蓋變化已逐漸成為一個伴隨地球系統產生的全球現象。耕地面積擴大、城鎮化以及對木材、紙制品的需求等人類活動改變了42%～68%陸地表面（Hurtt et al.，2006）。土地利用/土地覆蓋變化（land use and cover change，LUCC）對全球變化的影響已達到與自然要素對全球變化影響的同一量級，在一些區域成為生態系統變化的主要原因。 農業作為人類*主要的土地利用活動之一，目前已經涉及全球陸地地表的1/3，已替代全球陸地地表的大部分植被。據統計，1700～1992年，全球耕地面積整體上呈增加趨勢，共增加了約5.5倍，歐洲是耕地擴大*快速的地區，其次是北美洲和蘇聯，大部分耕地增加以犧牲林地和草地為代價（Ramankutty and Foley，1999）。通過對多源耕地數據分析，1981～1990年全球各個大洲耕地均有增加，增加的區域主要位于亞洲的東南部、印度河流域、中東和中亞地區、美國的大平原地區，同時美國東南部和中國東部的耕地減少較為劇烈（Lepers et al.，2005）。20世紀90年代以來，隨著城市化水平提升、工業化推進、經濟發展以及人口增長，耕地呈現減少趨勢。20世紀90年代初全球耕地為1800萬km2（Ramankutty and Foley，1999），2000年全球耕地約為1500萬km2。1961～2015年，耕地面積總量呈遞減趨勢的國家越來越多，人均耕地面積遞減的國家所占比例達85.71%。預測在2000～2030年，城市化將導致每年主要農業用地損失160萬～330萬hm2。2050年，世界人口可能過億的17個國家及耕地面積排名前十的國家，大多數表現出耕地減少趨勢，90%以上的國家出現人均耕地面積減少的現象（趙文武，2012）。 20世紀初，地球上的森林面積約有5000萬km2，如今已銳減到不足4000萬km2。全世界的熱帶雨林每年破壞率達2%，現在正以每秒0.607hm2的速度自地球表面消失。我國歷史上曾經是一個多林的國家，經考證分析，在4000年前的遠古時代，森林覆蓋率高達60%以上。但是隨著歷史的發展，森林資源日趨減少。到戰國末期降為46%，唐代約為33%，明代之初為26%，1840年前后約降為17%，1949年中華人民共和國成立時降為8.6%。到21世紀初上升到18.21%，2018年全國森林面積達到31.2億畝（1畝=666.7m2），森林覆蓋率達到21.66%。東部地區森林覆蓋率為34%，中部地區為27%，西部地區只有13%，而占國土面積32%的西北5省（自治區）（陜西省、甘肅省、青海省、寧夏回族自治區、新疆維吾爾自治區）的森林覆蓋率只有6%。 盡管人類通過耕作活動利用土地