方法研究 | 气候变化对水资源的影响模拟
冯辉 廷德尔气候变化研究中心, 英国牛津大学地理学院
A.洛佩兹 格兰瑟姆研究所, 英国伦敦经济学院
M.钮 英国牛津大学地理学院
气候变化对水资源的影响评价方法
人类活动对气候变化造成影响这一事实已被联合国所有成员国所接受，并且很多国家已经明确制定了国家法案（例如：英国《气候变化法案》，2008）。人类社会已经普遍认识到人为因素对气候变化的影响，即便这种影响可能已经有所缓和，人类社会也必须采取行动来适应它（New 等， 2009）。这种适应性措施首先需要对气候变化影响评价的科学基础和技术方法有全面的认识，不仅仅涉及气候科学家，也关系到食品及农业、生态系统、能源及基础设施等一系列领域的科学家、工程师和决策者；而水资源作为所有生命的基础和几乎所有社会经济活动的必须资源，在气候变化研究中吸纳水资源领域的相关研究人员尤为重要。（Bates 等，2008）。
目前，有关气候变化对水资源潜在影响的评价方法多种多样，这些方法几乎都用到了气候模式数据和水文水资源模型。诸多复杂的气候模式被用来预测全球未来100年的气候变化情况，但是却难以得出哪种模型预测的结果更为可靠的结论。整个气候变化影响模拟过程包括：气候模式的选择、模式输出结果降尺度、水资源供需模拟三个过程。全面理解模拟中的每一个过程，是正确理解模拟中涉及到的假定和注意事项，以及这些假定和参数对模拟结果的影响的基础。气候变化涉及诸多学科，而多数学者是在自己的研究领域内进行相关研究，然后通过相对平行的渠道将信息从研究气候模型的学者传递给水资源管理者，因此会导致许多信息缺失。虽然学者在气候变化领域已经公开发表了很多科技论文，并且被广泛引用，但是对于模型的假设及误差，只有模型开发者才能全面了解，而对其他希望利用这些信息的人却不公开。
因此，虽然目前已经开展了大量的气候模型研究工作，但模型的实际应用情况和模型传递给水资源管理者、水利工作者以及水资源决策者的信息情况却难以确定。
虽然气候变化是一个多学科交叉的议题，但模拟过程中对每个步骤的优劣评价也不需要面面俱到。本文将评价过程中模型开发者在每个阶段提出的假设和警告一一列出，为模型使用者提供指导，为学生、工作人员和决策者提供目前水资源系统模拟影响科学发展的关键问题，同时为更好得做出气候风险决策提供基础。
5个关键议题
通过讨论气候和水资源要素，给出气候变化模拟的理论和目前存在的问题，关键议题如下：
※ 非平稳性。气候是非稳态的，也就是说观测到的数据库并不能描述未来的气候状态。基于历史事件的水资源管理决策在未来水资源研究中可能并不适用。未来水资源管理决策制定方式可能会彻底改变。
※ 不确定性叠加。要计算世界某一地区可利用的水资源量，通常的方法是利用气候模型数据，进行降尺度处理与水文模型耦合。该过程的每个阶段，都有很多假设，其中可能涉及到多方面的不确定性；这些不确定性在整个过程中从一个阶段传递到下一阶段。不确定性的叠加及其对结果的解释上的应用都需要通过模拟过程来进行评估。
※ 方法评估。由于时间和资源的限制，从业者更倾向于已开发成熟、应用广泛的方法，而不是一系列需要继续研究的模型和方法。目前是否存在一个适用于气候变化背景下的评估模型和方法？对于某个特定的问题，确定性方法是否比其他方法更适用？本书对这些问题进行了探讨，但要寻求一个适用于各种情景的万全之策是不可能的。
※ 社会-地球系统的交界面。水资源分布在人类和地球系统交界的地方，人类活动和气候变化直接影响水资源的分布。一旦人类系统、水资源系统和替代适应性选择方法引入到模型中，会使其更加复杂并且不稳定性增加。在不确定性背景下发展适应策略需要重视物理机制以及人类活动的影响（例如人口增加、土地利用变化、经济及标准服务）。
※ 数据分辨率。受影响群体需要比目前全球气候模型模拟的时空尺度更为细致的数据。气候数据为相关决策者，尤其是研究流域尺度的决策者，提供极为重要的水资源管理信息。但是，这些尺度上的数据是否可靠？而其中一个亟待解决的问题，就是这些模型是否能解决洪水和干旱等极端天气事件。
气候变化对水资源的影响模拟
《气候变化对水资源的影响模拟》根据常用于评估气候变化对水资源影响的方法进行写作。首先是对气候模型概况的介绍，其次是介绍将气候模型数据转化到地区尺度的降尺度方法，最后是水资源模型的应用。目的是清晰完整的描述气候变化信息如何提供给水文模型并用于水资源系统模拟。
达西A.斯通和雷托.克努蒂编写的“天气与气候”一章中介绍了气候模型。这一章主要从简单的探索性模型到综合环流模型描述了气候模拟的不同方法。主要讨论了气候的可预测性、气候模型评估及气候变化背景下预测的不确定性等问题。其中重点关注利用气候模型模拟得出的数据定量评估气候变化对水文的影响这一途径的可能性和局限性。
第三章是由罗伯特 L.威尔比和海利 J.福勒编写的“区域降尺度”，通过将气候模型数据降尺度处理为与水资源规划相关的时空尺度，将气候模型和水文/水资源模型联系起来。包括阐述已经应用在数据处理中的统计学和动力学方法，及其自身优势和局限性。最后探讨适用于改善决策制定的降尺度方法。
第四章“人类用水”中，格兰.瓦茨从气候变化背景下供需水问题的角度阐述了社会-地球系统的相互关系。利用目前基于水文地质的供需水模型来评估气候变化对水资源的影响。同时探讨了如何利用模型在极大不确定性背景下制定决策方案。
第五章“应对气候风险管理的新兴方法”中，我们讨论了如何将模型不同步骤中所得的数据应用到适应气候变化的决策制定中。虽然本书并不能得出一套完整的决策制定理论方法，但讨论了如何在更大的不确定性条件下将气候-水文-水资源系统模拟更为高效地应用到决策制定中。
为了将第二、三、四章中所介绍的不同概念整合起来，本书最后一章列举了一些典型案例，这些案例解释了前几章提到的气候风险评价类型。罗德里格.派瓦，沃尔特.柯立钦和伊迪斯.比阿特丽斯.斯凯蒂尼列举了一条跨越乌拉圭和巴西两国的跨界河流的影响评价案例。同时也列举了两个欧洲的案例：简-飞利浦 维达尔和弗雷德里希.亨德里克阐明了利用高度复杂的降尺度方法确定气候变化对庇利牛斯山水利工程影响程度的案例；安.洛佩兹阐述了如何利用大量气候模型数据来探索英格兰西南部水资源系统适应性方案。这些案例分析不一定是成功的典范，但包含了目前科学家试图解决这些问题所用的方法。
本文由刘四旦摘编自[英]冯辉、A.洛佩兹、M.钮著，杨志勇、于赢东等译《气候变化对水资源的影响模拟》一书“引言”部分，略有修改，标题为编者所加。
ISBN978-7-03-046981-6
《气候变化对水资源的影响模拟》针对气候变化对水资源影响模拟过程中存在的机遇与局限性，分别从天气和气候、区域气候降尺度、气候变化条件下的水资源供需、气候变化风险管理方法和气候变化对水资源影响模拟案例等多个方面进行了介绍和阐述。通过详细介绍气候降尺度方法、气候模式与水文模型耦合方法和气候变化风险管理方法，完整的描述了气候变化信息如何提供给水文模型并用于水资源系统模拟。为气候变化对水资源影响的相关研究者提供了完整的理论架构和技术示范。
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