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气候变化与水资源安全

发布时间:2020年03月18日11:50 来源:中国气象局气象宣传与科普中心

  李威 李潇潇 许红梅

  全球变暖的事实

  气候是自然生态系统中最活跃的因素, 是山、水、林、田、湖、草“生命共同体” 的重要纽带,是人类社会赖以生存和发展的基础。

  从18世纪中叶开始,以英国人瓦特改良蒸汽机为标志的第一次工业革命从英格兰中部地区发源,传播到了世界各地。这次工业革命是以机器取代人力,以大规模工厂化生产取代个体工场手工生产的一场科技革命。进入19世纪下半叶,人类开启电气时代,电力、通信、能源、交通等领域的科学技术发展突飞猛进,迅速应用于工业生产, 极大促进了经济社会发展,被视为第二次工业革命。

  1850—2018年全球平均温度距平(相对于1850—1900年平均值,引自世界气象组织《2018年全球气候状况声明》)

  随着工业化革命进程加快,煤炭、石油等能源被大量使用,导致越来越多的二氧化碳等温室气体通过工业活动排放到大气中,进而改变了千万年来大气层中相对稳定的气体浓度比例。根据监测数据,2016年全球二氧化碳、甲烷和氧化亚氮等这些主要温室气体的浓度比工业化前分别增加了45%、157%、22%,是过去80万年以来最高值,相当于在地球表面每平方米放2~3个昼夜不息的1瓦灯泡。

  温室气体人为地快速增多,使得地球温室效应不断增强,全球正经历着以气候变暖为突出标志的气候变化。根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)在2013年发布的第五次评估报告指出,过去的130多年(1880—2012年),全球地表平均温度上升了约0.85℃。根据世界气象组织发布的《2018年全球气候状况声明》,2018年全球平均温度比工业化前(1850—1900年平均值)高出约1.0℃,是有完整气象观测记录以来的第四暖年。过去5年(2014—2018年),是有完整气象观测记录以来最暖的5年;全球气候变暖存在明显的地区和季节差异,陆地比海洋增温快,高纬度地区增温比中低纬度地区大,冬季增温比夏季明显。

  IPCC预计,如果维持当前温升速率,全球增温将在2030—2052年超过1.5℃,即便立刻停止全球温室气体排放,工业化时代以来排放的温室气体仍将在百年到千年尺度上继续影响气候系统。

  水中穿行(摄影:徐允川)

冰川退缩

  气候变化带来的影响

  气候变化会改变大尺度的大气环流形势,并通过海洋—大气相互作用、陆地—大气相互作用等不同圈层间的物理化学作用来影响全球气候规律,进而对全球自然生态系统和人类社会产生广泛影响。

  气候变化造成极端天气气候事件频发。20世纪中叶以来,全球高温热浪频繁发生,且持续时间更长;陆地上的暴雨洪涝频率增加;欧洲南部和非洲西部的干旱持续时间更久、强度更强。例如:2003年夏季欧洲中西部发生了罕见的高温热浪,导致2万人死亡;2005年卡特里娜飓风造成美国新奥尔良州1700多人死亡,1000多亿美元损失;2018年全球气象灾害导致6200万人受灾,经济损失超过自然灾害损失总量的90%。

  气候变化导致全球海平面高度持续上升。近25年来,海平面上升速率达到3.15毫米/年。其中,2018年全球平均海平面比2017年上升了3.7毫米,是有观测记录以来的最高值(截至2018年)。由于海洋吸收了大量人为排放的二氧化碳,引发海洋酸化,海洋表面酸碱值较工业化前下降了0.1个单位,对应的酸度增加了26%。

  气候变化加速冰川长度和面积减少。全球范围内的冰川长度和面积几乎都在退缩,部分冰川已消失。近20年来,格陵兰冰盖和南极冰盖的冰储量持续减少;1971年以来全球山地冰川普遍退缩,平均每年减少冰量接近2300亿吨;北极海冰范围明显缩小,1979年以来平均每10年缩小3.5%~4.1%。。

  1979—2018年3月和9月北极海冰面积变化(数据来源:《气候变化蓝皮书(2019年)》)

  气候变化影响水资源。在全球许多区域, 气候变化带来的降水变化和冰雪融化正在影响水资源和水质。由于冰川持续退缩,影响径流和下游的水资源,全世界200条大河中近1/3的河流径流量减少。高纬度地区和高海拔山区的多年冻土层正在变暖和融化。在亚洲,气候变化已经对冰川、积雪、冻土、河流和湖泊产生了不同的影响,亚洲面临的关键风险主要体现在河流、海洋和城市洪水增加,对亚洲的基础设施、生计和居住区造成大范围破坏。

  气候变化影响生态系统。气候变化影响植被的覆盖、生产力和碳循环,以及物候、物种的分布范围。受气候变化和大气中二氧化碳浓度增加的影响,全球范围内陆地生态系统净生产力有所提高,陆地碳汇有所增加; 但由于极端天气气候事件也呈增加趋势,更为频繁的暴风雨、野火、土地退化和虫害暴发的强度增加,也加大了生态系统的损失。气候变化还改变了动植物的分布格局,北方、温带和热带地区主要生态系统类型发生向纬向和高海拔方向的变化。

  水资源的基本科学概念

  水资源:指可供人类直接利用,能不断更新的天然淡水。从广义来说是指水圈内水量的总体。从狭义上来说,水资源是指由当地降水产生的,存在于河流、湖泊、地下含水层中的逐年可更新的动态水资源,主要包括地表水和地下水。水资源可用于灌溉、航运、发电、供水、养殖等,是人类生存和发展不可缺少的自然财富。通常我们所说的水资源,特指陆地上的淡水资源,包括河流和湖泊中的淡水、高山积雪和冰川,以及地下水等。

  降水量:指从天空中降落到地面上的液态或固态(经融化后)降水,未经蒸发、渗透、流失而在水平面上积聚的深度。降水是气候的一个重要组成因素,根据其不同的物理特征可分为液态降水和固态降水。测定降水量的基本仪器是雨量器、翻斗式雨量计、虹吸式雨量计和双阀容栅式雨量传感器等。在对降水量的预测中一般用降水概率来表示,一般不会用到的可能性是100%,这是因为目前科学家对降水与否的把握只有70%左右。

  蒸发量:通常指在一定时段内,水分经蒸发而散布到空中的量,是水循环中的重要组成部分。狭义的蒸发概念指水面蒸发,广义的蒸发则包括水面蒸发、陆面蒸发和植物蒸腾等3种类型,并把植被地段的蒸发和蒸腾统称为蒸散。测量蒸发量的仪器有很多。我国一般采用20厘米蒸发皿和E601型蒸发器进行水面蒸发的观测。蒸发量与气温、日照、风速、湿度等气象要素密切相关。因此区域尺度上的蒸发量可根据气象站气象资料来估算。蒸发量在估算植物需水和植物水分平衡等方面具有重要的应用价值;蒸发量变化的研究,对深入了解气候变化、探讨水分循环变化规律具有十分重要的意义。

  径流量:指通过流域出口断面的全部水流数量,大气中雨水降落在陆地后或高山冰雪融化成液态水后,经过植被截留、填洼、土壤蓄水及雨期蒸发等损失后所剩余的水量,从不透水面积上、地面和地下汇集到流域流出断面的全部水流。径流的形成是一个极为复杂的过程,包括大气降水转化为地表水的部分,地下水出露(出渗)形成地表水的部分,并扣除沿途蒸发、河流渗漏流失的水量。径流量的多年平均值(通常用30年平均)代表了该流域从外界获得补给量的平均水平,是陆地上最重要的水文要素之一,也是水量平衡的基本要素。径流量往往以流域作为计算单元,计算方法包括实测法、水量平衡分析法和水文比拟法等。

  冰雪资源:是指人类可利用的地球表面积雪和积冰。冰雪是气温在0℃以下形成的固态水,冰雪的稳定性取决于环境温度,有长期性积冰积雪和季节性冰雪两种。冰雪是重要的淡水资源,也是干旱区水资源的重要来源,被称为“固体水库”。在干旱区,高山终年冰雪区是固体水库,亦是一些河流的水源,并形成沿河的绿洲。冰雪资源在调节水资源、冷藏、冰雪考古、开展冰雪运动和冰雪旅游等方面都有重要意义。长期积冰和积雪的变化是气候变化的重要指示物。

  水资源安全:一般指水资源的供需矛盾对社会经济发展和人类生存环境产生的危害及相关问题。水循环更替时间长短、水量、水质、水资源时空分布、水旱灾害频率与强度等不仅与气候条件密切相关,还受到大规模人类活动影响。

  气候变化与我国水资源安全

  20世纪中叶以来,受气候变化影响,我国东部主要河流径流量不同程度减少,海河和黄河径流量减幅更高达50%以上。冰川退缩加剧了青藏高原江河源区径流量变化的不稳定性。气象灾害频发降低了水资源的可利用性,导致我国北方水资源供需矛盾加剧,南方则出现区域性甚至流域性缺水现象。在未来气候持续变暖背景下,未来我国水资源风险将会增加。

  气候变化与水资源量。20世纪50年代以来,受气候变化和人类活动双重因素的影响,我国北方水资源量明显减少,水资源供需矛盾突出;松花江、辽河、海河、黄河实测径流量均呈下降趋势,尤其海河和黄河下降明显,减少近一半,海河流域气候要素对河川径流量减少的贡献将近三成,黄河中游贡献近四成;辽河、松花江减少幅度次之,其中辽河流域气候要素对河川径流量减少的贡献占近两成。而我国西部的塔里木河源地区、雅鲁藏布江径流表现出增加的趋势,这主要是由于气候变暖,冰川消融,导致近期径流量增加。从趋势上看,短期内冰川退缩会使河流水量增加,但亦会加大以冰川融水补给为主的河流或河段径流量变化的不稳定性;随着冰川持续退缩,冰川融水锐减,以冰川融水补给为主的河流,特别是中小支流,其径流的年内分配更不均匀,甚至面临逐渐干涸的威胁。

  气候变暖与水质恶化。在气候变暖背景下,水资源量在时空分布上的变化会改变地表水环境,进而改变河流湖泊的水质。水体温度升高引起湖泊水中含氧量减少,致使湖泊或水库底部沉积物发生微生物厌氧反应,产生有毒气体和盐类,促使营养元素溶出,引起湖泊色、味上的污染,甚至增加水体表层营养盐浓度,加上适宜的温度,导致湖泊富营养化。

  气候变化与极端水文事件。19世纪40年代、70年代和20世纪30年代、50年代是我国洪涝灾害频繁发生和灾害程度最为严重的时期,且多出现在东部季风气候区,而在西部干旱和半干旱区,则多发生由短历时局地性暴雨导致的灾害性洪水。20世纪后50年,我国南方流域雨涝面积虽有所减少,但夏季雨涝面积却在扩大,主要就是因为夏半年降水更加集中,强降水事件增多,导致洪涝等极端水文事件更易发生。20世纪90年代以来,黄河流域暴雨洪水的发生频率和程度均逐年降低,干旱形势日趋严重。20世纪后半叶,长江流域大部分地区降水增加,强降水占总降水量的比例加大,致使20世纪70年代后特别是90年代长江流域洪水频发。淮河流域旱涝等水文事件频繁发生,20世纪90年代以来,尤其是夏秋两季出现频率增加,强度增强,夏季偏涝,秋季偏旱。。

  气候变化与水资源风险。在未来气候持续变暖背景下,水资源系统结构将会继续发生改变。水资源数量可能进一步减少,水质进一步降低,旱涝灾害更加频繁,尤其是时空分配上会更加不均匀,进一步加重我国水资源的脆弱性,水资源供给、水资源利用等与淡水资源相关的风险会显著增加。

  春耕(摄影:周永文)

  国际上与水相关的重要科学计划

  国际水文计划,简称“IHP”,是水文领域最重要的国际合作活动之一。国际水文计划从1975年开始执行,其领导机构是政府间理事会,由联合国教科文组织理事国组成。该计划的目的是组织成员国执行一系列计划项目,包括:进行水文循环研究—人类活动对水文循环的影响、水资源的合理估算和有效利用等;组织出版刊物、信息交流、学术会议和地区合作等,促进国际水文合作; 开展水文科学的教育和培训等。这项计划每两年举行一次会议,休会期间由国际水文计划秘书处行使职能。成员国在其国内设立国际水文计划国家委员会,任务是制订参加国际水文计划的本国计划,并促其实施。中国是成员国之一。

  全球能量和水循环试验,简称“GEWEX”,是世界气候研究计划(该计划由世界气象组织、国际科学理事会和联合国教科文组织的政府间海洋学委员会于1980年共同发起创建) 的组成部分。

  GEWEX的科学任务是:根据对全球大气和陆面特征的测量,确定陆地的水文循环和能量通量,并模拟全球水循环及其对大气、海洋和陆面的影响;提高预测全球及区域的水文过程和水资源变化及其对环境变化响应的能力;促进观测技术、资料管理和同化系统的发展,使其更加适用于长期天气预报、气候预测和水文预测。

  国际地球科学计划,简称“IGCP”,是联合国教科文组织的自然科学计划之一, 也是联合国系统唯一的国际地球科学发展计划。该计划由教科文组织和国际地质科学联合会于1972年共同发起,并于1974年实施至今。国际地球科学计划共设五大科学主题,包括地球资源、全球变化和生命演化、地质灾害、水循环的地质科学、地球动力学。截至目前,该研究计划已资助了360余项国际地学合作项目,来自150多个国家和地区的上万名地球科学家参与其中,为解决诸多全球关注的重大地学问题,如地质灾害预警、气候变化、地下水资源保障等做出了重大贡献。

  (致谢:本文部分资料由国家气候中心提供)

(稿件来源:中国气象局气象宣传与科普中心 责任编辑:苏杰西)

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