氣候變化與水資源安全

　　李威 李瀟瀟 許紅梅

　　全球變暖的事實

　　氣候是自然生態系統中最活躍的因素， 是山、水、林、田、湖、草「生命共同體」 的重要紐帶，是人類社會賴以生存和發展的基礎。

　　從18世紀中葉開始，以英國人瓦特改良蒸汽機為標誌的第一次工業革命從英格蘭中部地區發源，傳播到了世界各地。這次工業革命是以機器取代人力，以大規模工廠化生產取代個體工場手工生產的一場科技革命。進入19世紀下半葉，人類開啟電氣時代，電力、通信、能源、交通等領域的科學技術發展突飛猛進，迅速應用於工業生產， 極大促進了經濟社會發展，被視為第二次工業革命。

　　1850—2018年全球平均溫度距平（相對於1850—1900年平均值，引自世界氣象組織《2018年全球氣候狀況聲明》）

　　隨著工業化革命進程加快，煤炭、石油等能源被大量使用，導致越來越多的二氧化碳等溫室氣體通過工業活動排放到大氣中，進而改變了千萬年來大氣層中相對穩定的氣體濃度比例。根據監測數據，2016年全球二氧化碳、甲烷和氧化亞氮等這些主要溫室氣體的濃度比工業化前分別增加了45％、157％、22％，是過去80萬年以來最高值，相當於在地球表面每平方米放2～3個晝夜不息的1瓦燈泡。

　　溫室氣體人為地快速增多，使得地球溫室效應不斷增強，全球正經歷著以氣候變暖為突出標誌的氣候變化。根據聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）在2013年發布的第五次評估報告指出，過去的130多年（1880—2012年），全球地表平均溫度上升了約0.85℃。根據世界氣象組織發布的《2018年全球氣候狀況聲明》，2018年全球平均溫度比工業化前（1850—1900年平均值）高出約1.0℃，是有完整氣象觀測記錄以來的第四暖年。過去5年（2014—2018年），是有完整氣象觀測記錄以來最暖的5年；全球氣候變暖存在明顯的地區和季節差異，陸地比海洋增溫快，高緯度地區增溫比中低緯度地區大，冬季增溫比夏季明顯。

　　IPCC預計，如果維持當前溫升速率，全球增溫將在2030—2052年超過1.5℃，即便立刻停止全球溫室氣體排放，工業化時代以來排放的溫室氣體仍將在百年到千年尺度上繼續影響氣候系統。

　　水中穿行（攝影：徐允川）

冰川退縮

　　氣候變化帶來的影響

　　氣候變化會改變大尺度的大氣環流形勢，並通過海洋—大氣相互作用、陸地—大氣相互作用等不同圈層間的物理化學作用來影響全球氣候規律，進而對全球自然生態系統和人類社會產生廣泛影響。

　　氣候變化造成極端天氣氣候事件頻發。20世紀中葉以來，全球高溫熱浪頻繁發生，且持續時間更長；陸地上的暴雨洪澇頻率增加；歐洲南部和非洲西部的乾旱持續時間更久、強度更強。例如：2003年夏季歐洲中西部發生了罕見的高溫熱浪，導致2萬人死亡；2005年卡特裡娜颶風造成美國紐奧良州1700多人死亡，1000多億美元損失；2018年全球氣象災害導致6200萬人受災，經濟損失超過自然災害損失總量的90％。

　　氣候變化導致全球海平面高度持續上升。近25年來，海平面上升速率達到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，是有觀測記錄以來的最高值（截至2018年）。由於海洋吸收了大量人為排放的二氧化碳，引發海洋酸化，海洋表面酸鹼值較工業化前下降了0.1個單位，對應的酸度增加了26％。

　　氣候變化加速冰川長度和面積減少。全球範圍內的冰川長度和面積幾乎都在退縮，部分冰川已消失。近20年來，格陵蘭冰蓋和南極冰蓋的冰儲量持續減少；1971年以來全球山地冰川普遍退縮，平均每年減少冰量接近2300億噸；北極海冰範圍明顯縮小，1979年以來平均每10年縮小3.5％～4.1％。。

　　1979—2018年3月和9月北極海冰面積變化（數據來源：《氣候變化藍皮書（2019年）》）

　　氣候變化影響水資源。在全球許多區域， 氣候變化帶來的降水變化和冰雪融化正在影響水資源和水質。由於冰川持續退縮，影響徑流和下遊的水資源，全世界200條大河中近1/3的河流徑流量減少。高緯度地區和高海拔山區的多年凍土層正在變暖和融化。在亞洲，氣候變化已經對冰川、積雪、凍土、河流和湖泊產生了不同的影響，亞洲面臨的關鍵風險主要體現在河流、海洋和城市洪水增加，對亞洲的基礎設施、生計和居住區造成大範圍破壞。

　　氣候變化影響生態系統。氣候變化影響植被的覆蓋、生產力和碳循環，以及物候、物種的分布範圍。受氣候變化和大氣中二氧化碳濃度增加的影響，全球範圍內陸地生態系統淨生產力有所提高，陸地碳匯有所增加； 但由於極端天氣氣候事件也呈增加趨勢，更為頻繁的暴風雨、野火、土地退化和蟲害暴發的強度增加，也加大了生態系統的損失。氣候變化還改變了動植物的分布格局，北方、溫帶和熱帶地區主要生態系統類型發生向緯向和高海拔方向的變化。

　　水資源的基本科學概念

　　水資源：指可供人類直接利用，能不斷更新的天然淡水。從廣義來說是指水圈內水量的總體。從狹義上來說，水資源是指由當地降水產生的，存在於河流、湖泊、地下含水層中的逐年可更新的動態水資源，主要包括地表水和地下水。水資源可用於灌溉、航運、發電、供水、養殖等，是人類生存和發展不可缺少的自然財富。通常我們所說的水資源，特指陸地上的淡水資源，包括河流和湖泊中的淡水、高山積雪和冰川，以及地下水等。

　　降水量：指從天空中降落到地面上的液態或固態（經融化後）降水，未經蒸發、滲透、流失而在水平面上積聚的深度。降水是氣候的一個重要組成因素，根據其不同的物理特徵可分為液態降水和固態降水。測定降水量的基本儀器是雨量器、翻鬥式雨量計、虹吸式雨量計和雙閥容柵式雨量傳感器等。在對降水量的預測中一般用降水概率來表示，一般不會用到的可能性是100％，這是因為目前科學家對降水與否的把握只有70％左右。

　　蒸發量：通常指在一定時段內，水分經蒸發而散布到空中的量，是水循環中的重要組成部分。狹義的蒸發概念指水面蒸發，廣義的蒸發則包括水面蒸發、陸面蒸發和植物蒸騰等3種類型，並把植被地段的蒸發和蒸騰統稱為蒸散。測量蒸發量的儀器有很多。我國一般採用20釐米蒸發皿和E601型蒸發器進行水面蒸發的觀測。蒸發量與氣溫、日照、風速、溼度等氣象要素密切相關。因此區域尺度上的蒸發量可根據氣象站氣象資料來估算。蒸發量在估算植物需水和植物水分平衡等方面具有重要的應用價值；蒸發量變化的研究，對深入了解氣候變化、探討水分循環變化規律具有十分重要的意義。

　　徑流量：指通過流域出口斷面的全部水流數量，大氣中雨水降落在陸地後或高山冰雪融化成液態水後，經過植被截留、填窪、土壤蓄水及雨期蒸發等損失後所剩餘的水量，從不透水面積上、地面和地下匯集到流域流出斷面的全部水流。徑流的形成是一個極為複雜的過程，包括大氣降水轉化為地表水的部分，地下水出露（出滲）形成地表水的部分，並扣除沿途蒸發、河流滲漏流失的水量。徑流量的多年平均值（通常用30年平均）代表了該流域從外界獲得補給量的平均水平，是陸地上最重要的水文要素之一，也是水量平衡的基本要素。徑流量往往以流域作為計算單元，計算方法包括實測法、水量平衡分析法和水文比擬法等。

　　冰雪資源：是指人類可利用的地球表面積雪和積冰。冰雪是氣溫在0℃以下形成的固態水，冰雪的穩定性取決於環境溫度，有長期性積冰積雪和季節性冰雪兩種。冰雪是重要的淡水資源，也是乾旱區水資源的重要來源，被稱為「固體水庫」。在乾旱區，高山終年冰雪區是固體水庫，亦是一些河流的水源，並形成沿河的綠洲。冰雪資源在調節水資源、冷藏、冰雪考古、開展冰雪運動和冰雪旅遊等方面都有重要意義。長期積冰和積雪的變化是氣候變化的重要指示物。

　　水資源安全：一般指水資源的供需矛盾對社會經濟發展和人類生存環境產生的危害及相關問題。水循環更替時間長短、水量、水質、水資源時空分布、水旱災害頻率與強度等不僅與氣候條件密切相關，還受到大規模人類活動影響。

　　氣候變化與我國水資源安全

　　20世紀中葉以來，受氣候變化影響，我國東部主要河流徑流量不同程度減少，海河和黃河徑流量減幅更高達50％以上。冰川退縮加劇了青藏高原江河源區徑流量變化的不穩定性。氣象災害頻發降低了水資源的可利用性，導致我國北方水資源供需矛盾加劇，南方則出現區域性甚至流域性缺水現象。在未來氣候持續變暖背景下，未來我國水資源風險將會增加。

　　氣候變化與水資源量。20世紀50年代以來，受氣候變化和人類活動雙重因素的影響，我國北方水資源量明顯減少，水資源供需矛盾突出；松花江、遼河、海河、黃河實測徑流量均呈下降趨勢，尤其海河和黃河下降明顯，減少近一半，海河流域氣候要素對河川徑流量減少的貢獻將近三成，黃河中遊貢獻近四成；遼河、松花江減少幅度次之，其中遼河流域氣候要素對河川徑流量減少的貢獻佔近兩成。而我國西部的塔裡木河源地區、雅魯藏布江徑流表現出增加的趨勢，這主要是由於氣候變暖，冰川消融，導致近期徑流量增加。從趨勢上看，短期內冰川退縮會使河流水量增加，但亦會加大以冰川融水補給為主的河流或河段徑流量變化的不穩定性；隨著冰川持續退縮，冰川融水銳減，以冰川融水補給為主的河流，特別是中小支流，其徑流的年內分配更不均勻，甚至面臨逐漸乾涸的威脅。

　　氣候變暖與水質惡化。在氣候變暖背景下，水資源量在時空分布上的變化會改變地表水環境，進而改變河流湖泊的水質。水體溫度升高引起湖泊水中含氧量減少，致使湖泊或水庫底部沉積物發生微生物厭氧反應，產生有毒氣體和鹽類，促使營養元素溶出，引起湖泊色、味上的汙染，甚至增加水體表層營養鹽濃度，加上適宜的溫度，導致湖泊富營養化。

　　氣候變化與極端水文事件。19世紀40年代、70年代和20世紀30年代、50年代是我國洪澇災害頻繁發生和災害程度最為嚴重的時期，且多出現在東部季風氣候區，而在西部乾旱和半乾旱區，則多發生由短歷時局地性暴雨導致的災害性洪水。20世紀後50年，我國南方流域雨澇面積雖有所減少，但夏季雨澇面積卻在擴大，主要就是因為夏半年降水更加集中，強降水事件增多，導致洪澇等極端水文事件更易發生。20世紀90年代以來，黃河流域暴雨洪水的發生頻率和程度均逐年降低，乾旱形勢日趨嚴重。20世紀後半葉，長江流域大部分地區降水增加，強降水佔總降水量的比例加大，致使20世紀70年代後特別是90年代長江流域洪水頻發。淮河流域旱澇等水文事件頻繁發生，20世紀90年代以來，尤其是夏秋兩季出現頻率增加，強度增強，夏季偏澇，秋季偏旱。。

　　氣候變化與水資源風險。在未來氣候持續變暖背景下，水資源系統結構將會繼續發生改變。水資源數量可能進一步減少，水質進一步降低，旱澇災害更加頻繁，尤其是時空分配上會更加不均勻，進一步加重我國水資源的脆弱性，水資源供給、水資源利用等與淡水資源相關的風險會顯著增加。

　　春耕（攝影：周永文）

　　國際上與水相關的重要科學計劃

　　國際水文計劃，簡稱「IHP」，是水文領域最重要的國際合作活動之一。國際水文計劃從1975年開始執行，其領導機構是政府間理事會，由聯合國教科文組織理事國組成。該計劃的目的是組織成員國執行一系列計劃項目，包括：進行水文循環研究—人類活動對水文循環的影響、水資源的合理估算和有效利用等；組織出版刊物、信息交流、學術會議和地區合作等，促進國際水文合作； 開展水文科學的教育和培訓等。這項計劃每兩年舉行一次會議，休會期間由國際水文計劃秘書處行使職能。成員國在其國內設立國際水文計劃國家委員會，任務是制訂參加國際水文計劃的本國計劃，並促其實施。中國是成員國之一。

　　全球能量和水循環試驗，簡稱「GEWEX」，是世界氣候研究計劃（該計劃由世界氣象組織、國際科學理事會和聯合國教科文組織的政府間海洋學委員會於1980年共同發起創建） 的組成部分。

　　GEWEX的科學任務是：根據對全球大氣和陸面特徵的測量，確定陸地的水文循環和能量通量，並模擬全球水循環及其對大氣、海洋和陸面的影響；提高預測全球及區域的水文過程和水資源變化及其對環境變化響應的能力；促進觀測技術、資料管理和同化系統的發展，使其更加適用於長期天氣預報、氣候預測和水文預測。

　　國際地球科學計劃，簡稱「IGCP」，是聯合國教科文組織的自然科學計劃之一， 也是聯合國系統唯一的國際地球科學發展計劃。該計劃由教科文組織和國際地質科學聯合會於1972年共同發起，並於1974年實施至今。國際地球科學計劃共設五大科學主題，包括地球資源、全球變化和生命演化、地質災害、水循環的地質科學、地球動力學。截至目前，該研究計劃已資助了360餘項國際地學合作項目，來自150多個國家和地區的上萬名地球科學家參與其中，為解決諸多全球關注的重大地學問題，如地質災害預警、氣候變化、地下水資源保障等做出了重大貢獻。

　　（致謝：本文部分資料由國家氣候中心提供）

（稿件來源：中國氣象局氣象宣傳與科普中心 責任編輯：蘇傑西）