气候变化对区域水循环影响的数值模拟

气候变化对区域水循环影响的数值模拟

杨武美1赵阳2

临邑县农田建设服务中心  山东省德州市  251500

摘要：该研究以气候变化在区域水循环中的作用为背景，采用数值模拟方法讨论气候变化对区域水循环过程中的作用规律。通过构建数学模型并进行气候数据分析来揭示气候变化对降水量，蒸发量，地表径流及其他水循环要素影响的机理。研究表明：气候变化会给区域水资源分配，生态环境和社会经济发展带来深刻影响。

关键词：气候变化；水循环；数值模拟；影响规律

1气候变化对区域水循环影响的数值模拟的意义

在全球气候变化日益加剧的背景下，区域水循环对地球水资源这一循环系统产生着巨大的冲击。该效应不仅体现在水资源量变化中，还体现在水资源分布，水资源质量及利用方式诸多方面。所以深入研究气候变化在区域水循环中的作用规律对于指导区域水资源管理和生态环境保护有着十分重要的意义。一是问题的提出气候变化在区域水循环中的作用直接影响着人类社会的存在与发展。水是生命之源，也是人赖以生存与发展之本。气候变化引起区域水循环变化会对区域水资源质与量产生直接影响，从而对人类社会生产与生活产生影响。因此利用数值模拟的方法研究气候变化在区域水循环过程中的作用可为区域水资源管理与保护提供科学依据。二是气候变化在区域水循环中的作用还与生态环境的均衡与保护直接相关。水循环作为地球主要的自然循环，与大气循环和地质循环互相联系在一起，共同保持地球生态环境平衡。

2.气候变化对区域水循环影响的数值模拟方法

2.1 水循环数学模型建立

水循环做为一种复杂的自然过程包含了降水，蒸发，植物吸水以及地表与地下水流的一系列过程。建构水循环之数学模型，必须先界定系统之边界与成分，如流域或是某湿地区域等。这个过程需要准确地跟踪水分的数量与质量。首先我们需要决定模型的尺度与分辨率，这些尺度与分辨率直接影响着模型的复杂程度与所需计算资源。然后，选取适当的物理方程对水流动与分配过程进行描述。这类方程一般有水量守恒方程，能量平衡方程及动量守恒方程等，既可线性也可非线性，既可稳态也可瞬态。然后对模型进行参数化是关键一步。其中涉及土壤性质，地形，植被覆盖，气候条件的阐述。有些参数会固定不变，有些则会随着时空的改变而改变。确定参数通常需依靠实地测量或遥感数据进行修正。最后边界条件与初始条件设置关系到模型精度。

2.2 气候数据获取与分析

开展水循环数值模拟工作离不开获得精确的气候数据。其中一般包括温度，降水量，湿度，风速，太阳辐射。获得这类资料的方法很多，主要是地面观测站记录，卫星遥感技术和气象预报模型输出等。地面观测站的资料是最直接、最可靠的信息源之一，但是它的限制条件是观测点的分布可能不均匀。为了克服这一点，科学家们通常采用插值方法或地统计学方法来估算非观测地区的气候条件。另外卫星遥感技术还可以提供大面积气候参数的估算，其中包括云量，地表温度以及植被状况，更新周期短。

气候模型，特别是全球气候模型（GCMs）和区域气候模型（RCMs）也是获取未来气候情景数据的重要手段。这些模型模拟了大气，海洋，陆地与冰冻圈之间相互作用，并对未来气候变化进行了预报。利用这些模式生成的资料需关注可能存在的不确定性并将其与观测资料进行比较进行校验。

气候数据分析需考虑到气候数据的时空变异性及可能出现的趋势与周期性变化。另外干旱、洪水等极端气候事件的发生频率、强度及其在水循环过程中所起的作用在分析时都不容忽视。利用统计分析与数据挖掘技术可以确定这类事件驱动因素并为水资源管理提供科学依据。

2.3 水循环数值模拟方法

对于水循环的数值模拟，是集物理，数学，计算机科学等多学科于一体的复杂课题。选择模拟方法必须能正确地反映水循环物理过程并且适应于不同尺度及复杂程度的体系。目前普遍采用动力学模型，根据流体动力学与热力学原理对方程进行数值求解以模拟水中运动过程。这些模型可为一维，二维，也可为三维，具体视研究需要及可利用计算资源而定。该动力学模型可以模拟出流速，水位变化，水体质量变化的动态过程。此外，该统计模型还对历史气候数据与水文数据进行了相关分析，从而对未来水文事件进行了预测。此类模型一般所需输入数据较少，计算比较简单。然而，它们的缺点在于无法准确捕捉到复杂的物理过程。

水文水资源模型如SWAT（土壤和水评估工具）和MODFLOW等，通过综合多个水循环组分的过程来模拟整个水资源系统。这类模式一般要求土壤特性，地形，土地利用，气候等方面有丰富的资料。模型的构建与操作需要专业知识，才能保证准确性与可靠性。仿真时敏感性分析，不确定性评估以及模型校准等都是必不可少的环节。通过这几个环节，研究人员可以评价模型在不同参数下的反应情况，调整模型使其与实际观测数据相匹配。将模拟结果与独立观测数据集或者历史水文事件进行比对。这些流程保证了该模型能对未来水循环变化进行可靠预测，并为水资源管理及气候变化适应策略提供支撑。

3. 气候变化对区域水循环影响规律

3.1 降水量变化规律

气候变化背景下降水量变化对于区域水循环有显着作用。研究显示气候变化引起降水分布及强度不规则变化。一是降水量季节性分布变化显着，部分区域降水呈显着上升态势，其他区域呈下降态势。二是降水事件频数与持续时间随之改变，更集中、更强的降水事件不断涌现，给区域水资源存储与利用带来新挑战。此外，气候变化也引起降水型态之变化，如降水事件之型态从持续性降雨到短时强降雨，对于地表径流与土壤水分之分配影响深远。

3.2 蒸发量变化规律

蒸发量变化是气候变化对区域水循环影响中的一个重要方面。气候变化使蒸发量在季节性及空间分布上有明显改变。一是前言气温升高使水体蒸发速率加快，特别是干旱地区及高温季节蒸发量呈显着增加态势。二是气候变化还会影响大气的湿度、风速等要素，从而影响蒸发量。此外，植被覆盖变化还对蒸发量产生影响，如植被减少可使土壤水分蒸发加剧，进而影响区域水循环格局。

 3.3 地表径流变化规律

一是气候变化引起地表径流时空分布明显改变。一、前言降水量、蒸发量等物理量的变化对地表径流的产生与分配有着直接的影响。降水量增加可使地表径流量增大，特别当降水事件集中且剧烈时地表径流量增大更明显。二是蒸发量增大将使土壤内水分储备下降，进而降低地表径流形成潜力。此外，地表径流受地形和土壤类型影响较大，而气候变化对其影响亦将直接影响地表径流变化特征。总之，气候变化引起的地表径流变化复杂多变，需考虑各方面因素才可充分了解其变化规律。

结束语

该研究采用数值模拟方法揭示气候变化在区域水循环过程中的作用规律，以期为区域水资源管理及生态环境保护等提供科学依据。在今后的工作中可以根据实际情况进一步改进模型并进行更加深入地研究，以便对气候变化问题提出有效的对策与措施。

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