1.2 国内外相关研究动态

气候变化对水文水资源影响评估与水资源适应性管理研究是全球性重要课题之一，也是新时期水文水资源科学发展战略性的高层次问题。近年来，国内外学者在该领域已开展了广泛研究，取得了一定的成果。

1.2.1 气候变化对流域水文及水资源影响评估研究动态

气候变化对于水文与水资源影响相关的研究开始于20世纪70年代，世界气象组织（WMO）、联合国教科文组织（UNESCO）、联合国环境规划署（UNEP）、联合国发展署（UNDP）以及国际水文科学协会（IAHS）等组织陆续开展了世界气候影响研究计划（WCIP）、全球能量水循环试验（GEWEX）、国际地球生物圈计划（IGBP）、国际水文计划（IHP）等项目的研究。

1988年，联合国环境规划署及世界气象组织共同组建了政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC），对全球气候变化情况进行评估，并定期发布具有权威性的气候评估报告。目前，IPCC已正式发布（1990，1995，2001，2007，2013）五份评估报告，为国际社会认识和了解气候变化问题提供了重要科学依据。

20世纪90年代以来，气候变化的影响越来越引起社会的关注，同时越来越多的科研工作者加入IGBP、GEWEX等项目，水文水资源领域相关的研究成果也日渐丰富。1991年，第20届国际IUGG大会深入探讨了土壤和大气之间的相互作用的水文过程。1993年，第四届水文科学大会（IAMAP-IAHS）、第6届国际气象和大气物理科学大会中心议题是气候变化、水圈和大气圈的相互作用和相互影响、大尺度气候和水文模拟技术。

进入21世纪以来，气候变化影响评估的研究范围进一步扩展，与水文、生物、环境、物理、人文等多学科的交叉研究显著增加，并且更注重气候、陆面、人类活动等各方面的相互影响及反馈作用，变化环境中水资源的脆弱性研究、变化环境下的人地关系的影响研究、水文循环及其生态环境演化过程逐渐成为当时的热点。例如，IAHS会议（2004）、系统科学联盟（ESSP）和全球水系统计划（GSWP）联合会议（2006）、IUGG国际会议（2007）、世界气候研究计划（WCRP）（2007）等均对新时期气候变化影响评估展开了广泛深入的讨论。2013—2014年，IPCC第五份气候评估报告（AR5）陆续发布，对2007年以来的气候变化研究新进展进行了全新的评估，为新一轮国际气候变化政策和行动提供新的科学支持。

我国在气候变化对水文水资源影响评价领域的研究开始于20世纪80年代。1988年，“中国气候与海面变化及其趋势和影响研究”重大项目中，首先设立了气候变化对西北水资源的影响研究。刘春纂、杨针娘、曹梅盛（1988—1991）先后回顾了当时国际上气候变化评估研究领域的研究进展，并指出了我国未来阶段的主要研究方向。赖祖铭等（1990）通过构建水量平衡模型，研究了气候变化对冰川区水文的影响，结果表明未来全球气候变暖，将导致我国西北高寒山区以冰川融水补给为主的河川径流量逐渐减少。1991年，国家科学技术委员会启动的“八五”国家科技攻关项目“全球气候变化的预测、影响和对策研究”中设立了“气候变化对水文水资源的影响及适应对策”专题。郭生练等（1995）应用Monte Carlo和非参数方法研究气候变化对区域水文评价模型参数和径流的不确定性，发现径流对降水的变化要比对气温升高敏感，径流系数较小的流域，其变化幅度反而大。张永勤等（1999）耦合地表热量平衡和水量平衡模型，分析长三角地区不同气候情景对水资源变化的影响，发现水资源量随温度的升高而减少，随降水的增加而增加，并且温度上升1℃与降水减少3.3%对水资源的影响相当。

进入21世纪以来，我国在气候变化领域的研究得到进一步深化和拓展，取得了一定的研究成果。2001—2005年，“十五”科技攻关重点项目“中国可持续发展信息共享系统的开发研究”中“气候异常对我国淡水资源的影响阈值及综合评价”专题构建了VIC分布式水文模型，在对未来需水预测和未来水资源量情势分析的基础上，研究了未来气候变化情景下我国水资源的脆弱性和气候变化对我国淡水资源的影响阈值。2009年，“973计划”“气候变化对我国东部季风区陆地水循环与水资源安全的影响及适应对策”课题启动，该课题主要针对我国东部季风区的大江大河流域水循环及水资源格局变化以及南方洪涝灾害与北方水资源短缺等重大水问题，开展气候变化背景下陆地水循环响应机理、气候变化对我国区域水资源安全与适应对策研究。2010年，全球变化国家重大科学研究计划中也包含“气候变化对黄淮海地区水循环的影响机理和水资源安全评估研究”和“气候变化对西北干旱区水循环影响机理与水资源安全研究”两个课题。2011年，国务院新闻办公室发表《中国应对气候变化的政策与行动（2011）》白皮书，其中也包含了对气候变化情势下我国水资源的适应对策研究。

王国庆（2006）构建YRWBM水文模型，实现了参数的网格化和黄河中游地区径流量的分布式计算，并提出了气候变化和人类活动对河川径流影响的定量分割方法。刘春蓁（2004）、丁一汇（2008）、宋晓猛等（2013）、李峰平等（2013）均从大气温度、降水、海平面上升和蒸散发的变化说明了全球气候变化对于全球水资源系统和水资源管理的影响。郭靖（2010）应用SDSM等统计降尺度方法预测汉江流域未来降水、气温变化，分别采用两参数月水量平衡模型和VIC分布式水文模型与GCM进行耦合，预测汉江流域径流量情况，并对汉江上游径流极值事件的变化情况进行研究。仕玉治（2011）针对历史气候变化和人类活动影响的贡献量化问题，提出一种基于SWAT的新的分项量化方法，并以东北地区辉发河流域为实例，分离出降雨丰枯变化量、气候变化量以及人类活动的影响量。刘艳丽（2012）等提出一种基于拉丁超立方体抽样技术的季节分段抽样模拟方法，实现对气候自然变异的模拟，并应用TOPMODEL水文模型对基准期和未来期的径流时空分布进行模拟和预估。董李勤（2013）分别计算气候变化和人类活动对嫩江流域径流变化影响的贡献率，利用流域湿地遥感资料以及土地利用资料对流域湿地景观动态变化及其影响湿地景观动态变化的因素进行分析，并对气候变化情景下湿地生态需水量进行预测计算。冯靖（2014）结合SWAT水文模型和现代水资源评价技术，根据水循环的演变规律识别气候变化对水资源量、可利用水资源量和可供水量的影响，逐级反映气候变化对供水的影响过程。夏军等（2014）评价了气候变化情景下黄河水资源的脆弱性，并从配置、利用、调度、管理方面系统地提出了适应性对策，包括水资源优化配置方案、水沙调控体系、非常规水资源开发、梯级水库优化运用、外流域调水等。

1.2.2 气候变化条件下水资源适应性调度研究动态

适应性的概念起源于进化生态学，指组织或系统为了生存、繁殖而增强应对环境变化的基因和行为特征。近年来，适应性也被引入气候变化相关研究领域，指通过适应性调整，评估缓和与削减气候变化负面影响、认识正面作用、避免气候变化对人类和生态系统生风险的程度。

自21世纪以来，国内外学者已在不同领域和不同空间尺度上开展响应气候变化的适应性研究。Yao和Aris（2001）研发气候变化情景下的水资源预报-决策支持系统，指导Folsom湖的调度管理。Brekke等（2009）分析了气候变化给水库调度带来的风险，并以此为基础研究水库适应性调度的策略与方法。Raje等（2010）模拟了未来气候变化对于Hirakud水库防洪、供水、灌溉等方面的影响，并采用动态规划的方法研究提出适应性调度策略。Vicuna等（2010）提出了在气候变化不确定性下水资源系统的调度方法。Sowers等（2011）从政治、经济和机构决策者的角度分析了中东和北非地区在气候变化条件下水资源管理的适应性策略。Watts等（2011）总结了极端气候事件下水库调度的教训，提出改变传统调度方式，增强调度方式的灵活性。Maran等（2014）着重从适应性管理策略的角度分析了气候变化对于alpine流域水能开发活动的影响。Acosta和Martinez（2014）构建REA模型，对Lerma-Chapala流域在21世纪A1B情景下的水资源脆弱性进行评估。Ahmadi等（2015）用HadCM3模式输出驱动IHACRES水文模型，对Karoon-4水库流域在A2情景下21世纪来水情况进行预测，并构建适应性调度模型，利用NSGA-II进行求解，提出适应性调度对策。

目前，我国对于水资源适应性管理的研究成果尚不丰富，特别是对于气候变化条件下水资源调度管理的定量研究仍处于起步阶段。“973项目”“气候变化对我国东部季风区陆地水循环与水资源安全的影响及适应对策”（2009）针对我国东部季风气候区特点开展气候变化下水资源脆弱性与适应性理论与方法研究，为气候变化条件下水资源适应性管理提供对策。周研来等（2014）以丹江口水库为研究对象，构建VIC分布式水文模型，预测气候变化条件下汉江流域的径流变化，发展多目标调度图优化模型指导气候变化情景下水库调度运行。夏军等（2014）研究和评价了气候变化情景下黄河水资源的脆弱性，并初步探讨了有序适应的黄河流域水资源优化配置方案。

水资源适应性调度模型构建与求解技术是气候变化条件下水资源适应性调度研究的核心。目前，适应性调度模型的构建多在传统水资源优化调度模型的基础上，加入适应气候变化的相关目标和约束。同时，模型的求解技术仍多沿用传统水资源优化调度模型的求解方法。

传统水资源调度研究始于20世纪40年代Masse提出的水库优化调度问题，50年代中期，系统工程技术在水库优化调度中得到广泛应用。我国水资源调度研究起步于20世纪60年代初的以水库优化调度为先导的水资源分配研究。20世纪80年代，水资源优化调度手段与技术进一步丰富，涵盖了发电调度、防洪调度等多个方面。近年来，随着数学规划理论的日渐完善和计算机技术的广泛应用，水资源优化调度的技术与方法进一步丰富，主要包括常规方法、系统分析方法、多目标优化技术、大系统协调分解、模拟模型法以及现代启发式智能方法等。

（1）常规方法。常规方法是指以调度准则为依据，利用水资源配置理论和径流调节相关计算方法，综合水资源调度图等经验性图表实施的水资源调度方式，是一种半经验、半理论的调度方法，该方法简单明确便于操作，但调度结果并非最优，难以充分发挥水资源的综合效益。

（2）数学规划方法。20世纪50年代以来，系统工程理论与技术迅速发展，数学规划方法也被引入水资源优化调度研究之中。常用的数学规划方法包括线性规划、非线性规划以及动态规划等。其中，动态规划法可将复杂系统分析问题分解为多阶段的决策过程，逐次求出各阶段的最优解，进而求得整个系统的最优策略，是处理多阶段决策问题的有效方法，广泛应用于水资源调度研究之中。陈守煜（1990）提出多阶段多目标决策系统模糊优选理论，应用于复杂水资源系统中方案优选之中。在此基础上，崔振才等（2000）提出模糊优化多维动态规划模型。翟晓烨（2010）采用动态规划法为北京市供水系统建立了水资源调度系统模型。

（3）多目标优化技术。多目标决策方法是从20世纪70年代中期发展起来的一种决策分析方法，可从众多非劣解中选出最佳均衡解，求解存在竞争性和矛盾性多目标的水资源优化调度问题。董子敖等（1986）提出了计入径流时空相关关系的多目标多层次优化法。王宏伟等（2012）建立水资源多目标优化配置模型，并利用遗传算法对西宁市水资源配置进行了优化研究。彭晶（2013）耦合多目标动态水资源优化配置模型与地理信息系统（GIS），形成了基于GIS的水资源优化配置系统。

（4）大系统协调分解。流域水资源优化调度问题是具有高维性、不确定性、规模庞大、结构复杂、功能综合、因素众多等特征的大系统优化问题。大系统分解协调是将流域水资源系统分解成若干相对独立的子系统并构建协调机制处理各子系统间的关联作用的一种递阶控制方法，在现代水资源优化调度与管理中得到了广泛的应用。谢新民（1992）提出基于大系统理论和传统动态规划技术的水电站水库群优化调度模型，采用两级动态结构研究流域水资源大系统的谱系管理问题。金鑫（2012）提出了面向河流生态健康的供水水库群联合调度模式，并用大系统分解协调法进行求解分析。王莹（2013）用大系统分解协调法求解三峡、清江梯级水电站联合优化调度问题，并通过与逐步优化等算法的分析对比，证明了大系统分解协调法在解决复杂水资源系统优化问题时的优越性。

（5）智能方法。随着系统工程理论和现代计算机技术的发展，近年来现代智能启发算法在水资源系统优化问题中得到了深入的探索和广泛的应用。与常规优化算法相比，现代智能优化算法通过利用生物学上的智能体的行为和机理进行建模，模拟人类的智能活动，通过自适应学习的特性，达到了全局优化的目的，具有自学习、自组织、自适应的特征和简单、通用、鲁棒性强、适于并行处理等优势。目前，常用于水资源优化问题求解的智能算法包括遗传算法（GA）、模拟退火算法（CSA）、人工神经网络（ANN）等。Savic等（1997）利用遗传算法研究以最小花费为目标的水资源调配问题，系统提出遗传算法在水资源优化问题中的应用步骤与方法。金菊良（2000）对标准遗传算法进行改进，提出了基于实数编码的加速遗传算法和基于整数编码的单亲遗传算法，并成功应用于径流预报、洪灾评估、气候区划等水资源问题。陈守煜（2005）耦合Kohonen聚类网络与自适应谐振理论，提出新的模糊聚类神经网络，并将其应用于区域水资源评价中。赵恩龙（2013）利用遗传算法求解多目标决策问题，对灌区水资源优化调度开展了研究。

1.2.3 降尺度技术研究动态

GCM输出的空间分辨率一般较低，无法对区域尺度的复杂地形、地表植被分布及次网格尺度的物理过程进行正确的描述，也难以反映局地性的气候变化特征。气候变化影响评估中，降尺度技术主要目的是将GCM的粗空间分辨率输出降解至地表区域尺度，驱动流域水文模型对未来流域水文时空演变过程进行预估。目前，主要的降尺度方法主要包括：①动力降尺度，即区域气候模式（Regional Climate Model，RCM）；②统计降尺度；③动力与统计相结合的降尺度方法。

统计降尺度方法是指利用多年观测资料建立大尺度气候要素和区域气候要素之间的统计关系，然后将此关系应用到GCM输出的大尺度气候信息，用以预估区域未来的气候变化情景。该方法可将GCM中物理意义较好，模拟较准确的气候信息应用于统计模式，纠正GCM的系统误差，且不用考虑边界条件对预测结果的影响，具有计算效率高，输出分辨率高，适用性强等优势，特别对于温度、降水等气象要素的模拟具有更好的效果，可有效弥补动力降尺度方法的部分不足，在气候变化评估领域的研究中得到了广泛的应用。该方法由Kim等于1984年率先提出，后经Wilby等多次改进，现已发展为转换函数法（Transfer Function Method）、天气分型法（Weather Pattern Method）和天气发生器（Stochastic Weather Generator）三大类。

1.转换函数法

转换函数法首先从大尺度观测数据或GCM输出变量中选择预报因子，并对其进行必要的数据转换（如标准化或偏差订正），然后根据一定的统计规则建立大尺度预报因子和区域变量之间的转换模型。根据其转换函数的类型，转换函数法可分为线性模型和非线性转换函数法。其中，传统线性模型主要方法包括多元线性回归法（Multiple Linear Regression，MLR）、奇异值分解法（Singular Value Decomposition，SVD）、支持向量机（Support Vector Machine，SVM）、典型相关分析法（Canonic Correlation Analysis，CCA）等，该方法对于线性关系的降尺度问题具有较好的效果。例如，崔妍等（2010）采用典型相关分析法评估降尺度模型对当前极端降水指数的模拟能力，并对未来极端降水变化进行预估。非线性模型可较准确地描述变量的统计分布特征，对具有不同数据分布特征的变量的降尺度以及改善极端值模拟精度可起到较好的效果，主要有人工神经网络（Artificial Neural Network，ANN）、广义加法模型以及分位数回归等方法。例如，Fernandez-Ferrero等（2009）将人工神经网络与线性回归等线性方法用于统计降尺度的对比研究，表明多数情形下人工神经网络的降尺度效果更好。

2.天气分型法

天气分型法是一种非参数方法，可以克服传递函数法中参数拟合难的问题。该方法首先对历史大气环流信息进行分类，然后根据未来环流信息与过去环流类型的相似性来确定未来区域的天气特征，包括主观分型法和客观分型法。其中，主观分型技术的结果不能被重建，且只能应用于特定的区域，因此该方法的应用存在较大的局限性。客观分型技术是以统计方法为基础的分型技术，有主成分分析法（Principle Component Analysis，PCA）、CCA、ANN、类比方法、模糊聚类等。例如，Boe（2006）耦合天气分型和条件化重采样技术，对塞纳河的气象要素进行降尺度分析，取得了良好的效果。

3.天气发生器

天气发生器是用于随机生成在统计特征上相似于实际观测资料的气象数据的统计模型，可根据观测数据的时间和空间结构快速生成任意长度时间序列或空间域，全面科学地考虑变量的时空相关性，因此被广泛用于气候影响评价与概率预测中。其中，马尔可夫（Markov）过程是最常用的天气发生器技术。Camberlin等（2014）利用基于马尔可夫过程的天气发生器模拟了东非地区季节性降雨变化以及空间插值技术在天气发生器技术中的应用情况。廖要明等（2009，2013）利用马尔可夫链分别模拟了我国降水和非降水变量的时空变化，并对其参数的分布特征进行了分析研究。除此之外，最近邻算法、干湿天数法、Poisson集群过程、自回归过程法、团聚点过程模型等近来也被应用于天气发生器之中。

1.2.4 气候变化条件下流域水文模拟技术研究动态

水文模拟技术是以流域的整个水文系统为研究对象，根据降雨、蒸发和径流等水文过程在自然界的运动规律建立相应的数学模型，模拟、分析和预测流域内水体的存在方式、运动规律和分布状况等，是解决未来气候情景下流域内水文变量信息的主要工具。自20世纪下半叶以来，国内外学者对于现代水文模型技术进行了深入的探索和研究。在应用于气候变化影响评估时，考虑到模型的精度、通用性以及兼容性等因素，常用的水文模型主要包括经验统计模型、概念性月水量平衡模型和分布式水文模型三类。

1.经验统计模型

经验统计模型根据历史的水文与气象要素观测资料，分析径流与气温、降水、蒸发等因子之间的相关关系，并由此建立统计模型，预估气候变化情景下径流的变化趋势。Stockton（1979）、Idso（1984）、Flaschka（1987）等均对该方法在气候变化评估中的应用进行了探索和研究。经验统计模型基于统计学原理，对于历史观测资料有较高的要求，适用于有完备长系列资料的地区。同时，由于气候变化条件下，未来气温、降水等要素的时空分布发生改变，径流与气象因子之间的统计关系也并非恒定不变，因此该方法在气候变化影响评估的研究中存在较大局限性，目前已较少采用。

2.概念性月水量平衡模型

概念性月水量平衡模型以水文物理过程为基础，以月为计算时段，模拟从陆地降雨，经过蒸发、入渗及产流等过程到出口断面产生的径流的过程，研究气候、径流的因果关系以及流域水资源对气候变化的响应。目前具有代表性的概念性模型有Stanford模型、Sacramento模型、新安江模型、Tank模型、HEC模型、SCS模型等。因为预估未来流域径流量的月变化已可满足气候变化对流域水资源量影响评估的要求，并且GCM输出的日气象要素与月气象要素相比模拟精度的可信度不高，因此该类模型被广泛应用于气候变化对流域水文水资源影响评估之中。但概念性月水量平衡模型的局限性与集总式水文模型相同，该类模型将流域作为整体来处理，无法描述地形、土壤、植被、土地利用、降水等流域特征参数空间分布的异质性。Nemec等（1982）率先应用概念性水文模型分析气候变化对干旱和湿润地区径流的影响。Xu等（1998，2000）构建月水量平衡模型，研究了气候变化对瑞典中部地区水资源和冰雪覆盖的影响。傅国斌和刘昌明（1991）构建概念性月水量平衡模型，分析了全球气候变化对海南万泉河流域水资源的影响。熊立华和郭生练（1996）研制了两参数月水量平衡模型，并在我国南方地区做了探索应用。郭靖等（2008）采用统计降尺度法和两参数月水量平衡模型研究气候变化对丹江口水库径流过程的影响。

3.分布式水文模型

分布式水文模型将流域划分为若干个水文模拟单元，在每一个单元上用一组参数反映该部分的流域特性，可将土壤、植被的空间分布、土地利用的区域特征以及降水、蒸发和径流的空间分布较好的反映出来。目前具有代表性的分布式水文模型有TOPMODEL、SWAT、Mike-SHE、DHSVM以及VIC模型等。Liang等（1994，2001）研发VIC大尺度分布式水文模型及其与GCM的耦合机制，研究气候变化对流域水文变量的影响。Awan和Ismaeel（2014）构建SWAT分布式水文模型，评估了气候变化对于灌溉地区地下水的综合影响。郭生练等（2000）建立了基于GIS的大尺度半分布式流域水文模型，并研究汉江、赣江流域对气候变化的响应。袁飞等（2005）应用VIC模型与区域气候变化影响研究模型PRECIS耦合，对气候变化情景下海河流域水资源的变化趋势进行了预测。徐翔宇（2012）选取不同气候和下垫面条件下的典型流域，比较了基于观测数据的统计回归模型、集总式概念模型和分布式水文模型的结果，定量识别了气候变化和人类活动对流域径流变化的影响。