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第1章緒論

1.1全球氣候變化

作為人類賴以生存的自然環(huán)境的一個重要組成部分，氣候的任何變化都會對自然生態(tài)系統(tǒng)及社會經(jīng)濟產(chǎn)生不可忽視的影響。科學(xué)研究表明，近百年來，全球氣候正經(jīng)歷一次以變暖為主要特征的顯著變化。全球氣候變暖與人類活動密切相關(guān)。自工業(yè)革命以來，人類過度使用煤炭、石油和天然氣等化石燃料，排放出大量的溫室氣體是導(dǎo)致全球氣候變暖的主要原因，而大面積的森林砍伐和草原破壞則加劇了全球變暖的進(jìn)程。全球氣候變化、氣候變化與人類活動的相互作用以及由此產(chǎn)生的一系列問題，引起了世界各國的廣泛關(guān)注和研究。開展全球氣候變化研究，大致從20世紀(jì)80年代初開始，80年代中后期陸續(xù)實施。30余年來已有70多個國家和地區(qū)成立了全球變化研究國家委員會，協(xié)調(diào)和組織各自國家和地區(qū)的全球變化研究工作。政府間氣候變化專門委員會(IntergovernmentalPanelonClimateChange，IPCC)第四次評估報告指出：氣候系統(tǒng)變暖的客觀事實是不容置疑的，許多自然系統(tǒng)正在受到區(qū)域氣候變化，特別是受到溫度升高的影響。以變暖為主要特征的氣候變化不僅影響著水文、生物和生態(tài)系統(tǒng)，還影響著經(jīng)濟、生活。因此，未來氣候變化對地區(qū)、國家甚至全球的可持續(xù)發(fā)展將產(chǎn)生舉足輕重的影響(IPCC，2007；袁飛等，2005)。

IPCC(2007)預(yù)計氣候變化將加重目前人口增長、經(jīng)濟變革和土地利用變化(包括城市化)對水資源造成的壓力。在區(qū)域尺度上，山地積雪、冰川和小冰帽對可用淡水起著關(guān)鍵作用。預(yù)估近幾十年冰川物質(zhì)消失和積雪減少的速率將會在21世紀(jì)加快，從而減少可用水資源量，降低水力發(fā)電的潛力并改變依靠冰川融雪徑流的地區(qū)河流的季節(jié)性流量，而這些地區(qū)居住著當(dāng)今世界上1/6以上的人口。降水和溫度的變化導(dǎo)致徑流和可用水量發(fā)生變化。在較高緯度地區(qū)和某些潮濕的熱帶地區(qū)，包括人口密集的東亞和東南亞地區(qū)，根據(jù)預(yù)估，到21世紀(jì)中葉徑流將會增加10%～40%；而在某些中緯度和干燥的熱帶地區(qū)，由于降水減少而蒸騰率上升，徑流將減少10%～30%。另有研究結(jié)果表明，許多半干旱地區(qū)，如地中海流域、美國西部、非洲南部和巴西東北部的水資源量將由于氣候變化而減少。預(yù)估受干旱影響的地區(qū)將有所增加，并有可能對許多行業(yè)如農(nóng)業(yè)、供水、能源生產(chǎn)和衛(wèi)生產(chǎn)生不利影響。從區(qū)域?qū)用妫A(yù)估由于氣候變化，灌溉用水需求會出現(xiàn)大幅度增加。氣候變化對淡水系統(tǒng)的不利影響超過其效益。預(yù)估徑流減少的地區(qū)會面臨水資源所提供服務(wù)價值的降低。某些地區(qū)年徑流量增加所帶來的有利影響可能會被因降水變率增加和季節(jié)徑流變化對供水、水質(zhì)和洪水風(fēng)險造成的負(fù)面效應(yīng)所抵消。

近百年來，中國年平均地表氣溫升高幅度為0.6～0.8℃，增溫速率比同期全球平均略高。而近50年來，中國年平均地表氣溫升高1.1℃，增溫速率0.22℃/10a，比全球或北半球同期平均高得多。一方面，氣候變暖可能會對人類生存環(huán)境產(chǎn)生重大影響，可能使我國的經(jīng)濟部門如農(nóng)業(yè)、水資源及沿海地區(qū)遭受嚴(yán)重后果；另一方面，如果過早地承擔(dān)溫室氣體減排義務(wù)，其直接后果又將制約我國能源工業(yè)和制造業(yè)的發(fā)展，削弱我國產(chǎn)品在國際市場上的競爭力，從而使我國整體國民經(jīng)濟和社會發(fā)展受到嚴(yán)重制約。因此，中國作為發(fā)展中的大國，在應(yīng)對氣候變化問題上面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。這主要表現(xiàn)在資源"瓶頸"性約束和環(huán)境污染兩大嚴(yán)重而緊迫的問題。一方面，中國生態(tài)環(huán)境脆弱，海岸線漫長，人均資源占有量低，極易受到氣候變化的不利影響；另一方面，中國人口眾多，經(jīng)濟發(fā)展水平低，在今后相當(dāng)長的時期內(nèi)，發(fā)展經(jīng)濟、改善人民生活仍是首要任務(wù)。防止氣候向不利的方向發(fā)展、阻止其惡化是全人類共同的任務(wù)和使命。氣候變化是由于地球的氣候系統(tǒng)受到了不同程度的擾動而引起的。除了自然的因素，如地球的軌道和自轉(zhuǎn)變化，以及太陽輻射、火山爆發(fā)等外，使氣候系統(tǒng)產(chǎn)生擾動的另一重要驅(qū)動力是由人類活動導(dǎo)致的溫室氣體大氣濃度的增加，其中最重要的溫室氣體是二氧化碳。溫室氣體通過其溫室效應(yīng)促進(jìn)了全球變暖。

1.2氣候變化的定義

1.2.1天氣、氣候

天氣是指短時間(幾分鐘到幾天)發(fā)生的氣象現(xiàn)象，如雷雨、冰雹臺風(fēng)、寒潮、大風(fēng)等。它們常常在短時間內(nèi)造成集中的、強烈的影響和災(zāi)害，如一次雷雨和冰雹常常在幾個小時或十幾個小時內(nèi)生消，它們會帶來局部地區(qū)的閃電、雷暴、大風(fēng)、暴雨和冰雹。這是短期天氣預(yù)報的任務(wù)。一次全國性的寒潮過程會持續(xù)3～5天或更長時間，也屬于天氣的范疇。它可以在數(shù)天內(nèi)造成大范圍地區(qū)降溫與大風(fēng)天氣，甚至帶來暴風(fēng)雪。一周左右的天氣預(yù)報是中期天氣預(yù)報的任務(wù)。比中期天氣預(yù)報更長的氣象預(yù)報屬于氣候預(yù)測的任務(wù)。氣候是指某一長時期內(nèi)(月、季、年、數(shù)年到數(shù)百年及以上)氣象要素(如溫度、降水、風(fēng)、日照和輻射等)和天氣過程的平均或統(tǒng)計狀況，主要反映某一地區(qū)冷暖干濕等基本特征，通常由某一時期的平均值和距此平均值的離差值(氣象上稱距平值)來表征。

研究氣候特征、形成和變化的學(xué)科是氣候?qū)W，它是大氣學(xué)科的一個重要分支。氣候?qū)W依據(jù)它的發(fā)展有狹義的定義、經(jīng)典的定義和廣義的定義之分。前者通常被定義為平均天氣或在某一長時期的平均天氣狀態(tài)，更嚴(yán)格的是用這一長時期內(nèi)對有關(guān)變量的平均值或變率從統(tǒng)計上來表征。廣義的氣候?qū)W定義指氣候系統(tǒng)的狀態(tài)及其變化，包括平均氣候狀態(tài)和氣候變化與變率(climatechangeandvariability)。由此可見，隨著科學(xué)的發(fā)展，氣候從一個局地的、低層大氣特征的概念已轉(zhuǎn)變?yōu)槿驓夂蛳到y(tǒng)的概念。氣候?qū)W的研究對象也自然而然地擴展為全球氣候系統(tǒng)。

全球氣候系統(tǒng)指的是由一個大氣圈、水圈、冰雪圈、巖石圈和生物圈組成的高度復(fù)雜的系統(tǒng)，這些部分之間發(fā)生著明顯的相互作用。在這個系統(tǒng)自身動力學(xué)和外部強迫作用下(如火山爆發(fā)、太陽變化、人類活動引起的大氣成分的變化)，氣候系統(tǒng)不斷地隨時間演變(漸變和突變)，而且具有不同時空尺度的氣候變化與變率(月、季節(jié)、年際、年代際等氣候變率與振蕩)。

1.2.2氣候變化

從科學(xué)的角度講，氣候變化是指氣候平均狀態(tài)和離差(距平)兩者中的一個或者一起出現(xiàn)了統(tǒng)計意義上顯著的變化。離差值增大，表明氣候變化的幅度越大，氣候狀態(tài)不穩(wěn)定性增加，氣候變化敏感性也增大。以溫度為例說明氣候變化與平均值或離差值變化的關(guān)系。假定某一地區(qū)或地點的溫度在多年平均條件下呈正態(tài)分布，在平均溫度處出現(xiàn)的概率較大，偏冷和偏熱的天氣出現(xiàn)的概率較小。極冷或極熱的天氣(一般在2倍標(biāo)準(zhǔn)差σ以上)出現(xiàn)的可能性很小或沒有。假如由于氣候變暖的作用，平均值增加了某一數(shù)值，這時偏熱天氣出現(xiàn)的概率將明顯增加，并且原來從不出現(xiàn)的極熱天氣現(xiàn)在也可能出現(xiàn)了；相反，偏冷天氣出現(xiàn)的概率將大大減少。如果平均值不變，但離差增加后，會造成更多的偏冷或偏熱天氣，更多的極熱或極冷天氣，可以得出這幾類天氣的出現(xiàn)概率都比先前氣候條件下的出現(xiàn)概率增大了。以上結(jié)論不但說明了氣候變化可以由氣候平均值或離差的變化引起，而且也清楚地說明了氣候變化與極端天氣事件出現(xiàn)的關(guān)系。

應(yīng)該指出，氣候變化可以由不同的原因造成。概括起來，分為自然的原因和人類活動的原因。根據(jù)引起氣候變化原因的不同，對氣候變化的定義也不同。IPCC定義的氣候變化是指氣候隨時間發(fā)生的任何一種變化，不論它是由自然的變率造成，還是人類活動的結(jié)果。但聯(lián)合國氣候變化框架公約(UNFCCC)中使用的氣候變化定義則專指由人類活動直接或間接引起的氣候變化。這種人類活動是通過改變?nèi)虼髿饨M成成分而影響全球氣候的，由此造成的氣候變化是疊加在相同時期的自然氣候變率之上的。

1.3氣候變化影響研究方法

未來全球氣候變化的趨勢受人類社會的發(fā)展途徑影響很大。氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)和社會經(jīng)濟的影響評估是選擇適應(yīng)和減緩氣候變化戰(zhàn)略的基礎(chǔ)。在評估氣候變化的影響、脆弱性和適應(yīng)性時，需要構(gòu)建未來社會經(jīng)濟變化的情景，由此衍生出溫室氣體的排放情景，然后利用氣候模式對未來人類活動引起的氣候變化進(jìn)行情景預(yù)估，以減少氣候變化的影響、脆弱性和適應(yīng)性評估的不確定性(丁一匯等，2009)。

評價氣候變化影響的方法一般有三種：影響、相互作用和集成方法(IPCC，1994)。全球氣候變化對水循環(huán)的影響研究，主要是通過研究氣候變化引起的流域氣溫、降水、蒸發(fā)等變化來預(yù)估徑流可能的增減趨勢及對其流域供水影響，即所謂的What-if模式(江濤等，2000)：如果氣候發(fā)生某種變化，水文循環(huán)各分量將隨之發(fā)生怎樣的變化，氣候變化對水循環(huán)的影響因地區(qū)和氣候情景的不同而異。研究氣候變化對水循環(huán)的影響包括兩方面的內(nèi)容：一是選擇未來氣候情景；二是選擇或建立水文模型。一般包括四個步驟：①定義氣候變化情景，描述未來氣候變化狀態(tài)；②建立、驗證流域水文模型；③將氣候變化情景作為流域水文模型的輸入，模擬、分析區(qū)域水文循環(huán)過程和水文變量；④評價氣候變化對水循環(huán)的影響，根據(jù)水循環(huán)的變化規(guī)律和影響程度，提出相適應(yīng)的對策和措施。其中水文模型的建立與未來氣候變化情景的生成是影響評估的關(guān)鍵。1.3.1社會經(jīng)濟情景的構(gòu)建及應(yīng)用

所謂情景就是在對一系列重要內(nèi)在聯(lián)系和驅(qū)動因子作出協(xié)調(diào)一致及合理假設(shè)的基礎(chǔ)上，為世界或地區(qū)提供未來發(fā)展的可能狀態(tài)。因此，情景分析不同于預(yù)測，并不力圖描繪被研究對象未來最可能發(fā)生的情況。2000年出版的IPCC《排放情景特別報告》(SpecialReportonEmissionScenarios，SRES)提出了4種全球未來可能的社會經(jīng)濟發(fā)展框架(Nakienovietal.，2000)。通過相關(guān)假設(shè)和特征的量化，衍生出了多種溫室氣體排放情景，是評估未來氣候變化可能影響的基礎(chǔ)。

在SRES所構(gòu)建的社會經(jīng)濟情景中，社會經(jīng)濟發(fā)展的主要驅(qū)動因素包括人口、經(jīng)濟增長、技術(shù)變化、能源、土地利用、社會公平性、環(huán)境保護(hù)和全球一體化。無論從定性角度還是從定量角度，4種情景系列(A1、A2、B1和B2)的差異都比較大。

A情景強調(diào)經(jīng)濟發(fā)展，B情景在發(fā)展經(jīng)濟的同時強調(diào)環(huán)境保護(hù)的重要性；1類情景強調(diào)全球的趨同性，2類情景強調(diào)區(qū)域經(jīng)濟、社會、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。

社會經(jīng)濟情景的構(gòu)建包括兩個過程：①主要指標(biāo)和背景因子的設(shè)定分析階段：確定研究對象的特點和內(nèi)在聯(lián)系，并進(jìn)行完整的定性描述，構(gòu)建未來的發(fā)展框架，對一些重要關(guān)系和因素設(shè)定量化目標(biāo)；②情景的計算分析階段：基于及時階段得出的量化關(guān)系，應(yīng)用經(jīng)濟、能源、環(huán)境等綜合模型來模擬未來主要經(jīng)濟、社會、能源、土地利用和環(huán)境等指標(biāo)的發(fā)展趨勢。

從描述方式上，情景構(gòu)建可以采用定性、定量或者定性與定量相結(jié)合的方式對未來特征進(jìn)行描述；從分析手段上，情景構(gòu)建包括基于宏觀經(jīng)濟總量的自上而下(top-down)和基于具體技術(shù)或部門的自下而上(bottom-up)兩種方法。

根據(jù)SRES的全球社會經(jīng)濟發(fā)展框架，結(jié)合中國國情，構(gòu)建中國未來不同社會經(jīng)濟情景。參照世界不同類型國家的發(fā)展歷史、規(guī)律與經(jīng)驗，預(yù)估未來不同發(fā)展階段中國可能達(dá)到的發(fā)展水平。在未來情景構(gòu)建中，強調(diào)經(jīng)濟與社會、環(huán)境、資源的協(xié)調(diào)發(fā)展，考慮全球貿(mào)易、利用國外資金與技術(shù)的影響，以及逐漸縮小區(qū)域之間差距，走共同發(fā)展之路等因素。

根據(jù)中國國民經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃，到2020年實現(xiàn)小康，人均GDP達(dá)到3000美元左右；2050年初步實現(xiàn)現(xiàn)代化，進(jìn)入中等發(fā)達(dá)國家行列，人均GDP達(dá)到8000～10000美元。基于主要驅(qū)動因素以及我國經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃，2020～2050年中國社會經(jīng)濟情景方案接近SRESB2情景。

社會經(jīng)濟情景作為氣候變化的基礎(chǔ)，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于溫室氣體排放的預(yù)估、氣候變化的影響、脆弱性、適應(yīng)性評估等方面的研究。

1.3.2氣候變化情景的構(gòu)建及應(yīng)用

評估氣候變化的影響，首先需要對未來人類活動引起的氣候變化進(jìn)行情景預(yù)估。氣候變化情景構(gòu)建主要經(jīng)歷了三個研究階段。(1)增量情景：最早應(yīng)用于氣候變化的敏感性研究，即人為假設(shè)地面氣溫增加2℃、4℃，降水增加/減少5%、10%等。這種方法的優(yōu)點是易于設(shè)計和應(yīng)用，可以描述氣候變化影響的響應(yīng)曲線，確定氣候影響的關(guān)鍵因子；缺點是與溫室氣體的強迫沒有直接的關(guān)聯(lián)，容易產(chǎn)生不切實際的情景。

(2)CO2倍增情景：是最早應(yīng)用的全球氣候模式(GeneralCirculationModel，GCM)情景，在中國主要應(yīng)用的G ……