第36卷第4期2022年8月
水土保持学报
J o u r n a l o f S o i l a n d W a t e rC o n s e r v a t i o n
V o l .36N o .4
A u g
.,2022
收稿日期:2021-12-13
资助项目：国家重点研发计划项目(2018Y F C 1506606)；江苏省优秀青年基金项目(B K 20170102
) 第一作者：赵晓涵(1995 )，女，山东东营人，博士研究生，主要从事气象生态遥感研究㊂E -m a i l :z h x h m w@163.c o m 通信作者：张方敏(1983 )，女，教授，主要从事气象生态遥感与应用气象研究㊂E -m a i l :f m i n .z h a n g
@n u i s t .e d u .c n 未来气候情景内蒙古蒸散和产水量的变化特征 赵晓涵1，张方敏1，卢琦2，李云鹏3
(1.南京信息工程大学应用气象学院，江苏省农业气象重点实验室，南京210044;
2.中国林业科学院荒漠化研究所，北京100091;
3.内蒙古自治区生态与农业气象中心，呼和浩特010051)摘要：评估预测区域蒸散变化趋势及其影响因素对干旱半干旱区的可持续发展至关重要㊂基于4种来自
C M I P5的全球气候模式数据和C L M4.5模型，研究了在R C P6.0和R C P8.5情景下内蒙古地区2020 2099年的蒸散和产水量的时空变化特征及其影响因素㊂结果表明：在R C P6.0和R C P8.5情景下,
未来内蒙古蒸散分别以0.37,0.69mm /a 速度增加(p <0.05)，呈西低东高分布㊂2种情景下产水量均无明显变化趋势(p >0.05)，但是存在明显显著的空间差异㊂空间上看，到21世纪末，在R C P6.0情景下，全境产水量大部分地区呈增加趋势，在南部温带半干旱和半湿润区增加超过10mm /a ；但是在R C P8.5情景下产水量减少区域占全境的46.32%，特别是干旱半干旱区和半湿润区产水量显著减少㊂蒸散影响因子存在较大区域差异，干旱半干旱区蒸散变化的主要影响因素是降水，半湿润区蒸散变化受降水和温度的共同影响，湿润区蒸散变化由温度主导；且在更高的升温情景下，增温影响进一步增加㊂同时，植被也是蒸散重要的影响因子，但其影响程度小于气候因子㊂关键词：产水量；蒸散；气候变化；水资源中图分类号:S 152.7 文献标识码:A 文章编号:1009-2242(2022)04-0151-09
D O I :10.13870/j
.c n k i .s t b c x b .2022.04.020C h a r a c t e r i s t i c s o fE v a p o t r a n s p i r a t i o na n d W a t e rA v a i l a b i l i t y
i n I n n e rM o n g
o l i aU n d e rF u t u r eC l i m a t e S c e n a r i o s Z HA O X i a o h a n 1,Z H A N GF a n g m i n 1,L U Q i 2,L IY u n p e n g
3
(1.J i a n g s uK e y L a b o r a t o r y o f A g r i c u l t u r a lM e t e o r o l o g y ,C o l l e g e o f A p p l i e d M e t e o r o l o g y ,N a n j i n g
U n i v e r s i t y o f I n f o r m a t i o nS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ,N a n j i n g 210044;2.I n s t i t u t e o f D e s e r t i f
i c a t i o n ,C h i n e s e A c a d e m y o f F o r e s t r y ,B e i j i n g 100091;3.I n n e rM o n g o l i aE c o l o g y a n dA g r i c u l t u r a lM e t e o r o l o g y C
e n t e r ,H o h h o t 010051)A b s t r a c t :I t i sv i t a l t oe v a l u a t ea n d p r e d i c t r e g i o n a lw a t e r r e s o u r c ev a r i a t i o na n d i t s i n
copd的分级二次革命论f l u e n c i n
g f a c t o r s f o r s u s t a i n a b l ed e v e l o p
m e n t o f a r i d a n d s e m i -a r i d a r e a s .B a s e d o n f o u r g l o b a l c l i m a t em o d e l s o f C M I P 5a n dC L M 4.5,t h e t e m p o r a l a n d s p a t i a l c h a r a c t e r i s t i c s o f e v a p o t r a n s p i r a t i o n a n dw a t e r a v a i l a b i l i t y w e r e s t u d i e d i n I n n e r M o n g o l i au n d e r t w oR e p r e s e n t a t i v eC o n c e n t r a t i o nP a t h w a y
s (R C P s )f r o m2020t o 2099.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t u n d e rR C P 6.0a n dR C P 8.5s c e n a r i o s ,t h e f u t u r e e v a p o t r a n s p i r a t i o n i n I n n e rM o n g o l i aw o u l d i n c r e a s e a t a r a t e o f 0.37mm /a a n d 0.69mm /a ,r e s p e c t i v e l y (p <0.
05),d e c r e a s i n g f o r me a s t t ow e s t .W a t e r a v a i l a b i l i t y i n I n n e r M o n g o l i ad i dn o ts h o was i g n i f i c a n t l y t r e n du n d e r t h et w os c e n a r i o s (p >0.05),b u t t h e r ew e r e s i g n i f i c a n t s p a t i a l d i f f e r e n c e s .F r o mas p a t i a l p e r s p e c t i v e ,w a t e ra
v a i l a b i l i t y i n m o s t a r e a ss h o w e da n i n c r e a s i n g t r e n d a n d i n c r e a s e db y m o r e t h a n10mm /a i nt h es o u t h e r ns e m i -a r i da n ds e m i -h u m i dr e g i o n so f t e m p e r a t e z o n e b y 2090s ;h o w e v e r ,t h e a r e aw i t h r e d u c e dw a t e r a v a i l a b i l i t y a c c o u n t e d f o r 46.32%o f t h e e n t i r e t e r r i t o r y u n d e r t h eR C P 8.5s c e n a r i o ,e s p e c i a l l y i n t h e a r i d ,s e m i -a r i d a n d s e m i -h u m i d a r e a s .T h e r ew e r e g r e a t r e g
i o n a l d i f f e r e n c e s i n f l u e n c i n g o f d r i v i n g f a c t o r s i n e v a p o t r a n s p i r a t i o n .P r e c i p i t a t i o nw a s t h em a i n i n f l u e n c i n g
f a c t o r o f e v a p o t r a n s p i r a t i o n c h a n
g e s i na r i da n ds e m i -a r i da r e a .T
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p r e c i p i t a t i o n a n d t e m p e r a t u r e .T h e c h a n g e s i nh u m i d a r e aw e r e d o m i n a t e db y t e m p e r a t u r e a n d i n t h e h i g h e r h e a t i n g
s c e n a r i o ,t h ee f f e c tf u r t h e ri n c r e a s e d w i t ht e m p e r a t u r ei n c r e a s e d .A tt h es a m et i m e ,v e g
e t a t i o n w a sa l s o a n
i m p o r t a n t f a c t o r a f f e c t i n g e v a p o t r a n s p i r a t i o nw i t h l e s s t h a n c l i m a t e f a c t o r.
K e y w o r d s:w a t e r a v a i l a b i l i t y;e v a p o t r a n s p i r a t i o n;c l i m a t e c h a n g e;w a t e r r e s o u r c e s
政府间气候变化专门委员会(I P C C)第六次评估报告第一工作组报告[1-2]指出，自工业革命以来(1850 1900年)全球地表平均温度已上升约1ħ；未来20年全球升温预计将达到或超过1.5ħ；升温往往伴随着气候变化风险，气候变化正在加剧水循环，这加剧了区域性干旱和强降水事件的发生㊂而陆地升温将增加蒸散发(蒸散)和大气蒸发需求，进而影响区域可用水量并导致区域性干旱事件[2]㊂蒸散是水文循环的重要组成部分，是地表水分的主要耗散方式，约有60%的降水通过蒸散返还到大气[3]㊂未来蒸散变化趋势可能导致水循环的整体加强或减弱，进而引起水资源在时空的重新分配和区域水资源储量的改变[4-5]㊂随着对全球变暖的深入研究，气候变化将如何影响水资源得到广泛关注，尤其是在水资源匮乏的干旱半干旱地区[6]，这些问题在水资源管理的决策过程中发挥着重要作用㊂
内蒙古是中国典型的气候过渡带和气候敏感地区，水资源时空分布不均且亏缺严重[7]，生态系统的高度脆弱性使其对气候变化和干扰十分敏感㊂在过去的20年里，由于快速的气候变化和广泛的人为干扰，内蒙古区域面临着由于蒸散迅速增加而耗水量增大的严峻局面[8]㊂从区域水资源的角度来看，降水的增速慢于蒸散[9-10]，预计未来升温导致的蒸散水损耗将是内蒙古水资源状况改善的严重制约因素，因此，评估未来不同气候情景下未来的蒸散趋势，可以深入了解气候变化如何影响未来的水供应，并有助于了解该地区未来的水文㊁生态及其对全球气候系统的反馈[11]㊂
现有未来气候变化对水循环的影响研究主要集中于大气降水[12]㊁地表水文过程[11,13]等，而对蒸散及其影响机制的研究则较少㊂同时，陆面过程是模拟陆地水循环变化不确定性的重要来源[2]㊂C L M(c o m-m u n i t y l a n dm o d e l)模式是目前较为完善的陆面过程模式之一，它包含生物地球物理㊁水文学㊁生物地球化学和植被动力学的复杂过程，能够在不同空间尺度下较好地模拟水循环过程，已有大量研究者[14-15]证实在内蒙古地区的可用性㊂因此，本研究将利用C M I P5耦合气候模式和C L M4.5的模拟结果，探讨未来不同气候情景下内蒙古地区蒸散的时空变化特征及其主要影响因素，以及未来内蒙古区域水资源变化，以期为内蒙古地区未来水资源综合利用及合理配置提供科学支撑㊂1研究方法与数据来源
1.1研究区概况
内蒙古自治区位于中国西北部(97.27ʎ 126.07ʎE, 37.40ʎ 53.38ʎN)，是我国典型的农牧带过渡区，东部以森林和耕地为主，西部和中部存在大量未利用荒地㊁沙漠和草地[16]，是对气候变化最敏感地区之一㊂受距海远近及地形地貌影响，内蒙古存在西部干旱半干旱气候到东部湿润半湿润气候的干湿气候过渡带，近60年内蒙古年降水在216.30~431.00mm/a，以0.047mm/a增速递增，空间上呈东北 西南递减趋势[9]㊂本文依据中国气象局编绘的中国气候区划图(h t t p://w w w. r e s d c.c n)，将内蒙古划分为6个气候区(图1)㊂
注:C H为寒温带湿润气候区;MH为中温带湿润气候区;M S H
为中温带半湿润气候区;W S H为暖温带半湿润气候区;
M S A为中温带半干旱气候带;MA为中温带干旱气候区㊂
图1研究区位置及土地利用类型分布
1.2数据来源与处理
气候模式数据选用C M I P5中4个全球气候模式[12](表1)在未来不同典型浓度路径R C P(r e p r e-s e n t a t i v e c o n c e n t r a t i o n p a t h w a y s)情景下日尺度温度和降水模拟结果，空间分辨率为0.5ʎ㊂该数据经过跨部门影响模型比较计划I S I-M I P(t h e i n t e r-s e c-t o r a li m p a c t m o d e li n t e r-
c o m p a r i s o n p r o j e c t,h t-t p s://w w w.i s i m i p.o r g)的空间降尺度处理和偏差校正处理[17]㊂气候数据集的验证数据来自于国家气象科学数据中心(h t t p://d a t a.c m a.c n)的内蒙古地区112个气象站点2006 2010年温度和降水数据㊂通过对比发现，模式能很好地模拟历史降水㊁温度和观测数据，均呈现较好的正相关线性关系，决定系数(R2)高于0.81㊂因此，偏差校正后的气候模式数据在内蒙古地区具有较好的精度㊂
251水土保持学报第36卷
R C P是I P C C发布的温室气体排放情景，主要包括4种排放情景，分别为R C P2.6㊁R C P4.5㊁R C P6.0和R C P8.5[18]㊂由于内蒙古地区在1960 2016年升温速度明显高于全球增温水平[9,19]，截至2020年升温较工业化前已超过或接近1.5ħ，或较基准期已超过0.89ħ，本研究选择R C P6.0和R C P8.52种升温较快的高排放情景代表未来内蒙古地区的可能气候变化情景㊂
表1所用全球模式基本信息
模式名称研究单位企业形象推广
G F D L-E S M2M美国地球物理流体动力实验室
M I R O C5日本海洋地球科学技术处
I P S L-C M5A-L R皮埃尔 西蒙㊃拉普拉斯研究所
H a d G E M2-E S哈德莱气候预测与研究中心以4种全球气候模式数据作为强迫，选取C L M4.5模型在R C P6.0和R C P8.5情景下2020 2099年期间内蒙古地区的叶面积指数(L A I)㊁蒸腾㊁土壤蒸发和蒸散发(后简称蒸散)模拟结果来探究不同气候情景下内蒙古蒸散和水资源变化，空间分辨率为0.5ʎ㊂首先，对比被广泛应用的M O D I SL A I数据集(G L O B M A PL A IV3数据)[20]和C L M模型输出的L A I数据集2006 2018年在内蒙古区域L A I特征发现,C L M模型L A I和M O D I S L A I相关性好,R2均高于0.93，其变化能够表征内蒙古区域L A I的变化；其次，采用来自C h i n a F l u x[21]及2000 2010年中国典型陆地生态系统实际蒸散量和水分利用效率数据集[22]的7个站点包含4种生态系统类型的站点数据(表2)验证C L M模型蒸散的模拟精度，结果表明,C L M模拟蒸散发结果与观测相比存在一定的偏差，但是模拟结果与观测值存在较好的线性关系，多模式平均蒸散的性能在各方面的比较中均优于单模式蒸散,R2达0.98(图2)㊂因此，本文采用多模式平均结果进行分析㊂
在R C P6.0和R C P8.5情景下,C L M4.5模拟结果在以森林为主要植被的湿润区(寒温带湿润气候区C H和中温带湿润气候区MH，缩写为H)蒸腾蒸散比分别为0.62和0.61；在以森林㊁耕地和草地混杂的半湿润区(中温带半湿润气候区M S H和暖温带半湿润气候区W S H，缩写为S H)和半干旱区(M S A)蒸腾蒸散比为0.37~0.45；在植被稀少的干旱区(MA)比值为0.20；与前人[23-24]研究基本一致，因此认为数据具有较好的可信度㊂
表2蒸散观测站点基本信息
编号站点观测时间纬度(N)/(ʎ)经度(E)/(ʎ)生态系统类型站点描述
1D L C200642.05116.28农田多伦农田
2K B Q D200640.38108.55荒漠库布齐荒漠
3K B Q F200640.54108.69森林库布齐森林
4S N T Z2008 200944.08113.57草地苏尼特左旗
5X F S200644.13116.33草地锡林浩特围封典型草原6D L2006 201342.53116.23草地多伦草原
7X L H T2006 201343.55116.68草地锡林浩特围封典型草原
图2C L M模拟蒸散与站点数据的对比351
第4期赵晓涵等：未来气候情景内蒙古蒸散和产水量的变化特征
1.3 产水量
在像元水平，根据C L M4.5模拟的逐日蒸散计算年度蒸散结果㊂假设土壤水和地下水储量的变化可以忽
略不计[25
]，基于地表水平衡法，计算产水量方法为:
W Y =P R E -E T
式中:W Y ㊁P R E 和E T 分别为产水量(m m /a
)㊁年降水量(m m )和年蒸散量(m m )㊂日益增长的水资源需求(气候驱动和管理驱动)使得越来越多的研究由单一要素研究转变为对水量平衡及供需方面的综合性研究
[26
]㊂产水
量可视为供人类使用的地表水总量，已有研究
[5,26-27
]使
用该方法来评估中尺度或大尺度的可用水量，因此，本研究选用该指数以表征未来研究区水资源变化情况㊂
2 结果与分析
2.1 未来不同气候情景下气候变化特征
运维审计
在R C P6.0情景下，预计内蒙古气温在2040年
之后出现较为稳定的1.5ħ升温，在2050年后升温达2.0ħ；而在R C P8.5情景下，预计内蒙古区域气温将在2040 2049年期间上升2.0ħ，在2050年后升温超过3.0ħ㊂R C P6.0情景下，降水和温度平均以0.42mm /a 和0.04ħ/a 的速度增长(p <0.
05)㊂R C P8.5的情景下，降水和温度的平均增长率分别为0.77m m /a 和0.07ħ/a (p <0.05)(图3)㊂2种情景，降水呈西低东高分布，温度表现为西南和东南高东北低的分布(图4)㊂到21世纪末(2090s )，内蒙古大部分地区降水呈递增趋势，其中东部增幅大；内蒙古的西部(M A 北部)表现为递减趋势㊂到2090s ，内蒙古全境升温均达2ħ以上,R C P8.5情景明显增温高于R C P6.0情景;
R C P8.5情景下，内蒙古全境(除南部M S A 西南角
你问我答2
外)升温达4ħ以上㊂总体上,2020 2099年,
内蒙古地区气候整体上呈现暖湿化趋势㊂
图3 2020-2099年不同气候情景降水(P R E )和温度(T A )
的时间变化2.2 未来不同气候情景下蒸散的时空变化2.2.1 2种情景下蒸散的时空变化 2020 2099年内蒙古地区蒸散呈增加趋势㊂R C P6.0情景下蒸散
增长速率低于R C P8.5，分别为0.37mm /a (p <
0.05,R 2=0.36)和0.69m m /a (p <0.05,R 2=0.62)㊂2种情景下，未来蒸散均呈西低东高分布(图5)㊂到2090s 蒸散的变化趋势有明显的区域分异,
内蒙古大部分地区蒸散呈递增趋势，其中东部增幅大，但是内蒙古的西部(MA 北部)表现为递减趋势㊂在R C P 6.0情景下,MA 北部蒸散呈减少趋势,
新疆艺术学院学报占全境的3.29%;MA 蒸散增幅偏小，多低于30mm /a ，而内蒙古东部区域增幅大，其中M S A 东南部㊁M S H 和
W S H 蒸散增幅高于60mm /a ，占全境的9.88%㊂在R C P8.5情景下,MA 北部有1.93%区域蒸散存在减
少趋势；内蒙古东部和北部蒸散增加明显，其中M S A 南部和东部㊁M S H ㊁MH ㊁C H 和W S H 蒸散增幅高于
60mm /a ，占全境的37.21%㊂
2.2.2 不同升温情况下蒸散及分量变化 由于蒸腾和土壤蒸发对气候变化的响应存在差异，为了探究在不同程度升温条件下蒸散及蒸腾和土壤蒸发的变化，选取2040 2049年和2060 2069年的年均值分别表征R C P6.0情景下升温1.5,2ħ及R C P8.5情景下升温2,3ħ的情况㊂
在R C P6.0情景下，升温1.5ħ期间平均蒸散为
297.76mm /a ，升温达2.0ħ期间平均蒸散为298.63
mm /a
，蒸发增加弥补蒸腾的减少，主导蒸散变化;451水土保持学报 第36卷
而在R C P8.5情景下，升温2.0ħ期间平均蒸散为
304.76mm /a ，升温3.0ħ期间平均蒸散为319.81
mm /a (表3)㊂在MA ，升温1.5~2ħ时蒸散增加2.42m m /a ,60.33%变化由蒸腾主导;
升温2~3ħ时蒸散增加10.75m m /a ,66.88%变化由蒸发主导㊂在M S A ，升温1.5,2ħ时蒸散减少-3.97m m /a ，其中蒸腾减少-9.01mm /a 主导蒸散的变化(66.31%)
；升温2~3ħ时蒸散增加18.99mm /a
，蒸发为主导因素占51.63%㊂在H ，升温1.5~2ħ时蒸散增加13.18
mm /a ,62.66%变化由蒸腾主导;
升温2~3ħ时蒸散增加14.76mm /a ,73.33%变化由蒸腾主导㊂在S H ，升温1.5~2ħ时蒸散增加30.95mm /a ，其中蒸腾减少-5.95mm /a ，蒸发增加6.95mm /a 主导蒸散的变化(53.86%)；升温2~3ħ时蒸散增加18.96mm /a
，蒸发为主导分量占53.11%㊂可以发现，在2种升温情景,M S A 和MA 区域蒸散由蒸腾主导变为蒸发主
导,S H 区域2种分量贡献接近,H 区域蒸散主导因素为蒸腾㊂
注:2020s 和2090s 分别代表21世纪20年代和21世纪末㊂
图4 2020-2099年不同气候情景降水(P R E )和温度(T A )
的空间分布及变化图5 2020-2099年不同气候情景下蒸散(E T )
的时间变化表3 不同升温情况下蒸散(E T )
变化及分量贡献气候区R C P6.0
升温1.5ħ升温2.0ħT 占比/%E 占比/%R C P8.5
升温2.0ħ升温3.0ħT 占比/%E 占比/%MA 160.06162.4860.33
13.53163.46174.2026.3866.88M S A 362.40381.39-66.3133.69362.40381.3942.6951.63H
393.67406.8462.667.62
412.28427.0473.33
5.80
S H
422.16423.1146.1453.86437.32456.28-48.2153.11总区
297.76
298.63
-49.84
50.16304.76
319.81
44.1145.74 注:E T ㊁T 和E 分别表征蒸散㊁蒸腾和蒸发(mm /a
)；占比指分量变化在蒸散变化的占比(由于蒸散包含冠层截留水蒸发等，导致两者之和不为100%)
㊂5
51第4期 赵晓涵等：未来气候情景内蒙古蒸散和产水量的变化特征
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