基于耦合模型集成模拟的洪水对社会经济影响的评估方法
阅读：750发布：2020-05-08
专利汇可以提供基于耦合模型集成模拟的洪水对社会经济影响的评估方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种评估洪 水 的社会经济影响的方法。本发明以陆面水文模型为 基础 ，在全球 气候 模式预估的未来不同温升情景下模拟的气候条件基础上，通过开展不同产汇流机制和 蒸发 机制下洪水过程模拟的数值实验，建立全球气候模式-陆面水文模型耦合模型，模拟全球的洪水过程。本发明方法提高了全球洪水过程模拟的 时空 分辨率 ，为全球洪水 风 险精细化评价和管理提供了可能，而且方法在考虑洪水模拟过程中的不同产汇流机制和蒸发机制的同时，充分考虑了不同社会经济发展路径下不同地区社会经济发展状况，据此评估的洪水风险在不同区域不同时间段对社会经济的影响也更加科学、合理。，下面是基于耦合模型集成模拟的洪水对社会经济影响的评估方法专利的具体信息内容。
1.基于耦合模型集成模拟的洪水对社会经济影响的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：数据采集；采集实测全球气象数据、水文数据、土地利用数据和地形地貌数据；
步骤S2：未来不同温升情景设计；根据《IPCC温升1.5度特别报告》，分别挑选出温升1℃、1.5℃和2℃的时期；利用CMIP5全球气候模式对未来气候变化的模拟结果，得到不同温室气体排放的浓度路径下(RCPs)模拟全球气象数据；以此为基准，生成不同升温时期按照不同温室气体排放浓度下的全球气候模式；
步骤S3：陆面水文模型建立；考虑不同的产汇流机制和蒸发机制下洪水过程，将步骤S2生成的所述全球气候模式进行耦合，得到全球气候模式-陆面水文模型耦合模型，根据实测全球气象数据和水文数据对全球气候模式-陆面水文模型耦合模型进行模型参数率定和模型验证；
步骤S4：陆面水文模型初始场设置；将步骤S2中得到的模拟的全球气象数据，进行降尺度分析，以及双线性插值，处理为与陆面水文模型空间尺度一致的全球气象数据；
步骤S5：不同温升情景下陆面水文模型模拟洪水过程；依据步骤S4中设置好的陆面水文模型初始场和处理的与陆面水文模型空间尺度一致的全球气象数据，驱动步骤S3中已完成模型参数率定和模型验证的全球气候模式-陆面水文模型耦合模型，模拟一种温升情景下的洪水时空变化演化过程，并保存洪水的模拟结果；重复此过程，直至完成所有温升情景下的洪水时空变化演化过程；
步骤S6：社会经济影响评估模型的建立；根据不同的社会经济发展路径，建立全球气候模式-陆面水文模型-社会经济发展路径模式耦合模式；
步骤S7：评估洪水对不同社会经济发展路径下未来不同时期的社会经济的影响；分地区分不同温升情景下计算社会经济暴露度；将陆面水文模型结果进行集成平均，对比参考时期，计算不同区域、不同社会经济发展路径下的洪水变率与洪水量级的面积、人口以及GDP暴露度。
2.根据权利要求1所述的基于耦合模型集成模拟的洪水对社会经济影响的评估方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述实测全球气象数据包括全球各个站点的日均气温、降水、蒸发量和太阳辐射；所述水文数据包括日均降水、蒸发量以及径流量；所述地形地貌数据包括各地地形高度数据。
3.根据权利要求1所述的基于耦合模型集成模拟的洪水对社会经济影响的评估方法，其特征在于，所述步骤S2中，使用滑动平均计算方法识别温升1℃、1.5℃和2℃的时期，根据CMIP5气候变化预估实验，包含4种温室气体排放的浓度路径，分别为RCP 2.6/4.5/6.0/
8.5；以此为基准，共可得到十二种未来温升情景。
4.根据权利要求2所述的基于耦合模型集成模拟的洪水对社会经济影响的评估方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述全球气候模式的变量包括气温、气压、风速和流体密度；所述陆面水文模型的参数包括植被参数、土壤参数和大气强迫资料。
5.根据权利要求1所述的基于耦合模型集成模拟的洪水对社会经济影响的评估方法，其特征在于，所述步骤S2中，全球气候模式的大气运动基本方程组为：
CvdT＝pdα＝dQ
p＝ρRT
式中：为运动速度，ρ为空气流体密度，P为大气压强， 为地球自转角速度，为重力加速度，为分子粘性力，Cv为干空气比定容热容，Q为外源对每单位质量空气的加热率，T为温度，为梯度算子。
6.根据权利要求1所述的基于耦合模型集成模拟的洪水对社会经济影响的评估方法，其特征在于，所述步骤S4中，全球气候模式的降尺度分析采用多元回归和天气发生器相耦合的降尺度方法，即SDSM模型，依据步骤S1中的实测全球气象数据和水文数据对步骤S2中的全球气候模式模拟的全球气象数据进行校正和降尺度处理，使用双线性插值方法对全球气候模式模拟的全球气象数据进行插值处理和驱动高分辨率的陆面水文模型。
7.根据权利要求1所述的基于耦合模型集成模拟的洪水对社会经济影响的评估方法，其特征在于，所述步骤S7中，将步骤S5中的全球气候模式-陆面水文模型模拟的洪水进行集成平均，并通过旋转经验正交分解方法分解洪水集成模拟平均值，计算洪水量级对气温的相应速率信噪比，验证集成模拟的可靠性。
8.根据权利要求1所述的基于耦合模型集成模拟的洪水对社会经济影响的评估方法，其特征在于，所述步骤S7中，计算社会经济暴露度，以参考时期的洪水量级和变率为基准，统计未来不同温升情景下的洪水量级和变率超过参考时期的面积，即为面积暴露度，叠加暴露面积上的人口和GDP，即为人口和GDP暴露度。
9.根据权利要求1所述的基于耦合模型集成模拟的洪水对社会经济影响的评估方法，其特征在于，所述步骤S7中，采用广义极值分布拟合洪水序列，估计10、20和50年一遇洪水量级，广义极值分布的分布函数如下：
式中：x为随机变量的取值，a、k和u为分布参数。
10.根据权利要求1所述的基于耦合模型集成模拟的洪水对社会经济影响的评估方法，其特征在于，所述步骤S7中，使用洪水序列的标准差来计算洪水变率，基于1971-2000年洪水序列的1.25、1.5和1.75倍标准差作为洪水变率的阈值。
基于耦合模型集成模拟的洪水对社会经济影响的评估方法
技术领域
[0001] 本发明涉及大气科学技术领域，尤其涉及基于耦合模型集成模拟的洪 水对社会经济影响的评估方法。
背景技术
[0002] 洪涝灾害具有显著的影响范围广、突发性强、历史久远、发生频繁、 危害性大和季节性强的特点。随着洪涝灾害综合防御能力的显著提高，我 国洪涝灾害死亡人口呈显著下降的趋势。但随着人口的增多和社会经济的 发展，单位面积经济承载量和基础设施、物质财富等的暴露度在持续增加， 导致暴雨洪涝灾害的经济损失居高不下。
[0003] 洪涝灾害风险评估是当前的热点研究问题，尤其是在全球变暖背景下， 未来洪涝风险将如何变化更是关注的焦点。全球变暖引起水文循环加剧， 而洪水影响因素众多，响应规律区域差异明显，洪水对于变暖的响应结果 并非高度可信。在多过程多模式的耦合方面，全球尺度洪水过程模拟影响 因素繁多，物理过程多样，洪水风险评估涉及到气候模拟、水文模拟、社 会经济模拟等多个方面，尚需发展跨学科多过程多模型耦合的洪水模拟与 评估框架。
[0004] 数值模式的发展为研究未来气候变化及其引起的极端气候事件提供了 手段。尤其是随着计算机的发展，全球气候模式的分辨率也有了较大的提 高，用于IPCC第五次评估报告(AR5)的全球20多个气候模式组、50多 套参与第五次气候模式比较计划(CMIP5)气候模式结果为研究未来极端 气候事件变化及其引起的灾害风险提供了基础。以往使用的方法中，研究 气候变化背景下的洪水风险主要基于全球气候模式或者单个陆面水文模 型。全球气候模式输出结果分辨率低，而且没有考虑汇流机制。单个陆面 水文模型无法有效评估不同的产汇流机制和模拟结果的不确定性。此外， 以往的研究在洪水风险评估中主要关注洪水本身的变化，忽视了社会经济 的发展的影响。因此，耦合全球气候模式、陆面水文模型以及社会经济发 展路径模式，对洪水风险进行全面综合评估，提高洪水风险评估的准确性 和可靠性，以期完成科学技术的向社会经济方向的成果转化。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种基于耦合气 候模式、陆面水文模型以及社会经济模式评估未来社会经济发展状况的方 法。
[0006] 本发明的基于耦合模型集成模拟的洪水对社会经济影响的评估方法， 包括以下步骤：
[0008] 步骤S2：未来不同温升情景设计；根据《IPCC温升1.5度特别报告》， 分别挑选出温升1℃、1.5℃和2℃的时期；利用CMIP5全球气候模式对未 来气候变化的模拟结果，得到不同温室气体排放的浓度路径下(RCPs)模 拟全球气象数据；以此为基准，生成不同升温时期按照不同温室气体排放 浓度下的全球气候模式；
[0009] 步骤S3：陆面水文模型建立；考虑不同的产汇流机制和蒸发机制下洪 水过程，将步骤S2生成的所述全球气候模式进行耦合，得到全球气候模式 -陆面水文模型耦合模型，根据实测全球气象数据和水文数据对全球气候模 式-陆面水文模型耦合模型进行模型参数率定和模型验证；
[0010] 步骤S4：陆面水文模型初始场设置；将步骤S2中得到的模拟的全球气 象数据，进行降尺度分析，以及双线性插值，处理为与陆面水文模型空间 尺度一致的全球气象数据；
[0011] 步骤S5：不同温升情景下陆面水文模型模拟洪水过程；依据步骤S4 中设置好的陆面水文模型初始场和处理的与陆面水文模型空间尺度一致的 全球气象数据，驱动步骤S3中已完成模型参数率定和模型验证的全球气候 模式-陆面水文模型耦合模型，模拟一种温升情景下的洪水时空变化演化过 程，并保存洪水的模拟结果；重复此过程，直至完成所有温升情景下的洪 水时空变化演化过程；
[0012] 步骤S6：社会经济影响评估模型的建立；根据不同的社会经济发展路 径，建立全球气候模式-陆面水文模型-社会经济发展路径模式耦合模式；
[0013] 步骤S7：，评估洪水对不同社会经济发展路径下未来不同时期的社会经 济的影响；分地区分不同温升情景下计算社会经济暴露度；将陆面水文模 型结果进行集成平均，对比参考时期，计算不同区域、不同社会经济发展 路径下的洪水变率与洪水量级的面积、人口以及GDP暴露度。
[0014] 本发明的方法，所述步骤S1中，气象数据包括全球站点日均气温、降 水、蒸发量和太阳辐射；水文数据包括日降水、蒸发量以及洪水量级；全 球分辨率为30m的遥感卫星反演的土地利用数据以及全球分辨率为30m的 数字高程数据。
[0015] 所述步骤S2中，使用滑动平均计算方法识别温升1℃、1.5℃和2℃的 时期，根据CMIP5气候变化预估实验，包含4种温室气体和气溶胶等排放 的浓度路径(RCPs)，分别为RCP 2.6/4.5/6.0/8.5。每种情景包括一套温室 气体、气溶胶和化学活性气体的排放和浓度以及土地利用或土壤覆盖的时 间路线，以此为基准，共可得到12种未来温升情景。
[0016] 进一步的，根据IPCC温升1.5度特别报告，以1861-1900年作为工业 化前期的全球平均地表气温，以1971-2100年期间，每30年计算一个平均 值，平均值高于工业化前期的全球平均地表气温的温度，即为温升多少度， 挑选出温升1℃、1.5℃和2℃的时期。
[0017] 进一步的，使用滑动平均计算方法，根据时间序列资料、逐项推移， 依次计算30年的序时平均值，以反映长期趋势。由于时间序列的数值受周 期变动和随机波动的影响，起伏较大，不易显示出事件的发展趋势，使用 滑动平均法可以消除这些因素的影响，显示出事件的发展方向与趋势。滑 动平均值计算公式如下：
[0018] Ft＝(At+At-1+At-2+...+At-15+At+1+At+2+...+At+14)/n
[0019] 式中，Ft为第t年的滑动平均的预测值，n为滑动平均的年数，At为第t 年的实际值，At-1为前一年实际值，At-2、At-3和At-n为前两年、前三年直至前 n年的实际值。类似的At+2、At+3和At+n为后两年、后三年直至后n年的实际 值。
[0020] 所述步骤S3中，全球气候模式变量包括气温、气压、风速、湿度等； 陆面水文模型考虑了大气-植被-土壤之间的物理交换过程，反映土壤、植被、 大气水热状态变化和水热传输。陆面水文模型共需要三类数据信息：植被 参数、土壤参数和大气强迫资料。植被数据与土壤数据分别按照LDAS同 化系统和美国农业部USDA数据进行输入。大气强迫资料中，模型积分步 长为日，模拟蒸发、洪水及土壤水。模型所需要的输入的资料是日降水、 日最高气温及日最低气温。陆面水文模型相较于全球气候模型，其主要特 点是：①同时考虑了陆-气之间水文收支和能量收支过程；②考虑产汇流机 制；③考虑次网格内土壤不均匀性对产流的影响；④考虑次网格内降水的 空间不均匀性；⑤考虑积雪融化及土壤融冻过程。
[0021] 进一步的，全球气候模式所依据的大气基本方程组为：
[0022]
[0023]
[0024] CvdT+pdα＝dQ
[0025] p＝ρRT
[0027] 陆面水文模型为大尺度分布式水文模型，采用可变下渗能力土壤的空 间分布特性表示，主要考虑大气植被土壤间的物理交换过程，反映了土壤、 植被、大气间的水热状态变化和水热传输。陆面水文模型包括一个基于温 度指数的积雪、融雪模型，用于模拟积雪的动态变化特性，考虑了积雪、 融雪及土壤冻融等过程，并在每个计算网格内考虑了裸土及多种植被覆盖 类型。模型的蒸发计算考虑了植被冠层截留、植被和裸土三种蒸发形式。 将全球的地表覆盖分为14种类型，其中11类为植被，其余3类为水体、 建筑物和裸土。每个网格内土层间的水分交换、蒸散发及产流由不同的植 被类型决定，通过每种植被类型的叶面积指数(LAI)、植被阻抗和植被根系 在上下层土壤中的比例计算。在陆面水文模型中，网格内总的蒸散发通过 对各种地表覆盖类型上的蒸散发进行面积加权平均计算，对有植被覆盖部 分，考虑植被冠层截留的蒸发与植被蒸腾；对无植被覆盖的裸土仅考虑裸 土蒸发。蒸散发潜力由Penman-Monteith公式计算。陆面水文模型运行需要 植被、土壤两类参数，同时模型具有水量与能量两种平衡计算模式。其中， ①当采用能量平衡模式时，模型完全耦合水量与能量平衡，需输入降水、 气温、气压、水汽压、短波辐射、湿度和风速等数据；②当用于大气环流 模式时，模型可同时计算水量与能量两种平衡通量，符合水量与能量昼夜 循环规律；③当输入资料仅有降雨和日最高最低气温数据并设定为水量平 衡模式时，模型仅计算水量平衡，净短波辐射和长波辐射即通过日最高和 最低温度计算。陆面水文模型的大多数参数可以通过流域物理属性来确定， 例如土地利用和地形等，但是下渗参数、表层土壤深度等参数仍然需要通 过率定来确定。通过MOCOM-UA最优化方法，基于相关系数(R)、纳什 系数(E)、均方根误差(RMSE)、平均绝对误差(MAE)等构建目标函 数，找出目标函数最优解来解决参数率定问题。其中，进行模型校正和验 证采用水量平衡指数和Nash-Sutcliffe效率系数两个数字指标：
[0028] 水量平衡指数(WB)：
[0029] Qobs-Qsim
[0030] WB＝/Qobs
[0031] 式中，Qsim为模拟的多年洪水量级；Qsim为观测的多年洪水量级
[0032] Nash-Sutcliffe效率系数(R2)：
[0033]
[0034] 式中， 为观测的洪水； 为模拟的洪水。选用如下标准：WB<10％； R2>0.6。
[0035] 所述步骤S4中，根据格点解析尺度的全球数据，全球气候模式的降尺 度分析采用多元回归和天气发生器相耦合的降尺度方法、即SDSM模型， 将观测数据和模式模拟未来的数据进行校正和降尺度处理。将大气海洋环 流模式对未来气候的预测作为输入场，产生更小尺度气候信息。由于陆面 水文模型通常需要流域尺度的信息，此方法可以利用多年观测资料建立大 尺度气候序列和流域气候要素之间的统计关系进行校验。然后应用独立的 观测资料来检验这种统计关系，最后再把这种关系应用到全球气候模式输 出的大尺度气候信息，以此来预估流域未来气候情景。
[0036] 进一步的，统计降尺度方法在应用时生成未来气候情景的步骤主要分5 步：①大尺度气候预报因子的选择；②统计降尺度模式的选择和标定；③ 利用独立的观测资料检验模式的适应性；④把统计模式应用于全球气候模 式结果生成未来气候情景；⑤对未来气候情景进行诊断分析并进行反馈研 究。
[0037] 所述步骤S4中，由于全球气候模式的分辨率不同，使用双线性插值方 法，将全球气候模式模拟的结果进行插值处理，驱动高分辨率的陆面水文 模型。双线性插值是有两个变量的插值函数的线性插值扩展，其核心思想 是在两个方向分别进行线性插值。双线性插值计算如下：
[0038] 假如要得到未知函数f在点P＝(x,y)的值，假设我们已知函数f在 Q11＝(x1,y1)、Q12＝(x1,y2)、Q21＝(x2,y1)、Q22＝(x2,y2)四个点的值。首先在x方 向进行线性插值，得到：
[0039]
[0040]
[0041] 式中，R1＝(x,y1)、R2＝(x,y2)；
[0042] 然后在y方向进行线性插值，得到：
[0043]
[0044] 综合起来就是双线性插值最后的结果：
[0045]
[0046] 所述步骤S6中，合理设定社会经济发展情景是气候变化的基础，也是 气候变化影响评估的关键环节。社会经济发展模型共包含5种共享社会经 济路径(SSPs)，反映辐射强迫和社会经济发展间的关联。每一个具体的SSP 代表了一类发展模式，包括相应的人口增长、经济发展、技术进步、环境 条件、公平原则、政府管理、全球化等发展特征和影响因素的组合。
[0047] 所述步骤S7中，将全球气候模式驱动的陆面水文模型结果进行集成平 均，并通过旋转经验正交分解方法分解年洪水序列的集成模拟平均值，计 算洪水量级对气温的相应速率信噪比，验证集成模拟的可靠性。
[0048] 进一步的，使用集成模拟的方法可以减少模拟结果的不确定性。将模 拟结果进行集合能够消除模式解中不可预报的部分。由于集合平均产生非 线性滤波，导致预报中不可预报的部分相互抵消，而各成员间一致的部分 则不会在平均中被消除，因此集合平均的效果要由于单个成员。
[0049] 气象场的集合平均图比单个成员的平滑，因为气候变化的长期趋势叠 加在内部变率之上，所以模拟变量的变化依赖于模拟开始的时间的内部变 率的位相和振幅，将模拟结果平均，能够消除内部变率的一些影响。此外， 初始时刻以集合平均为初始场的单个预报随时间的演变不同于集合预报平 均的时间演变，原因在于大气模式是高度非线性的函数，将一组初值转换 为一组预报，对非线性函数f(x)，以x代表变量，n代表集合成员数：
[0050]
[0051] 方程右边表示将非线性函数(预报模式)作用于集合平均，左边是集 合预报的平均。采用多模式集合模拟的方法也是IPCC气候变化评估工作的 核心。
[0052] 步骤S7中，将陆面水文模型与社会经济发展模型进行耦合，计算社会 经济暴露度，社会经济暴露即暴露于洪水下的面积、社会经济等。以参考 时期的洪水量级和洪水变率为基准，统计未来不同温升情景下的洪水量级 和变率超过参考时期的面积，为面积暴露度，叠加暴露面积上的人口和 GDP，为人口和GDP暴露度。
[0053] 进一步的，洪水活动对全球变暖的响应主要反映在两个方面：洪水量 级和洪水变率。选取每一年的最大日径流量作为洪水序列，采用广义极值 (GEV)分布拟合洪水序列，估计10、20和50年一遇洪水量级，广义极值分 布的分布函数如下：
[0054]
[0055] 式中，x为随机变量的取值，a、k和u为分布参数。在本研究中，基 于目前估计的10年、20年和50年一遇的洪水(即1971-2000年)被视为洪水 强度的阈值，根据目前的阈值对分布函数的分布参数进行调整，计算未来 10、20和50年一遇洪水量级强度。
[0056] 进一步的，使用洪水序列的标准差来计算洪水变率，基于1971-2000 年洪水序列的1.25、1.5和1.75倍标准差作为洪水变率的阈值。
[0057] 本发明针对评估洪水风险对社会经济影响目前存在的问题，以陆面水 文模型为基础，在气候变化预估的未来不同温升情景下模拟的气候条件基 础上，通过开展不同产汇流机制和蒸发机制下洪水过程模拟的数值实验， 建立全球气候模式-陆面水文模型耦合模型，模拟全球的洪水过程。根据不 同的社会经济发展路径，来动态确定未来社会经济发展情况，评估洪水对 不同社会经济发展路径下未来不同时期的社会经济的影响。相比传统的方 法，本发明不但提高了全球洪水过程模拟的时空分辨率，为全球洪水风险 精细化评价和管理提供了可能，而且方法在考虑洪水模拟过程中的不同产 汇流机制和蒸发机制的同时，充分考虑了不同社会经济发展路径下不同地 区社会经济发展状况，据此评估的洪水风险在不同区域不同时间段对社会 经济的影响也更加科学、合理。
[0058] 本发明的方法具有如下有益效果：
[0059] (1)考虑不同的产汇流机制和蒸发机制，适用于不同时间尺度、不同 气候区的流域或者栅格尺度的洪水变化，同时使用集成模拟的方法尽可能 减少误差，改变了传统采用单个模式模拟的方法，其适用范围更加广泛， 效果更好。
[0060] (2)耦合社会经济发展路径模式，对洪水风险进行全面综合评估，提 高洪水风险评估的准确性和可靠性，期望对制定防灾减灾政策和措施以及 灾害风险管理提供参考。
[0061] (3)时间分辨率和空间分辨率显著提高。目前全球气候系统的时间分 辨率基本以月为单位，空间分辨率大多为1°到2°之间。本方法以陆面水 文模型为基础，空间分辨率明显提高，时间分辨率可达到日时间尺度，为 洪水风险对社会经济的评估提供了支撑。附图说明
[0062] 图1是耦合模式预估方法的流程图；
[0063] 图2是全球气候模式在不同温室气体排放浓度路径下地表温度的变化；
[0064] 图3是集成模拟结果洪水量级对气温的响应速率及信噪比；
[0065] 图4是1971-2100年洪水序列的集成模拟结果进行REOF分解结果；
[0066] 图5是洪水量级的面积暴露度对升温的响应；
[0067] 图6是基于2000年的洪水量级的人口暴露度对升温的响应；.
[0068] 图7是基于2000年的洪水量级的GDP暴露度对升温的响应；
[0069] 图8是洪水变率的面积暴露度对升温的响应；
[0070] 图9是SSP1路径下基于2100年的洪水变率的人口暴露度对升温的响 应。
具体实施方式
[0071] 以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一 步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
[0072] 实施例以全球1971-2100年为例，对本发明基于耦合全球气候模式-陆 面水文模型-社会经济发展路径模式评估洪水的社会经济影响的技术方案作 进一步描述。实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的应用范围， 分地区或分时间段同样适用。
[0073] 本发明方法的基于耦合全球气候模式-陆面水文模型-社会经济发展路 径模式评估洪水的社会经济影响的实施流程如图1所示，具体步骤如下：
[0074] (1)基础数据的收集：首先在本实施例中，从不同国家收集了遍布全 球的52199个站点河流流量日观测数据，时间分辨率为日观测数据，时间 序列为1961-2018年。
[0075] 表1为选取的五个CMIP5的模式；
[0076]
[0077]
[0078] 表2为选取的八个陆面水文模型；
[0079]
[0080]
[0081] (2)未来不同温升情景设计；
[0082] 本实施案例中分析温升1.5℃和2℃的时期。使用滑动平均计算方法， 根据时间序列资料、逐项推移，依次计算30年的序时平均值，以反映长期 趋势。
[0083] 滑动平均值计算公式如下：
[0084] Ft＝(At+At-1+At-2+...+At-15+At+1+At+2+...+At+14)/n
[0085] 式中，Ft为第t年的滑动平均的预测值，n为滑动平均的年数，At为第t年的 实际值，At-1为前一年实际值，At-2、At-3和At-n为前两年、前三年直至前n年 的实际值。类似的At+2、At+3和At+n为后两年、后三年直至后n年的实际值。 将模拟的结果带入式中计算每三十年的滑动平均值，并依此得到温升1.5与 2℃的时期。使用最高的温室气体排放情景：RCP8.5，该情景假定人口最多、 技术革新率不高、能源改善缓慢、收入增长慢，导致长时间高能源需求及 高温室气体排放，而缺少应对气候变化的政策。因此共生成在RCP8.5情景 下温升1.5或2℃的两种数据结果。如图2所示，根据《IPCC温升1.5度特 别报告》，计算全球气候模式模拟的历史时期和4种温升情景下的全球平均 温度相对于工业化前期的增温变化。4种温升情景分别为RCP2.6，RCP4.5， RCP6.0和RCP8.5.两条竖直虚线分别代表温升1.5℃和2℃时，在RCP8.5 温升情景下到达的时期。
[0086] (3)陆面水文模型的建立；
[0087] ①全球气候模式；
[0088] 全球气候模式所依据的大气基本方程组为：
[0089]
[0090]
[0091] CvdT+pdα＝dQ
[0092] p＝ρRT
[0093] 式中，为运动速度，ρ为空气流体密度，P为大气压强， 为地球自转角 速度，为重力加速度，为分子粘性力，Cv为干空气比定容热容，Q为外源 对每单位质量空气的加热率，T为温度，为梯度算子。
[0094] ②以2010年全球30m土地利用数据作为陆面水文模型输入的下垫面数 据，以研究区域全球气候模式输出的经过降尺度的气象数据作为强迫数据， 驱动陆面水文模型模拟研究区域每一个网格的洪水量，通过汇流模型将每 个网格上的洪水量汇总到河网，模拟出研究区域各个主要河流的流量，与 水文站点观测的流量进行对比，采用上述MOCOM-UA最优化方法求出目 标函数的最优解，从而找出10套模拟效果最好的参数。模型率定后，采用 挑选出的最优参数以及1971-2005年的数据驱动水文模型，模拟水文站点监 测的洪水量，并将其与观测值比较，从而验证模型的模拟效果。
[0095] 在进行数值模拟实验前根据实测流量资料进行参数率定，参数分别为 下渗曲线参数B、三层土壤深度(D1、D2和D3)以及ARNO基流模型参数 (DS、DM和WS)。进行模型校正和验证采用水量平衡指数和Nash-Sutcliffe 效率系数两个数字指标：
[0096] 水量平衡指数(WB)：
[0097]
[0098]
[0099] 式中，Qsim为模拟的洪水量；Qsim为观测的洪水量；
[0100] Nash-Sutcliffe效率系数(R2)：
[0101]
[0102] 式中， 为观测的洪水； 为模拟的洪水。选用如下标准：WB<10％； R2>0.6。
[0103] (4)模型初始场设置；
[0104] ①对全球气候模式偏差校正；
[0105] 采用WATCH、GPCP等观测的数据对全球气候模式的模拟数据进行偏 差校正，调整极端值的概率分布，使得与观测数据的极端值的概率分布一 致。
[0106] ②降尺度分析；
[0107] 采用多元回归和天气发生器相耦合的降尺度方法：SDSM模型。大尺 度预报因子被用作局地天气发生器的参数，以条件化降水是否发生，并反 映湿润天降水量大小的随机变化。该方法通常可表达为：
[0108]
[0109] 式中，wt是在第t天降水是否发生的条件概率； 是标准化后的第j个 预报因子；aj是用线性最小二乘法估计的回归系数；wt-1和at-1分别是考虑了 迟滞一天(lag-1)的降水发生概率和对应的回归系数，该项是可选项。使用一 个均匀分布的随机数Rt(0≤rt≤1)来决定降水是否发生。对于给定的时间和 地点，若wt≤Rt，则该天下雨。在湿润天，降水量大小通过Z-score来反映：
[0110]
[0111] 式中，Zt是第t天的Z-score，bj是估计的回归系数；bt-1和Zt-1是对应于 at-1和wt-1的自相关参数以及前一天的Z-score，e是满足正态分布的随机误差 项。
[0112] ③双线性插值；
[0113] 已知函数f在Q11＝(x1,y1)、Q12＝(x1,y2)、Q21＝(x2,y1)、Q22＝(x2,y2)四个点 的值。首先在X方向进行线性插值，得到：
[0114]
[0115]
[0116] 式中，R1＝(x,y1)、R2＝(x,y2)；
[0117] 然后在y方向进行线性插值，得到：
[0118]
[0119] 综合起来就是双线性插值最后的结果：
[0120]
[0121] 将全球气候模式进行插值达到与陆面水文模型相同的分辨率后，作为 陆面水文模式的大气强迫资料，植被参数和土壤参数则参考LDAS同化系 统和美国农业部USDA数据，驱动8种陆面水文模型的运行得到洪水数据。
[0122] (5)不同温升情景下洪水过程的数值模拟试验；
[0123] 利用RCP8.5情景下5种全球气候模式的气象数据驱动8种陆面水文模 型，进行洪水过程时空演化的数值模拟，并保存计算结果；重复此过程， 直至所有陆面水文模型洪水过程模拟完成。
[0124] (6)社会经济影响评估模型的建立；
[0125] 根据5种社会经济发展路径，建立全球气候模式-陆面水文模型-社会经 济发展路径模式耦合模式，评估洪水对不同社会经济发展路径下的社会经 济的影响。
[0126] (7)分地区分不同温升情景下的社会经济暴露度的计算；
[0127] 使用5种全球气候模式分别驱动8种不同的陆面水文模型，共可得到40 种模拟结果，并计算集成模拟平均值。使用旋转经验正交分解方法对洪水 序列进行分解，主导空间模态和时间模态即为洪水序列中人类活动变暖影 响信号。随后计算信噪比，即集成模拟的响应速率的平均值与其标准差的 比值。信噪比越大表示模拟结果越好。如图3所示，东亚、南亚和欧洲洪 水量级对温度的响应信噪比大于1，显示耦合模型模拟结果具有较好的可靠 性。具体来说，温度每增加1℃，东亚和南亚洪水量级分别增加5.9％和7.9％， 而欧洲减少5.9％。
[0128] 使用旋转经验正交分解方法对洪水序列进行分解，主导空间模态和时 间模态即为洪水序列中人类活动变暖影响信号。如图4所示，40个全球气 候模式-陆面水文模型耦合模型的集成模拟来减少耦合模型模拟的不确定 性，采用旋转经验正交法将集成模拟的洪水序列分解为时间模态和空间模 态，识别洪水序列中人类活动信号。在人类活动变暖影响下，东亚和南亚 洪水风险对全球变暖呈正响应，以欧洲和北美为代表的区域呈负响应。
[0129] 计算洪水量级与洪水变率的集成模拟结果。洪水量级的计算如下：
[0130] 选取每一年的最大日径流量作为洪水序列，采用广义极值(GEV)分布拟 合洪水序列，估计10、20和50年一遇洪水量级，广义极值分布的分布函 数如下：
[0131]
[0132] 式中，x为随机变量的取值，a、k和u为分布参数。基于目前估计的 10年、20年和50年一遇的洪水(即1971-2000年)被视为洪水强度的阈值， 根据目前的阈值对分布函数的分布参数进行调整，计算未来10、20和50 年一遇洪水量级强度。
[0133] 统计未来10、20和50年一遇洪水量级强度超过参考时期相对应的洪 水强度的格点面积，即为洪水量级的面积暴露度。如图5所示，温度每升 高1℃，全球中小量级洪水面积暴露度减少1.7％，极端洪水面积暴露度增 加1.9％。东亚和南亚是全球洪水量级社会经济暴露度呈增加趋势的主要地 区。
[0134] 在暴露的面积上叠加2000年人口数据，统计暴露的人口数量，即为洪 水量级的人口暴露度。如图6所示，东亚和南亚人口占比从34.5％增加至 46.8％，导致全球人口暴露度从2.8％/℃提升至4.4％℃。
[0135] 在暴露的面积上叠加2000年GDP数据，统计暴露的GDP总量，即为 洪水量级的GDP暴露度。如图7所示，东亚和南亚GDP占比从9.8％增加 至18.5％，导致研究区域GDP暴露度从减少2.5％/℃转变为增加1.7％/℃。 如果少升温0.5度，极端洪水可避免影响的人口比例远高于中小洪水；特别 地，东亚和南亚极端洪水可避免影响的面积、人口和GDP比例是中小洪水 的2-3倍。
[0136] 使用洪水序列的标准差来计算洪水变率，基于1971-2000年洪水序列的 1.25、1.5和1.75倍标准差作为洪水变率的阈值。
[0137] 统计未来洪水变率超过参考时期洪水序列1.25、1.5和1.75倍标准差的 格点面积，即为洪水变率的面积暴露度。如图8所示，温升1.5/2℃时，全 球面积暴露度为29.7％/34.2％。
[0138] 在洪水变率暴露的面积上，叠加SSP1路径下基于2100年的人口，统 计暴露的人口数量，即为洪水变率的未来人口暴露度；如图9所示，东亚 和南亚经济快速发展明显加速了全球洪水变率的GDP暴露度，即从1.6％/℃ 增加至7.2％/℃。少升温0.5度，洪水变率越大，全球可避免的暴露度比例 越高，具体来说，面积暴露度为27.1％，人口为34.7％，GDP为12％。以 上未涉及之处，适用于现有技术。
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