《Water》：A Growing Heavy Runoff Fingerprint of Climate Changes in the Sacramento San Joaquin Watershed
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随着加利福尼亚山区气候变暖，径流的变化不仅体现在季节平均结构上，还体现在日径流事件的形式上。这一转变将改变历史上大型降水事件已具有异常强影响力的水文气候格局。尽管强降水事件的加剧已被广泛研究，但气候变化驱动的强径流事件变化受到的关注较少。本研究考察了复杂地形条
随着加利福尼亚山区气候变暖，径流的变化不仅体现在季节平均结构上，还体现在日径流事件的形式上。这一转变将改变历史上大型降水事件已具有异常强影响力的水文气候格局。尽管强降水事件的加剧已被广泛研究，但气候变化驱动的强径流事件变化受到的关注较少。本研究考察了复杂地形条件下未来高百分位日径流对未来气候变暖及偶发更强降水事件的响应。研究基于由13个LOCA2降尺度CMIP6气候预估驱动的VIC水文模拟。研究域覆盖210个从低海拔到高海拔的多样化集水区，这些集水区汇入加利福尼亚北部和中部的萨克拉门托/圣华金三角洲流域（Delta Watershed），该流域提供众多生态系统服务并供给该州很大一部分水资源。在相对高排放的气候变化情景下，研究发现达到或超过历史第98百分位的日径流事件增加，其累积水量相对1952–2014年历史时期贡献近两倍。这一增加在三角洲流域内分布不均，主要由中等海拔雨雪混合集水区的日径流事件主导，其未来发生频率增至历史均值的179%。最高海拔集水区向冬季/提早春季径流情势转变，随着变暖导致积雪退缩以及历史上熟悉的春夏季融雪峰值消退，第98百分位事件发生频率降至历史发生率的62%。高百分位径流事件在湿润年份更可能发生，而在干旱年份明显缺乏。结果表明未来洪水风险增大。达到或超过历史第99.9百分位（约2.7年重现期）的径流日在所有海拔均更频繁发生，可能响应于暖冬季风暴。这些增加在中等和高海拔地区影响尤为显著，第99.9百分位径流日的发生频率比历史时期高240%以上，对年径流的贡献超过280%。
研究背景方面，全球变暖背景下大陆地区强降水预计将更加强烈，加利福尼亚模式预估未来降水将发生情势转变，表现为年内湿润日数减少、湿季变窄以及偶发更强的极端湿润风暴日，并伴随极湿年与极干年之间更大幅度的摆动，从而加剧洪水风险与干旱严重程度。历史上，每年少数几次强风暴事件的发生与否对加州年及多年降水总量具有异常大的影响。尽管气候模式对总降水量的预估存在不一致或模式依赖性，但强降水事件的非比例影响预计将增大，气候模式通过风暴路径迁移和热力学变化显示出降水情势变化，未来水文气候趋向于整体湿润日数减少但偶发风暴总量更丰富。加州日降水量分布上尾的增加可归因于大气河事件的增强。与径流极端总体特征相关的气候变化增加也已有描述。然而，高强度日径流事件将成为该区域预估未来水文气候日益重要的特征，但径流脉冲的变化尚未获得如同强日降水事件加剧那样的审视。本研究聚焦于萨克拉门托/圣华金流域（简称三角洲流域）内高百分位日径流事件的可能变化，该流域因其多样化的物理特征、至关重要的供水功能以及其对自然和人类系统的脆弱性而被选择。该流域约占加州陆地面积的18%，但平均承载全州近三分之一的降水并产生不成比例的加州径流，供给加州农业、居民和商业用户的大部分用水，并为上游集水区、三角洲及下游旧金山湾的生态系统提供水源。三角洲流域从全流域汇集径流但对气候变化脆弱，其南至北的山地地形垂直于湿润的西风或西南风暴风，常产生风暴降水的强地形放大。在决定该流域气候的相对温暖的太平洋气团内，冬春季积雪损失和融雪提前已以惊人的速度被观测到，雪驱动水文的变化预计将随气候变暖继续快速推进。此外，尽管在水文模拟的CMIP3预估中年径流仅温和上升，但已有研究报道到本世纪末多日雨雪混合洪水水量增加50–100%；同样，在 later 一套水文模拟的CMIP5预估中，研究发现三角洲流域100年日洪水 magnitude 到本世纪末可能翻倍以上。这些发现引发了对该区域流域内复杂地形上强径流变化如何发生的进一步问题。研究人员开展了基于一套水文模拟气候情景的研究，该情景在一套降尺度CMIP6气候模式预估下运行，降尺度特别关注表征极端事件。虽然强降水的增加很可能产生增加的日径流事件，但三角洲流域由多样化的自然地理特征和气候组成，可能在某些情况下抑制这一水文响应而在其他情况下放大它。本研究考察以下问题：径流响应如何随海拔变化？极端径流变化在水文年日历上如何发生？极端日事件对年总径流的贡献如何变化？鉴于该区域降水的高年际变率，事件尺度径流变化在湿润年与干旱年之间可能有何不同？研究得出结论：尽管预估年降水量相对不变，强降水事件的加剧是加州模拟气候未来中的清晰信号。未来降水情势可能向更易变方向转变已吸引大量研究，但气候变化驱动的强径流事件受到的关注较少。因此本研究调查了气候模式预估的变暖和风暴加剧可能如何改变从汇入加州萨克拉门托和圣华金三角洲的多样化集水区产生的未来高百分位日径流事件。研究重点是萨克拉门托/圣华金三角洲流域内210个集水区的日径流极端及其聚合年贡献，采用由13个LOCA降尺度1950–2100年SSP370 CMIP6预估开发的VIC水文模型模拟。正如预期，随着变暖和日降水加剧，三角洲流域聚合的高日径流事件数量和水量增加，并对年总径流贡献日益增大。然而，更精细尺度的视角揭示了低、中、高海拔集水区之间强径流变化的显著差异，这些不同的径流变化展现出事件尺度水文气候变化的日益增长的指纹。低海拔径流事件主要以降雨为主，未来事件频率中度增加29%，累积水量贡献增加36%，几乎完全由高百分位降水的频率和年水量贡献增加驱动，低海拔径流事件继续主要发生在冬季月份，与强降水事件一致。中等海拔集水区历史上足够寒冷以积累积雪但接近冰点水平，未来变暖产生向降雨而非降雪的实质性转变，因此中等海拔集水区从21世纪初开始在产生增强径流事件方面发挥主导作用，超过低海拔和高海拔集水区，中等海拔集水区贡献的极端径流事件频率和水量增加按单位面积计更多，未来Q98日数升至历史发生率的1.8倍，其累积水量从年总径流的15%激增至29%，事件时间 shift 至稳固发生在冬季月份，且由于它们占三角洲流域近一半面积和一半以上的总降水和径流，中等海拔集水区的极端贡献总量相当大。高海拔集水区历史上提供春夏融雪补给径流事件，在SSP370情景下约2040年后开始显著转变，随着气候变暖未来数十年春夏剩余融雪量减少，这一转变导致径流情势日益类似于历史中等海拔集水区，具有冬季降雨径流和雨雪混合补给的高径流特征以及消退的春夏融雪事件，因此Q98日径流事件在2037–2099未来时期发生深刻转变，由于剩余融雪减少，历史上常见的晚春和早夏事件到21世纪中叶基本消失，而较早春季和冬季事件变得更频繁，这些高海拔集水区的Q98事件数量下降，其累积水量降至历史水平的74%，然而对于更极端的情况，以Q99.9和Q30y阈值事件为代表，高海拔集水区表现出显著增加，频率和年聚合水量贡献增加三倍以上，这些加剧的径流事件主要发生在11月至3月，很可能由异常温暖和多产的冬季风暴驱动。如同观测，三角洲流域高日降水的年际变率很高，本研究采用的13个单独模式预估聚合的历史时期变异系数为0.28、未来时期为0.29，强日径流事件及其对年总径流贡献的相应变率甚至更高，从13个单独VIC预估来看，年累积Q98径流的标准差达到其总体平均水量的100%以上，重要的是，这些强日径流事件的年际波动在未来对年际径流总量施加 somewhat 更强的影响，高径流事件的大部分增加发生在累积降水量正常或尤其是湿润的年份，在历史记录中湿润年日Q98径流计数几乎比干旱年频繁14倍，累积Q98sum/year几乎比干旱年大15倍，超过Q99.9阈值的极高百分位径流事件在所有三个海拔带均增加，即使在高海拔也是如此，这些强径流日很可能成为洪水事件，可能由暖风暴产生的极端降水驱动，达到或超过历史10年和30年重现期阈值的径流日在未来数十年到来频率为四至六倍。研究结论部分指出，尽管预估年降水总量相对不变，强降水事件的加剧是加州模拟气候未来中的清晰信号，未来降水情势可能向更易变方向转变已吸引大量研究，但气候变化驱动的强径流事件受到的关注较少，因此本研究调查了气候模式预估的变暖和风暴加剧可能如何改变从汇入加州萨克拉门托和圣华金三角洲的多样化集水区产生的未来高百分位日径流事件，重点是萨克拉门托/圣华金三角洲流域内210个集水区的日径流极端及其聚合年贡献，采用由13个LOCA降尺度1950–2100年SSP370 CMIP6预估开发的VIC水文模型模拟。正如预期，随着变暖和日降水加剧，三角洲流域聚合的高日径流事件数量和水量增加，并对年总径流贡献日益增大，然而更精细尺度的视角揭示了低、中、高海拔集水区之间强径流变化的显著差异，这些不同的径流变化展现出事件尺度水文气候变化的日益增长的指纹。低海拔径流事件主要以降雨为主，未来（2037–2099）事件频率中度增加29%，累积水量贡献增加36%，几乎完全由高百分位降水的频率和年水量贡献增加驱动，低海拔径流事件继续主要发生在冬季月份，与强降水事件一致。中等海拔集水区历史上足够寒冷以积累积雪但接近冰点水平，未来变暖产生向降雨而非降雪的实质性转变，因此中等海拔集水区从21世纪初开始在产生增强径流事件方面发挥主导作用，超过低海拔和高海拔集水区，中等海拔集水区贡献的极端径流事件频率和水量增加按单位面积计更多，未来Q98日数升至历史发生率的1.8倍，其累积水量从年总径流的15%激增至29%，事件时间 shift 至稳固发生在冬季月份，且由于它们占三角洲流域近一半面积和一半以上的总降水和径流，中等海拔集水区的极端贡献总量相当大。高海拔集水区历史上提供春夏融雪补给径流事件，在SSP370情景下约2040年后开始显著转变，随着气候变暖未来数十年春夏剩余融雪量减少，这一转变导致径流情势日益类似于历史中等海拔集水区，具有冬季降雨径流和雨雪混合补给的高径流特征以及消退的春夏融雪事件，因此Q98日径流事件在2037–2099未来时期发生深刻转变，由于剩余融雪减少，历史上常见的晚春和早夏事件到21世纪中叶基本消失，而较早春季和冬季事件变得更频繁，这些高海拔集水区的Q98事件数量下降，其累积水量降至历史水平的74%，然而对于更极端的情况，以Q99.9和Q30y阈值事件为代表，高海拔集水区表现出显著增加，频率和年聚合水量贡献增加三倍以上，这些加剧的径流事件主要发生在11月至3月，很可能由异常温暖和多产的冬季风暴驱动。如同观测，三角洲流域高日降水的年际变率很高，本研究采用的13个单独模式预估聚合的历史时期变异系数为0.28、未来时期为0.29，强日径流事件及其对年总径流贡献的相应变率甚至更高，从13个单独VIC预估来看，年累积Q98径流的标准差达到其总体平均水量的100%以上，重要的是，这些强日径流事件的年际波动在未来对年际径流总量施加 somewhat 更强的影响，高径流事件的大部分增加发生在累积降水量正常或尤其是湿润的年份，在历史记录中湿润年日Q98径流计数几乎比干旱年频繁14倍，累积Q98sum/year几乎比干旱年大15倍，超过Q99.9阈值的极高百分位径流事件在所有三个海拔带均增加，即使在高海拔也是如此，这些强径流日很可能成为洪水事件，可能由暖风暴产生的极端降水驱动，达到或超过历史10年和30年重现期阈值的径流日在未来数十年到来频率为四至六倍。研究还指出需要进一步工作：本研究通过统计达到或超过选定阈值水平的日事件来 interrogate 强径流变化，许多日事件是多日事件的成员，对多日事件进行进一步分析将是有用的；由于径流事件受先前干湿状况影响，考虑土壤湿度状态等初始条件将是有用的；当前结果仅来自VIC模拟的SSP370单成员CMIP6预估集合，可能呈现扭曲的结果集，因此对其他水文模型、更多GCM集合成员和其他SSP的预估径流进行比较分析将有助于调查和比较结果；强降水和相关径流的大部分很可能由大气河驱动，但强径流关联可能需更仔细调查；未来水文条件分析大多基于2037–2099聚合措施，但应在未来研究中解析为更短的未来时期；本研究主要关注三角洲流域和海拔带总量，但未来研究还应评估组成三角洲流域的众多集水区内和之间的演算径流和水文变化，以及它们对水资源管理、灾害和生态系统可能产生的许多影响；对其他山区集水区类似或对比变化的探索将提供进一步见解。资源和洪水管理者以及加州内华达山脉水库的运营者——这些水库几乎都位于中低海拔并从高至低全海拔范围获取入流——将需要管理加剧和更频繁的高流量，本研究展示了各海拔带未来溪流和洪水产生过程贡献的显著差异，主要水库下游的萨克拉门托/圣华金三角洲水资源、输水系统和生态系统将需要应对这些变化和增加的洪水流量，以及上升的海平面和老化的堤坝，挑战将来自所有三个海拔带洪水流量的变化，需要适应所有三个海拔带不同变化的管理策略，这些挑战是加州规划提高该州对未来风暴和洪水韧性紧迫性的清晰例证，规划努力在日益增多的规划和项目意识努力中概述，并日益着眼于预报知情水库运营（FIRO）的潜在价值，该策略更多依赖现代天气预报技能数天至数周前的改进，以更好地管理洪水风险同时增加该州主要水资源的稳健性，此外加州洪水管理含水层补给（Flood-MAR）努力旨在利用高流量事件通过将径流导向合适的农业用地、工作景观和管理自然区域使安全入渗含水层来补给地下水供应，最后监测中等海拔集水区相对低海拔集水区变化的洪水和资源贡献变化，可作为追踪三角洲流域水文气候极端变化进展的有用指标。
