黄河是我国第二大河流，是中华民族的母亲河｡黄河以占全国2. 5% 的水资源量，养育了12%的人口、灌溉了15%的耕地、支撑了14% 的国内生产总值，生产了全国12. 3%的粮食和55%的煤炭｡黄河流域在保障国家粮食安全、能源安全和生态安全等方面地位十分重要｡然而，黄土高原生态环境禀赋条件差，再加特殊的气候地理特征和不合理的人类活动，致使黄河善淤、善决、善徙，给中华民族带来过深重灾难｡黄河水少沙多、水沙关系不协调，是黄河复杂难治的症结所在｡调控黄河水沙关系对保障黄河长久安澜至关重要｡党领导人民治黄70 多年来，通过兴利除害、综合治理和系统调控，黄河流域水沙情势发生了持续性变化，黄河来水量在减少、来沙量锐减｡黄河水沙情势变化深刻影响黄河流域生态保护与高质量发展战略专项规划、设计及工程布局等重大决策，科学研判未来黄河来水来沙量是制定水沙调控对策最基础、最关键的科学问题，也是水沙科学与工程实践长期关注的难点问题｡
▲ 黄河主要产沙区
我国自20 世纪80 年代即开展黄河水沙变化研究，围绕入黄水沙的趋势性预测成果很多，但由于黄河水沙是一个动态的变化系统，受气候、生态、地貌等多过程耦合驱动影响，使得黄河水沙变化将呈趋势性减少或周期性减少未达成共识｡特别持续的生态建设与水沙调控工程布局、极端的气象事件频发与不断加剧的人类活动，更增加了黄河水沙变化实际及预测的不确定性｡为此，科技部将“黄河流域水沙变化机理与趋势预测”(2016YFC0402400) 列为“十三五” 国家重点研发项目，以加强对黄河水沙变化问题的研究，旨在为黄河水沙调控策略的科学制定提供技术支撑｡（张晓明等著. 北京：科学出版社，2024. 3）就是在该项目资助下完成的关于黄河水沙演变趋势多模型预测及其集合评估等研究成果的凝练｡
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全书系统梳理流域水沙预测既有方法，在量化识别各类既有水沙预测方法适用性和预测成果不确定性基础上，创新研发流域水沙变化趋势预测集合评估技术｡综合考虑极端降雨情景，基于多模型方法水沙预测结果，集合评估黄河流域未来30 ~ 50 年水沙变化趋势及其置信区间，研究结果可为未来治黄策略制定提供重要的水沙调控边界条件｡
黄河水沙变化成因及影响因素非常复杂，不同时期的主导因子是不同的(Cevasco et al.，2014；Zhao et al.，2017)。近2300 年以来，黄河年均入海泥沙量是黄土高原大规模农业开展前的全新世早期和中期的10 倍左右，这似乎表明了人类活动对黄河泥沙的巨大影响(Milliman et al.，1987)。而实际上，有人类活动以来，黄河流域水沙的丰枯变化是气候等自然因素和人类活动因素共同作用的结果，不过每个时段的主导因子是不同的(姚文艺等，2015)。20 世纪50 ~60 年代是降水丰沛期，1933 ~ 1959 年成为近百年以来的黄河丰水期。自60 年代黄河上游刘家峡、龙羊峡等大型水库先后建成运用和多项水利水保措施实施，加之70 年代黄河流域又进入了显著干旱期，这一时段水沙变化受到人类活动和降雨减少的双重影响。自2000 年以来，尽管黄河流域降水量较前期明显偏丰，但由于退耕还林还草等封禁治理成效显现，因此径流泥沙较前一时段仍进一步减少，人类活动对减沙起到主导作用。在成因分析中，学者对影响因素的贡献率开展了大量研究。综合来看，不同时段水沙变化影响因素的贡献率评估结果有区别，影响黄河水沙变化的因素是很复杂的，根据水沙变化评估理论与方法的发展现状，要精确评估各项自然因素、人类活动因素的贡献率是很困难的，不同研究者即使分析的是相同的时段、相同的区域，所得到的结果仍很可能不一致。
▲ 黄河水沙变化预测既有方法比较
因此，为了检测水文模型能够反映水文观测数据的程度，诊断出水文模型结构存在的缺陷，近年来水文学者越来越关注各类研究方法及水文模型诊断评估的理念。目前水文模型评价指标往往是基于模型模拟结果与实测数据的离差平方的整体性评价指标，无法提供有效信息用于评价模拟结果与实测资料在各种水文特性上的一致程度，即模拟结果哪一方面“好” 或哪一方面“坏”，且模型评价指标不同，评价结果差异较大。为了对模型进行全面的诊断评估，需要对反映不同模型精度的评价指标进行综合评价，目前关于水文模型评价指标评估的研究较少，未来多指标方案优选思路值得借鉴，这也是多维集合评估的本质内涵。
集合预报是在大气科学领域发展壮大起来的研究方法，用于处理影响因素众多、影响机制复杂、不确定性高的问题，通过多个模型的比较和评估，融合不同模型对未来情景的预测，对同一有效预报时间给出一组集合的预报结果。各预报间的差异可提供有关被预报量的概率分布的信息，在集合预报中的各个预报可具有不同的初始条件、边界条件、参数设定，甚至可用完全独立的数值天气预报模式生成。世界气候研究计划(World Climate Research Programme，WCRP) 通过比较和融合几个简单的模型，获取了早期全球大气耦合气候模型，伴随之后的五个发展阶段(Meehl et al.，2005，2013；Taylor et al.，2012)，成为一个主要的国际多模型集合研究活动，不仅把气候科学研究引进了一个新时代，而且也成为国家和国际气候变化评估的核心。CMIP 的一个重要组成部分是使多模型输出以标准化格式公开，以便进行更广泛的用户分析。在指定格式的模型输出的标准化，以及通过地球系统网格联邦(Earth System Grid Federation，ESGF) 数据复制中心对模型输出的收集、归档和访问，促进多模型的比较和集合分析。
▲ 流域水沙变化集合评估技术体系
目前，国际上关于集合评估和集合预报比较成熟的系统是在通过协调全球气候模型模拟过去、当前和未来气候的设计和分布的耦合模型相互比较项目(CMIP)中发展起来的，其已成为气候科学领域最重要的基础。跨部门影响模型比较项目(Inter-Sectoral Impact Model Intercomparison Project，ISI-MIP) 建立在全球范围内早期的气候变化风险评估基础上，将来自5 个不同行业的28 个全球影响模型汇集在一起，通过建模协议进行仿真，并将收集得到的仿真数据进行分析(Warszawski et al.，2014)。AgMIP 通过改善农业模拟状况，以了解全球和区域范围内农业部门对气候的影响，Friend 等(2014) 分析了7 种全球植被模型对未来气候的可能响应。
关于水文模型的集合评估，目前国际方面也开展了类似的跨区域联盟，水文模型比较项目(WaterMIP)旨在比较各种陆地水文循环模型，并为20 世纪和21 世纪的世界水资源状况提供多模式集合评估(Clark et al.，2009)。但所有气候模型或者水文模型比较项目均是对模型产出的分布和模型整体的特征的比较，所以参与比较的模型在结构上的分布是相似的，确定最适模型结构和量化模型结构中的不确定性仍是研究的关键。Clark 等(2008)提出一种方法来了解水文模型之间的差异，通过研究发现，模型结构的选择和模型参数的选择一样重要，需要进一步使用多个标准来诊断多种气候制度的结构差异的相对重要性以评估模型，并评估每个模型中独立信息的数量。Clark 等(2011) 还通过提出多假设检验方法对水文学中替代模型进行了系统和严格的测试，与精密诊断相结合，根据观测数据仔细检查多个模型，对模型假设空间覆盖更为广泛。此外，为改进基于过程的水文模型理论基础，需将水文模型与现有理论和新兴理论相结合来完成不同尺度及地域的水文模型评估。
▲ 各种气候模式下潼关站2021 ~2070 年年输沙量预测结果
综上所述，现有的国际气候模型、农业模型和水文模型等比较项目，模型输入与输出的格式是标准化的，只是模型的参数和结构存在差别，即甲方负责基础数据标准化，乙方负责开展模型模拟，丙方独立开展评估与集合预报。而黄河流域既有的水沙变化预测方法，如水文法、水保法和物理模型等，其内在机理与数据输入存在巨大差异，构建统一的集合评估平台需突破更复杂的技术瓶颈。鉴于黄河水沙变化成因和影响因素非常复杂，以及未来变化的不确定性极大的现实，单一的研究方法无法给出可靠的预测结果，需将各类研究方法和预测模型与新型理论相结合，开展集合评估与集合预报，这是未来水文研究发展的方向和新的生长点。
《黄河流域水沙变化趋势集合评估》一书，是在“十三五” 国家重点研发计划项目“黄河流域水沙变化机理与趋势预测” 资助下完成的关于黄河水沙演变趋势多模型预测及其集合评估等研究成果的凝练｡该书共分8 章35 节，重点论述了黄河流域水沙变化规律及其与世界典型河流水沙变化的分异性、水沙变化归因与预测现有方法的适用性评价、流域水沙变化预测集合评估技术构建、黄河流域未来50 年水沙变化趋势集合评估以及未来极端降雨黄河可能输沙量等｡该书提出的针对数据需求、物理基础、应用效率、输出尺度、预测精度、结果不确定性的水沙预测模型适用性判别技术，实现了水沙预测方法适用性及其不确定性集合评价，首次研发了流域水沙变化趋势集合评估技术，评估各种模型预测结果的可信度，并基于黄河流域水沙预测现有方法的预测结果，在统一边界条件下，集合评估了未来50 年入黄沙量(潼关站) 约为3 亿t/ a，极端降雨条件下可能的入黄沙量(潼关站) 约为5 亿t/ a｡
该书首次提出的针对不同方法水沙预测结果的集合评估技术，集众家之长以提高预测结果的稳定性，契合了当前水沙科学与工程实践关于黄河流域水沙变化趋势科学认识的实际需求，为制订黄河流域治理规划打下重要的科技基础，便于决策者应用｡集合评估技术的研究理念、方法及成果对读者开展相关教学、研究和实践应用具有重要借鉴价值，也对推动黄河流域生态保护和高质量发展国家战略的科学实施具有重要参考意义｡
中国工程院院士
2022 年10 月
本文摘编自《黄河流域水沙变化趋势集合评估》（张晓明等著. 北京：科学出版社，2024. 3）一书“1 绪论”“序”，有删减修改，标题为编者所加。
审图号：GS 京(2023)1895 号
责任编辑：李晓娟
本书根据国家重点研发计划课题“黄河流域水沙变化趋势集合评估”的研究成果系统总结而成｡全书系统梳理流域水沙预测既有方法，在量化识别各类既有水沙预测方法适用性和预测成果不确定性基础上，创新研发流域水沙变化趋势预测集合评估技术｡综合考虑极端降雨情景，基于多模型方法水沙预测结果，集合评估黄河流域未来30 ~ 50 年水沙变化趋势及其置信区间，研究结果可为未来治黄策略制定提供重要的水沙调控边界条件｡
本书可供从事水土保持、河床演变与河道整治、水文学及水资源、水沙资源配置与利用、防洪减灾、黄河治理等方面研究的科技人员及高等院校有关专业师生参考｡
（本文编辑：刘四旦）
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