PNAS：气候振荡对供水增量规划的影响
期刊：Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS
中文题目：气候振荡对供水增量规划的影响
英文题目：Climate oscillation impacts on water supply augmentation planning
作者：Sarah Fletcher, Marta Zaniolo, Mofan Zhang, and Megan Lickley
发表日期：2023年8月21日
摘要：
全球数年至数十年气候振荡造成多数流域降雨波动。因此，多数区域需要投入费用，通过新建水利基础设施，以维持稳定的供水。但是现有的应对策略聚焦在长期气候变化趋势，为世纪中后期气候条件而准备。气候振荡造成漫长、多变但暂时的干旱期，其对供水增加需求的影响尚不清楚。目前自然与社会系统气候震荡对供水实际影响研究不足，限制了自身的理论发展。本研究构建了中观理论（middle-range theory），用以揭示常见的气候振荡如何影响低成本且稳定的供水增强策略。本研究提取撒哈拉以南非洲地区截然不同的气候振荡模式，研究其对通用供水系统的影响。本研究方法集成了气候模型预测、非平稳信号处理、随机天气生成和基于强化学习的随机动态控制进展。结果表明：长期气候振荡通常需要更强的供水增容负载力，但更多得益于动态管理策略。因此，在具备频繁重新审视规划决策中适应载荷的情况下，较长期的气候振荡不需要更大的负载力。通过构建气候振荡与最低成本稳健增加供水之间关系的理论，本研究结果能够帮助规划部门瞄准稀缺资源并指导水技术和政策创新。该方法适用于气候多变下大空间尺度的气候适应规划。
研究背景：
为了确保气候变化下为人类、农业和经济提供稳定供水，水利部每年需要投入高达1000亿美元，用以新建基础设施。多数研究采用区域长期降雨趋势的气候模型，估算未来水利基础设施需求。但是，降雨年际和年代际差异对供水的影响比其长期趋势变化的影响更大。全球范围内，降雨频率差异类型与大尺度上海面温度气候振荡有关，如埃尔-尼诺海流南方涛动和太平洋年代际涛动。已有发现表明，气候振荡影响基础水资源效益。例如供水、水力发电、防洪和生态系统服务，以及农业和电力系统等部门。
尽管年际变化对供水影响的研究很多，但解决不同类型气候振荡模式下哪种增强供水策略（从减少灌溉等短期管理措施到水库等长期基础设施发展），最具成本效益仍不清楚。为了说明长期降水趋势的不确定性，监测何时需要采取适应措施的缓步变化很有必要。增强供水的永久性基础设施往往具有成本效益，如扩大水库载荷、安装海水淡化系统或废水回收设施。然而，永久性基础设施投入由于使用频率低，在应对气候波动造成的暂时干旱方面，成本效益较低。我们假设动态规划策略在应对气候波动方面可能更具成本效益，其供水规划经常被重新审视，如临时水源、流域间转移、地下水开采或需求管理。该方法的效率相比于增强供水似乎取决于振荡周期时长，以及适应方案重新审视和实施的响应速度。
要深入理解气候振荡模式对供水规划的影响，需要新的系统建模方法。稳健决策及其他计算建模方法能够制定出高保真且针对特定地点的供水策略，这些策略对未来各种各样的气候状况都具有较强的适应性。相反，侧重于发展关于人与自然系统的不依赖于特定地点理论的方法，往往需要对系统进行简化表示。为了平衡这些目标，中观理论旨在了解某一关注现象在何种条件下适用于一类情况。该方法已经应用于可持续性科学领域，包括自然资源管理、土地利用变化以及能源转型，但尚未与计算决策支持建模相结合。中观理论针对不同类型的气候适应方法，以低成本提高基础设施服务可靠性为前提，有助于供水规划者将稀缺资源有针对性地用于跨地区的气候适应工作，从而为更多社区实现水、食物、能源及经济方面的保障。
本研究开发了中观理论方法，用以构建气候振荡模式如何影响最低成本稳定供水增量规划。我们捕捉常见气候振荡模式的现实表征，并制定相关理论，以最低成本确保实现稳定供水的规划方法及供水增量技术。为此，本研究整合了非平稳信号处理、基于强化学习的随机优化以及水资源系统模拟技术。该方法应用于撒哈拉以南非洲（SSA）以地表水为主的河流流域供水规划中。该地区一系列气候振荡影响着水系统，并且很可能需要新增供水来应对不断增长的需求以及气候变化。研究结果显示，在以长达数十年尺度振荡为主的气候条件下，动态规划方法（即根据气候振荡情况增加供水的方法）能够降低供水可靠性的成本。然而，只有当存在诸如短期干旱管理方法这类资本成本较低的供水增量选项，并且规划者有能力对不断变化的振荡迅速做出反应时，上述情况才会成立。这一方法可用于支持规划者针对受气候多变性影响的各行业合理配置资源，并在技术和政策解决方案方面进行创新。
研究结果：
结果1: 气候振荡模式与供水规划的中观理论
图1概述了确定在具有对比鲜明振荡模式的五种代表性气候中，能以最低成本实现可靠供水的供水增量选项的成本结构、使用寿命和容量的方法。
五种气候振荡模式：降水数据中观测到的常见且对比鲜明的振荡范围，它们对规划有着明显不同的影响
（1）短期（s；4 至 10 年周期）；
（2）中期（m；10 至 30 年周期）；
（3）长期（l；30 至 60 年周期）；
（4）短 + 中（sm）；
（5）短 + 长（sl）。
描述供水增量选项技术经济参数（非特定选项）：
（1）资本成本与年运营成本之比（capex/opex）；
（2）使用寿命，即供水增量可供使用的时长；
（3）容量；
（4）部署时间（TTD），即规划者决定增加供水后到可供使用的时长。
图1: 中观理论示意图
结果2: 撒哈拉以南非洲气候振荡的小波分析
图2展示了气候振荡分析的结果，该图展示了不同振荡周期范围（短期、中期和长期）对年降水量变异性的贡献率。纵观撒哈拉以南非洲的各个支流，不同振荡组合对超出预期方差比例的贡献存在很大差异，从而导致了多样的气候振荡模式。受厄尔尼诺-拉尼娜现象（ENSO）影响较大的地区（南部非洲、赤道非洲），并未受到中期或长期振荡的重大影响；而其他地区（西非沿海地区、尼罗河南部、赤道东非部分地区）则因短期与中期或长期振荡而出现方差占比升高的情况。这与先前的研究结果相符，先前研究发现，几种具有不同周期且相互重叠的大规模气候振荡影响着整个非洲的降水变异性。这一发现凸显了理解不同气候振荡模式如何影响供水规划的重要性。
此外，我们的结果与先前对撒哈拉以南非洲振荡模式的研究相吻合。短期振荡解释了整个非洲大陆年降水量方差的最高比例。虽然高频振荡通常在任何时间序列中方差占比最大，但许多用点表示的次流域相较于白噪声显示出更高的方差。这些次流域集中在赤道非洲（热带辐合带所在区域）以及南部非洲。这与先前的研究一致，先前研究指出了厄尔尼诺-拉尼娜现象在调节水汽输送进入这些地区方面的影响以及其对热带辐合带位置的影响。较长周期的振荡（中期或长期）在赤道非洲以外的地区对方差贡献相对较大。这可能是由于太平洋年代际振荡（PDO）在这些地区影响更强。我们的研究结果与先前研究的一致性表明，小波分析是一种合适的方法，可用于捕捉撒哈拉以南非洲广泛的气候振荡模式，以便用于中观理论的发展。
图2: 振荡周期范围对1950~2100年次流域降水总变异的贡献率
点状点表示由该周期范围贡献的方差的分数大于白噪声的预期贡献的子流域。
结果3: 气候振荡模式对最佳水利基础设施增量的影响
图3表明关于对比鲜明的气候振荡模式对最低成本可靠供水增量方法影响的优化分析结果。首先，结果显示，振荡周期较长的气候往往（但并非总是）需要更大的平均供水增量容量。当储水容量较低时（图a），要维持可靠供水，在所有气候振荡模式下都需要额外的基本负荷容量。这是一种应对气候多变性的静态方法，即一开始就增加容量以应对未来的不确定性。然而，这种静态方法的弊端在于，它有可能闲置使用寿命长但使用频率低的资产。此外，在振荡周期较长的气候振荡模式中，我们看到峰值容量有所增加，这种容量会根据储水量低的情况以及干旱振荡阶段动态投入使用。
然而，当有更多储水可用时（图b），振荡周期与容量之间的直接关联就消失了。短期气候振荡模式下的平均容量更高，而非更低。这是由于峰值容量在应对短期振荡时价值有限，原因有二。其一，对周期小于10年的短期振荡进行动态响应需要频繁增加供水以及相应的资本支出，在我们的基础案例中，资本支出是年运营支出成本的4倍。其二，短期振荡信号比长期振荡信号噪声更大，因此相关策略无法清晰识别信号中的模式，也难以轻易预测未来的振荡情况。
我们还发现了振荡周期长度与峰值增量容量的使用寿命之间存在一种显著的关系，如图c和图d所示。与平均容量的结果类似，我们看到与较长气候振荡相关的峰值容量具有更长的使用寿命。更具体地说，当不存在基本负荷容量时（图d），峰值容量的使用寿命分布以振荡半周期为中心。复合气候振荡模式（如短+长模式）具有双峰分布，使用寿命的高密度区分别围绕每个振荡半周期。当较低的储水水平导致需要基本负荷容量时（图c），使用寿命会缩短，大致以振荡四分之一周期为中心。这一结果是由峰值容量的动态行为驱动的，它仅对干旱振荡阶段做出响应。当有充足的储水且振荡周期大于10 年时，基本负荷容量因使用频率较低而不符合成本效益原则，此时峰值容量可应对振荡的整个干旱阶段。然而，在没有储水的情况下，更大规模的基本负荷容量则符合成本效益原则，这使得峰值容量只需应对干旱振荡中最严重的部分。补充信息附录中的图 S2 展示了不同储水/需求比下的这些结果，表明振荡周期长度与峰值容量使用寿命之间的关系并不取决于图3中所示的储水和需求的具体数值。而取决于始终要满足可靠性这一前提选择。补充信息附录中的图S5显示，当允许出现大幅更高的供水缺口时，基本负荷容量的使用量极少，这与此处所讨论的峰值容量行为有根本性的变化。
图3: 不同气候振荡模式下最优基础设施增量的容量与使用寿命
首行（A和B）：基本负荷与峰值供水基础设施模拟的平均容量对比。底行（C和 D）：按气候划分的峰值容量使用寿命分布情况，其中每个红点代表一项容量增量，周边的小提琴图则表示各模拟中使用寿命的密度分布。黑色的点和柱状图展示了振荡半周期的平均值及范围。左列：现有储水量为月均需水量的4倍。右列：现有储水量为月均需水量的8倍。结果来自基准情景，在此情景下：未出现供水短缺情况（即供水可靠性为100%），需水量比年均径流量高出7%，资本支出是年运营支出的4倍。
结果4: 气候振荡模式与供水增量技术经济学之间的相互作用
我们分析技术经济参数在调节气候振荡模式对最低成本供水增量方法的影响方面所起的作用，这些参数在不同的供水增量选项中差异很大（图4）。例如，大规模的中水回用技术可能需要高额资本支出，并且需要数年时间来部署，而诸如将休耕农田的灌溉水转作他用这类非基础设施类的供水增量选项，可能所需资本很少，但每年产生的成本较高。我们发现，提高可用供水增量选项的资本支出/运营支出比率，会使具有更大容量和更长使用寿命的供水增量方法更受青睐。这反映出向更大比例的基本负荷容量（而非峰值容量）的转变。与其进行动态响应并产生多次高额资本支出，不如尽早建设过剩容量并使其长时间保持运行，这样更具成本效益。这一点在图4A中有所体现，其中各模拟的平均容量有所增加，并最终在对应所增加的基本负荷容量的整数增量处趋于平稳。即便允许出现更高的供水短缺情况，这一发现依然成立，不过不同气候振荡模式之间的差异会减小。相比之下，较低的资本支出/运营支出比率则更有利于那些能动态响应、根据振荡的干旱阶段增加供水的最优供水增量策略。
有趣的是，在高资本支出/运营支出比率的情况下，中等范围的气候振荡模式（短+中、中、短+长）相较于短期和长期模式有着更长的平均使用寿命（图4C）。这反映出当资本支出/运营支出比率较高时，在两种极端振荡情况（短期和长期振荡）下都会出现更具动态性的峰值行为。对长期振荡进行动态响应是符合成本效益的，因为这需要最少的新增资本支出；而对短期振荡进行动态响应同样符合成本效益，因为这样能减少所需的容量，只需在最严重的干旱时期增加峰值容量即可。补充信息附录中的图S3展示了针对代表不同气候振荡情况的几次模拟随时间变化的这一过程。
最后，我们发现增加部署时间（TTD）对最优供水增量策略仅有适度的影响，会导致平均容量略有增加，而平均使用寿命并无一致的变化趋势（图4B和图4D）。这与我们最初的假设——较长的部署时间会使实时应对干旱状况变得更加困难——形成了对比。这可能是由于两个因素导致的。首先，干旱阶段的时长（振荡半周期）相较于部署时间的范围而言较长；在一个 20 年的振荡周期中，多出一年或许并不会影响其动态变化。其次，我们假定规划者知晓气候振荡信号的当前阶段，能够了解未来降水量是可能增加还是减少，这或许抵消了较长部署时间所带来的影响。总体而言，图4中的结果凸显了一个流域内可用的供水增量选项类型对实现低成本可靠供水所需的容量大小及时间安排有着重大影响。
图4: 资本支出/运营支出比率以及部署时间（TTD）对按气候振荡模式（彩色线条）划分的最优供水增量的平均容量（A和B）及使用寿命（C和D）的影响
资本支出/运营支出比率和部署时间的基准情景数值以灰色柱状图展示。结果展示了在现有储水量为需水量4倍的假设条件下，实现100%可靠性（即不出现供水短缺情况）的最低成本解决方案。
结果5: 决策频率对最低成本供水增量的影响
我们之前的结果表明，当振荡周期较长且成本主要由运营费用而非资本费用构成时，一种根据干旱振荡阶段增加供水的动态策略能够以较低成本维持可靠的供水。然而，这一发现是基于供水规划者可以每月重新审视供水增量决策的假设。在实际操作中，供水计划通常每10年才重新审视一次。我们的最终结果（图5）评估了在不同气候振荡模式下，决策频率对所需供水增量成本的影响。
结果显示了三个主要发现。首先，随着决策间隔时间的增加，总成本也会增加，而且对于包含中期或长期振荡成分的气候振荡模式，成本增加得更多。曲线的非线性形状表明，对于目前每10年做一次决策的地区来说，要实现大幅成本节约，决策频率需要大幅提高，大约提高到每2年一次。这反映了在采用动态方法增加供水时，更频繁地重新审视决策所能带来的成本节约。实际上，在中期和长期气候振荡模式下，成本增加的很大一部分原因是供水增量方法从动态转变为静态。补充信息附录中的图S4通过几个随时间变化的模拟展示了这一点。其次，当每月重新审视供水增量决策时，除了短期振荡模式外，所有气候振荡模式的总成本大致相同。这凸显了针对周期超过5年的振荡进行规划的挑战：采用具有足够容量以应对长期干旱阶段的静态方法成本过高，但动态方法会导致资本成本的增加。第三，包含短期振荡成分的气候振荡模式的成本方差更大。针对短期振荡的最优控制策略主要依赖于基本负荷容量，很少部署额外的短期（约1年）峰值容量来缓冲紧急短缺情况。这种 “紧急峰值” 行为（在补充信息附录中的图 S1 中有展示）在不同模拟中的出现情况差异很大，由于紧急峰值成本较高，所以导致了成本的高方差。这些结果表明，在规划机构中建立适应能力以更频繁地重新审视决策是有好处的，特别是在面临长周期气候振荡模式的地区。
图 5. 按气候振荡模式和决策重审时间划分的 100 年规划期内供水增量选项的总成本
此处成本指的是 100 年规划期内的总资本成本和运营成本，以资本支出单位来量化，其中 1 个资本支出单位等于一个额外供水增量单位的资本支出。散点对应于每种气候振荡模式和决策频率下最优策略的 10 次模拟结果。彩色带呈现二阶多项式趋势线，用于在不同决策频率之间进行插值。结果展示的是基准情景下的情况，即未出现供水短缺（即供水可靠性为 100%），资本支出 / 运营支出比率 = 4，储水量 = 4 倍月均需水量。
研究意义：
气候系统中的大规模振荡会造成持续数年至数十年的临时性干旱期，需要投入成本高昂的基础设施投资，以维持可靠的供水。本研究开发了中观理论，探讨在应对撒哈拉以南非洲常见的气候振荡模式时，哪些供水增量方法是可靠且具有成本效益的。我们发现，如果采用传统的规划方法，长达数十年的振荡周期需要最大规模的基础设施投资。然而，对振荡情况进行监测，并采用与振荡周期相匹配的临时性解决方案来做出应对，能够减少对新建基础设施的需求。这凸显了适应能力在应对长期气候多变性以及针对气候适应进行基础设施投资方面的重要性。
研究创新之处：
本研究整合了非平稳信号处理、基于强化学习的随机优化以及水资源系统模拟技术，开发了中观理论方法，构建了典型气候振荡模式影响最低成本稳定供水增量规划的理论方法。提出水利部及时、有效的决策能够有效减少较长的气候振荡下水利设施载荷需求。研究结果能够帮助规划者合理配置稀缺资源，并指导水利技术与政策创新。
对我们今后工作的启示：
中观理论的优势在于能够确定一般性的解决方案，但其普适性受限于系统建模方法内的特定案例类别。未来的研究工作可以开展多目标分析，从而提升其对规划的直接可用性。
文献来源：https://doi.org/10.1073/pnas.2215681120
声明：以上中文翻译为译者个人对于文章的概略理解，论文传递的准确信息请参照英文原文。
撰稿：张闯
初审：任杰
审核：杜军
终审：鲁鹏