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原创 张琴，张利平等 气候变化研究进展 2025年06月23日
气候水文预估不确定性量化及约束方法研究进展 张琴，张利平，李意，刘丽娜，佘敦先，周芷菱，袁喆
研究概述
近年来，气候水文预估不确定性的量化与约束问题受到了学界广泛的关注，IPCC第六次评估报告将约束预估列为关键亮点之一。准确量化并有效减小气候水文预估的不确定性对科学理解气候变化及其对水文水资源的影响、制定适应性策略有重要意义。
当前不少研究应用相关方法开展了气候水文变量和极端事件预估不确定性的量化与约束研究，但是针对不同方法中模型的构建和适用的前提条件、时空尺度、变量仍然缺乏系统理解。基于此，本研究对气候水文预估不确定性的分离方法和约束方法进行评述。
针对预估不确定性的分离量化，本文系统回顾了不同方法的发展历程，陈述了方法的实现过程和适用情况，包括HS09法、L20法和方差分析法。进一步阐明了减小模式不确定性的必要性和思路，将约束预估方法分为4类：检测归因约束、加权约束、涌现约束和校正约束，全面介绍了各个方法的原理，从关系的建立、适用尺度、应用变量等多方面分析了约束方法的特性和优缺点，随后总结了不同约束方法的检验及结果评估的实现流程。最后展望了该领域急需关注的重点内容和未来可能的发展趋势，以期为提高气候水文变量或极端事件预估的准确性和可靠性提供参考。
表 约束预估方法比较
通过对气候水文预估不确定性量化与约束方法的系统回顾和深入理解，本文提出以下几点展望：
（1）重视SMILEs模式分离气候内部变率的重要作用。与通过回归残差来量化气候内部变率相比（如HS09法和ANOVA法），SMILEs通过机理模型获取气候内部变率特征更加准确可靠。
（2）量化交互不确定性并揭示其深层机制。后续研究可深入探讨不同类型不确定性相互影响的机制，并基于此量化分离交互不确定性。
（3）评估气候敏感度对预估不确定性的影响。后续研究可尝试量化模式气候敏感度与预估结果之间的关系，加深模式气候敏感度对预估不确定性影响的理解，为约束关系的建立提供科学依据。
（4）探究涌现约束关系建立的物理机制。当前涌现约束方法应用广泛，但是对涌现关系内部物理机制的关注程度逐渐下降，缺乏物理解释的高相关系数容易导致虚假的涌现关系，从而带来具有误导性的约束结果。
（5）关注约束预估方法的检验。由于未来并未发生，不存在观测数据，所以验证约束方法的有效性存在困难，尽管多位研究者提出了完美模型检验或样本外检验的思路，但是仍然少有研究将其用于约束方法的检验。
（6）比较并综合不同类型约束方法实现稳健的约束预估。不同类型约束方法在原理、适用尺度和变量等方面存在差异，各个方法有各自的优势和不足，未来可以尝试融合不同方法的优点开发新的约束方法。
（7）提高对地球系统的科学理解，改进地球系统模式，提高模拟预估精度。所有的约束预估方法都是模式输出的后处理方法，不会改变模式的内部结构，但是对模式特征的评估和不确定性的量化将有助于下一代模式的改进。
（8）探索运用机器学习方法量化并减小预估的不确定性。
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作者简介
第一作者 张琴 工程师 单位：长江科学院水资源综合利用研究所 研究方向：气候变化与极端事件
通信作者 张利平 教授 单位：武汉大学水利水电学院 研究方向：气候变化下的水文响应 | 
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