山紅翠，袁 飛，盛 東，鄒 亮，劉元沛(.湖南省水利水電科學(xué)研究所，長(zhǎng)沙 40007；.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 0098)

0 引 言

政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)第五次評(píng)估報(bào)告指出，受化石燃料燃燒、土地利用變化的影響，大氣中CO2等溫室氣體濃度的顯著上升已引起全球范圍的氣候變暖；采用通用環(huán)流模式(Genernal Circulation Model，GCM)預(yù)估未來(lái)排放情景下的氣溫特征，發(fā)現(xiàn)2100年全球氣溫將比1900年上升1.1～6.4 ℃，降水強(qiáng)度、降水量及其時(shí)空分布將發(fā)生顯著變化[1]。Dore[2]的研究結(jié)果表明，全球很多地區(qū)的降水量、降水強(qiáng)度和降水類(lèi)型都發(fā)生了變化。

預(yù)測(cè)由于溫室氣體改變而引起的未來(lái)氣候變化，GCM是一種有效的工具。但由于GCM輸出的氣候數(shù)據(jù)水平分辨率為幾百公里，精度較低，通常需要進(jìn)行降尺度處理。區(qū)域氣候模式(Regional Climate Model，RCM)動(dòng)力降尺度是常用的降尺度方法之一，因其具有較高的分辨率和更完善的物理過(guò)程，因而能夠更好地刻畫(huà)氣候的區(qū)域性特征。盡管RCM得到的氣候數(shù)據(jù)精度較GCM顯著提高[3]，但仍存在較大偏差。馬沖等的研究表明，采用適當(dāng)?shù)钠钚拚椒梢暂^好地消除氣候模式模擬的降雨和溫度等數(shù)據(jù)的誤差。因此在應(yīng)用RCM數(shù)據(jù)進(jìn)行氣候變化分析時(shí)，還需進(jìn)行偏差修正。

溫度和降水是氣候研究中的主要元素, 利用區(qū)域模式對(duì)中國(guó)區(qū)域的溫度和降水進(jìn)行模擬研究具有重要的意義[4]。許吟隆等[5,6]利用PRECIS氣候模式，初步分析了其對(duì)中國(guó)區(qū)域氣候的模擬能力，分析結(jié)果表明：PRECIS 能夠很好地模擬中國(guó)區(qū)域地面氣溫的局地分布特征，亦顯示出很強(qiáng)的模擬極端降水事件的能力。因此，本文應(yīng)用PRECIS氣候模式模擬數(shù)據(jù)，比較其模擬的西江流域未來(lái)時(shí)期溫度和降水變化情勢(shì), 分析流域氣候變化特征，從而為區(qū)域氣候模式的應(yīng)用和氣候變化的預(yù)測(cè)和評(píng)估提供一定的參考。

1 研究區(qū)域概況

西江發(fā)源于云南省沾益縣馬雄山，是珠江的干流。本文選取西江流域武宣水文站以上區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)，研究區(qū)集水面積196 255 km2，研究區(qū)內(nèi)共有氣象站點(diǎn)19個(gè)，分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)氣象站點(diǎn)分布圖Fig1. Distribution of meteorological stations in study area

西江流域地處華南沿海，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，春夏降水充足，氣溫偏高，秋冬則干旱少雨，氣溫偏低。流域地形起伏大，地面海拔高程高，氣候的垂直差異和南北差異極為明顯，多年平均氣溫14～22 ℃，多年平均降水量在1 000～2 200 mm。流域雨季長(zhǎng)但降水量年內(nèi)分配極不均勻，每年的5-8月是流域降水集中期，總降水量占全年的62.5%，各月降水量都在200 mm以上，其中6月是一年中降水量最多的月份[7]。近年來(lái)，在氣候變化背景下，西江流域的降水、氣溫發(fā)生了一定變化。張永領(lǐng)等[8]的研究表明，在西江流域冬、夏半年及年平均氣溫的變化中，三者都呈增加的趨勢(shì)，且增溫速度都高于全球地面增溫速度。朱穎潔等[9]研究發(fā)現(xiàn)廣西西江流域6個(gè)代表站極端降雨量在不同區(qū)域趨勢(shì)變化存在差異，東北部、北部存在遞增的區(qū)域，其余為遞減的區(qū)域，但變化趨勢(shì)均不明顯。

2 數(shù)據(jù)與模型

2.1 數(shù) 據(jù)

本文中所用數(shù)據(jù)包括PRECIS 輸出的研究區(qū)19個(gè)氣象站點(diǎn)氣候基準(zhǔn)時(shí)段(1961-1990年)以及SRES A1B情景下未來(lái)時(shí)期(2011-2040年)地面最高、最低氣溫與降水量。本文所指的氣候變化響應(yīng)是指SRES A1B情景下未來(lái)時(shí)期模擬結(jié)果相對(duì)于氣候基準(zhǔn)時(shí)段的變化值。

研究表明[10]，PRECIS 對(duì)溫度的模擬效果良好，但是PRECIS 對(duì)華東、華南地區(qū)的降雨特別是夏季降雨模擬偏差較大，某些月份甚至?xí)_(dá)到50%以上，這些偏差將會(huì)對(duì)氣候變化研究產(chǎn)生十分嚴(yán)重的影響。因此PRECIS模擬數(shù)據(jù)用于氣候變化研究時(shí)需進(jìn)行偏差修正。本文采用簡(jiǎn)單誤差修正方法修正PRECIS模擬降水、氣溫?cái)?shù)據(jù)。

2.2 模型簡(jiǎn)介

2.2.1氣候情景

目前氣候變化影響通常采用溫室氣體排放情景描述未來(lái)氣候變化的發(fā)展趨勢(shì)。IPCC排放情景特別報(bào)告描述了4個(gè)溫室氣體排放情景族，即A1、A2、B1和B2[11]。 其中A1和A2為強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的排放情景，B1和B2為強(qiáng)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的排放情景，具體特征如下：

A1情景描述未來(lái)情景經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，21世紀(jì)中葉出現(xiàn)人口峰值，隨后開(kāi)始減少且高新、高效技術(shù)迅速出現(xiàn)。A1情景按技術(shù)重點(diǎn)又可劃分為3個(gè)群組，分別描述了能源系統(tǒng)技術(shù)變化的不同發(fā)展方向：化石能源密集(AIFl)、非化石能源密集(AIT)、各種能源資源均衡(AlB)。資源均衡的A1B情景是基于各種能源供應(yīng)和利用技術(shù)發(fā)展速度相當(dāng)?shù)募俣l件下，不過(guò)分依賴于某一特定的能源資源利用情景。

2.2.2PRECIS氣候模式

PRECIS(Providing Regional Climates for Impacts Studies)是由英國(guó)Hadley氣候變化與研究中心研制的區(qū)域氣候模式，其網(wǎng)格水平分辨率為50 km×50 km；垂直方向采用σ坐標(biāo), 分為19 層, 最上層為500 Pa。PRECIS 對(duì)海洋下墊面的處理為: 對(duì)氣候基準(zhǔn)時(shí)段的模擬應(yīng)用觀測(cè)的1°網(wǎng)格的海表面溫度(SST)和海冰數(shù)據(jù), 對(duì)未來(lái)的情景模擬則是將海-氣耦合模式HadCM3 模擬的SST 和海冰在相應(yīng)情景下相應(yīng)時(shí)段相對(duì)于氣候基準(zhǔn)時(shí)段模擬結(jié)果的變化值疊加到SST和海冰的觀測(cè)值上。關(guān)于PRECIS 物理過(guò)程的詳細(xì)介紹可參閱文獻(xiàn)[12]。

PRECIS 已經(jīng)成功地在歐洲、南亞季風(fēng)區(qū)和非洲南部等地區(qū)進(jìn)行了區(qū)域氣候情景的模擬試驗(yàn)。中國(guó)科學(xué)家于2003年引進(jìn)PRECIS (Providing Regional Climates for Impacts Studies), 構(gòu)建中國(guó)區(qū)域高分辨率(水平網(wǎng)格距50 km)的SRES 氣候變化情景，并已經(jīng)應(yīng)用在氣候變化的影響評(píng)估工作[5]。

2.2.3氣候模式數(shù)據(jù)修正方法

鑒于氣象條件特別是降雨和溫度對(duì)氣候變化的分析具有重要影響，對(duì)PRECIS 所模擬的降雨及溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的、嚴(yán)密的偏差糾正是十分必要的[13]。

簡(jiǎn)單誤差修正方法(Simple Bias Correction Method，以下簡(jiǎn)稱(chēng)SBC)是最為常用的氣候模式數(shù)據(jù)修正方法。該方法將氣候模式模擬的基準(zhǔn)年多年月平均降水、氣溫與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較，計(jì)算修正因子，并采用該因子修正基準(zhǔn)年和未來(lái)情景的氣候數(shù)據(jù)。SBC法對(duì)降水和氣溫的具體修正公式為：

(1)

(2)

(3)

(4)

3 結(jié)果分析

3.1 降水變化分析

3.1.1年降水統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)SBC修正方法修正PRECIS模式基準(zhǔn)年和A1B情景下武宣站集水區(qū)年降水量統(tǒng)計(jì)特征值，結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，A1B情景年降水量均值增大，增幅較小，為4.71%。此外模式預(yù)估A1B情景年降水量的標(biāo)準(zhǔn)偏差與離勢(shì)系數(shù)明顯高于基準(zhǔn)年?？赡苁怯捎赑RECIS氣候模式所預(yù)估的A1B情景下降水較基準(zhǔn)年離散程度增大。

表1 修正后PRECIS模式預(yù)估基準(zhǔn)年和A1B情景武宣站集水區(qū)年降水量特征值統(tǒng)計(jì)Tab1 The statistics of simulated annual precipitation under baseline and A1B in Wuxuan catchment of corrected PRECIS

3.1.2月降水統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)PRECIS氣候模式預(yù)估的武宣站集水區(qū)A1B情景下多年平均月降水較基準(zhǔn)年的變化情況，結(jié)果如圖2所示。

圖2 PRECIS氣候模式預(yù)估武宣站集水區(qū)A1B情景下多年平均月降水較基準(zhǔn)年變化值Fig.2 The changes of simulated monthly precipitation under baseline and A1B in Wuxuan catchment of corrected PRECIS

結(jié)果表明，除7月之外，主汛期其他月份的降水均呈顯著上升趨勢(shì)，枯季11月和12月降水明顯減小，1、2月降水變化不明顯。

3.2 氣溫變化分析

3.2.1月平均氣溫統(tǒng)計(jì)

圖3和圖4分別統(tǒng)計(jì)了武宣站以上集水區(qū)經(jīng)簡(jiǎn)單誤差修正方法修正后A1B情景月平均最高氣溫和月平均最低氣溫與基準(zhǔn)年的比較情況。

多年月平均最高氣溫、最低氣溫均呈現(xiàn)顯著升高趨勢(shì)，圖3顯示未來(lái)情景下高溫季節(jié)(4-8月)月平均最高氣溫的升高幅度大于其他月份；圖4 顯示低溫季節(jié)(10-1月)的平均最低氣溫升高幅度偏小。因此，未來(lái)情景下最高月平均氣溫與最低月平均氣溫間差值可能會(huì)增大。

圖3 修正后PRECIS模式預(yù)估武宣站集水區(qū)A1B情景月平均最高氣溫與基準(zhǔn)年比較Fig.3 The changes of simulated monthly highest temperature under baseline and A1B in Wuxuan catchment of corrected PRECIS

圖4 修正后PRECIS模式預(yù)估武宣站集水區(qū)A1B情景月平均最低氣溫與基準(zhǔn)年比較Fig.4 The changes of simulated monthly lowest temperature under baseline and A1B in Wuxuan catchment of corrected PRECIS

3.2.2極端氣溫

將武宣站集水區(qū)歷史日最高(最低)氣溫由小到大排序，取不超越概率為95%(5%)所對(duì)應(yīng)的日最高(低)氣溫作為閾值，高于(低于)此氣溫閾值為極端高溫(低溫)，統(tǒng)計(jì)經(jīng)SBC方法修正的PRECIS數(shù)據(jù)基準(zhǔn)年和A1B情景極端氣溫事件的年均發(fā)生頻數(shù)(見(jiàn)表2)。

表2 修正后武宣站集水區(qū)基準(zhǔn)年和A1B情景極端高溫和低溫事件發(fā)生頻數(shù)Tab.2 The occurrence frequency of extreme heat and extreme cold under baseline and A1B in Wuxuan catchment

如表2所示， SBC方法修正后的PRECIS模型數(shù)據(jù)顯示，西江流域武宣站以上積水區(qū)域A1B情景下極端高溫事件的發(fā)生頻數(shù)均較基準(zhǔn)年明顯增加；A1B情景下極端低溫事件的發(fā)生頻數(shù)均較基準(zhǔn)年減少，受全球氣候變暖趨勢(shì)的影響，西江流域氣溫呈明顯的上升趨勢(shì)，未來(lái)極端低溫事件發(fā)生頻率可能減少，但極端高溫事件的發(fā)生頻率將顯著增加。而日最高、最低氣溫與水文模型蒸散發(fā)計(jì)算緊密聯(lián)系，并進(jìn)而影響徑流的模擬。因此，模型預(yù)估到的氣溫變化也預(yù)示著未來(lái)情景下流域徑流的變化。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用簡(jiǎn)單誤差修正方法對(duì)PRECIS氣候模式下西江流域未來(lái)情景(2011-2040年)下氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行修正，并與基準(zhǔn)年(1961-1990年)比較，結(jié)果表明，流域年均降水有增加趨勢(shì)，且趨于離散；流域月均降水在汛期(除7月份)有顯著增加，在枯季有減小趨勢(shì)；年均氣溫和月均氣溫均呈升高趨勢(shì)，極端高溫的發(fā)生頻數(shù)顯著增加。綜上，根據(jù)氣候模型預(yù)估結(jié)果，由于氣溫和降水的氣候變率加大，2011-2040年西江流域出現(xiàn)高溫、干旱、洪澇等異常天氣事件的可能性增大。

西江流域面積大，氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)影響頻繁，因此，研究不同氣候模式下氣候變化情況，將為西江流域徑流變化研究以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展特別是為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性發(fā)展、水資源的有效利用和調(diào)配等提供決策依據(jù)。此外，本研究還將在防洪減災(zāi)、趨利避害，促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展等方面都具有非常重要的意義[14]。

本文中只是初步分析了考慮溫室氣體排放的SRES A1B情景下西江流域氣候變化的響應(yīng)。在以后的工作中，應(yīng)分析同時(shí)考慮溫室氣體增溫效應(yīng)和氣溶膠輻射效應(yīng)的SRES各情景下流域氣候變化的響應(yīng)。目前工作中只采用PRECIS一個(gè)氣候模式模擬氣候變化，未來(lái)工作中可以進(jìn)行多個(gè)氣候模式模擬，將結(jié)果對(duì)比，分析氣候變化的多種可能情形。

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[1] IPCC．Summary for policymakers of climate change 2007: the physical science basis: contribution of working group i to the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate Change[M]．Cambridge: Cambridge University Press，Cambridge，United Kingdom and New York，NY，USA，2007．

[2] Dore M H．Climate change and changes in global precipitation patterns: what do we know?[J]．Environment international， 2005，31(8):1 167-1 181．

[3] Fowler H J，Blenkinsop S，Tebaldi C．Linking climate change modeling to impacts studies: recent advances in downscaling techniques for hydrological modeling[J]．International Journal of Climatology，2007，27(12)：1 547-1 578．

[4] 馮錦明，符淙斌．不同區(qū)域氣候模式對(duì)中國(guó)地區(qū)溫度和降水的長(zhǎng)期模擬比較[J]．大氣科 學(xué)，2007，31(5)：805-814．

[5] 許吟隆，張 勇，林一驊，等．利用PRECIS分析SRES B2情景下中國(guó)區(qū)域的氣候變化響應(yīng)[J]．科學(xué)通報(bào)，2006，51(17)：2 068-2 074．

[6] 許吟隆， Jones R．利用再分析數(shù)據(jù)驗(yàn)證PRECIS對(duì)中國(guó)區(qū)域氣候的模擬能力. 中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象， 2004， 25(1): 5-9．

[7] 何 慧，陸 虹，歐 藝．1959-2008年廣西西江流域洪澇氣候特征[J]．氣候變化研究進(jìn)展，2009，5(3)：134-138．

[8] 張永領(lǐng)，何 桐，高全洲．西江流域氣溫變化的氣候特征分析[J]．資源學(xué)報(bào)，2006，28(3)：30-36．

[9] 朱穎潔，郭純青，黃夏坤．廣西西江流域降水極值趨勢(shì)分析[J]．水文，2012，32(2)：72-77．

[10] 許吟隆，黃曉瑩，張 勇，等．PRECIS對(duì)華南地區(qū)氣候模擬能力的驗(yàn)證[J]. 中山大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，46(5)：93-97．

[11] IPCC，Climate Change 2001：The Scientific Basis，Contribution of Working GroupⅠto the Third Assessment Report of Intergovernmental Panel on Climate Change，Cambridege：Cambridge University Press，2001．

[12] Jones R G，Noguer M，Hassell D C，et al. Generating high resolution climate change scenarios using PRECIS，Met Office Hadley Centre，Exeter，UK， 2004.

[13] 馬 沖，高希超，許月萍. 基于降雨溫度偏差糾正的金華江流域未來(lái)地表徑流預(yù)估[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2014，33(5)：20-27.

[14] 朱穎潔, 郭純青, 黃夏坤．氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)影響下西江梧州站降水徑流演變研究[J]. 水文，2010，30(3)：50-55.