張珂銘 , 范廣洲

（成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院/高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610225）

引言

近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，全球溫度升高和全球變暖成為了其氣候變化的主要特點(diǎn)，并且未來(lái)全球大部分地區(qū)的極端高溫日數(shù)將會(huì)增加，強(qiáng)度還會(huì)增強(qiáng)。而在如今全球變暖的氣候背景下，青藏高原作為地球的“第三級(jí)”、世界上最大的高原，也是氣候變化的敏感和脆弱區(qū)[1]，其復(fù)雜的地形和獨(dú)特的氣候特點(diǎn)一直以來(lái)是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)[2?3]。近幾十年來(lái)青藏高原上空的年平均溫度、季平均溫度在空間上都具有較高的一致性，并且在對(duì)流層（500～250hPa）和對(duì)流層上層至平流層下層（150hPa及以上）年平均溫度的變化是不同的[4]。從時(shí)間尺度上看，高原上空以150hPa為分界線，溫度的變化趨勢(shì)不同；從空間尺度上看，在高原的不同區(qū)域，其溫度的變化幅度也存在差異，并且各個(gè)氣層溫度都存在較為突出的年際和年代際變化[5]。何冬燕等[6]的研究表明：青藏高原四季的地表溫度主要呈一致變化，均為升高趨勢(shì)；在秋季，高原的東部和西部，其地表溫度呈現(xiàn)比較顯著的反向變化趨勢(shì)，但總體趨勢(shì)是下降的。而周婷等[7]的研究也發(fā)現(xiàn)高原的溫度變化存在明顯的年代際特征。

長(zhǎng)期以來(lái)，氣候模擬以及氣候變化和未來(lái)的預(yù)估這一系列研究工作都是通過(guò)氣候模式這一重要工具進(jìn)行的[8?10]。為了提升對(duì)未來(lái)氣候變化的預(yù)估能力，CMIP5模式設(shè)計(jì)增加了一系列實(shí)驗(yàn)來(lái)充實(shí)現(xiàn)有的理論[11]。在經(jīng)歷了CMIP1、CMIP2、CMIP3等發(fā)展階段后，CMIP5模式到如今已經(jīng)囊括了60多種模式，更高的時(shí)空分辨率、更完善的參數(shù)化方案和更強(qiáng)大的模擬能力相較于前期有了巨大的提升[12?13]。目前已有不少學(xué)者利用CMIP5模式對(duì)我國(guó)各區(qū)域進(jìn)行了分析評(píng)估，且研究進(jìn)展巨大。Xu 等[14]認(rèn)為模式對(duì)于地表溫度的模擬效果呈負(fù)偏差而降水的模擬效果則存在正偏差。郭彥等[15]通過(guò)評(píng)估25個(gè)CMIP5模式對(duì)我國(guó)年平均地表溫度的模擬能力后，對(duì)CMIP5 模式的模擬能力進(jìn)行了肯定。Su 等[16]評(píng)估了 其中24 個(gè)CMIP5氣候模式對(duì)青藏高原地區(qū)地表溫度和降水的模擬能力，驗(yàn)證了Xu等[14]的結(jié)論。段思汝等[5]和胡岑等[17]的研究發(fā)現(xiàn)：雖然CMIP5 模式對(duì)高原地區(qū)的地表溫度具有不錯(cuò)的模擬能力，但對(duì)于降水的模擬結(jié)果不理想，而溫度的模擬相較觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果也存在一定程度上的冷偏差。為了對(duì)未來(lái)的氣候變化進(jìn)行預(yù)估，通過(guò)新的典型濃度路徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，能夠較好地預(yù)估未來(lái)氣候變化的走向，而這些排放路徑主要有RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0、RCP8.5四種情景[18?19]。吳昊旻等[20]就利用了氣候模式BCC-CSM1.1的歷史試驗(yàn)資料和4類典型濃度路徑下未來(lái)預(yù)估試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)2011～2060年中亞地區(qū)年平均溫度的時(shí)空演變特征進(jìn)行了預(yù)估模擬。但受到青藏高原地形復(fù)雜以及東部季風(fēng)區(qū)氣候變化程度敏感的影響，氣候時(shí)空變率大，早期氣候模式的能力還存在著不足之處，諸如模擬地表溫度的冷偏差和對(duì)降水的高估，特別是模式誤差在青藏高原地區(qū)存在放大現(xiàn)象[21?25]。本文擬利用1980～2005年英國(guó)東英吉利亞大學(xué)的CRU觀測(cè)資料和模式的歷史資料集合平均得到年平均溫度變化趨勢(shì)，結(jié)合泰勒診斷，對(duì)青藏高原地表溫度及其變化趨勢(shì)進(jìn)行觀測(cè)與模式模擬，從而對(duì)高原未來(lái)的地表溫度進(jìn)行預(yù)估。

1 資料和方法

觀測(cè)資料使用的是英國(guó)東英吉利亞（East Anglia）大學(xué)的 CRU (Climatic Research Unit) 1980～2005 年全球陸面月平均地表數(shù)據(jù)集，其空間水平分辨率是1°×1°。表1歸納了這些模式試驗(yàn)的基本信息，本文選取的模式資料是CMIP5模式中29個(gè)模式歷史模擬的1980～2005年歷史氣候模擬試驗(yàn)（簡(jiǎn)稱Historical試驗(yàn)），將其溫度數(shù)據(jù)通過(guò)雙線性插值法插值到CRU資料分辨率為1°×1°的網(wǎng)格上，再對(duì)其模式結(jié)果進(jìn)行分析。本文研究時(shí)間段為1980～2005年，而研究范圍為25°～40°N 和 70°～110°E的青藏高原地區(qū)。在模式的模擬能力測(cè)評(píng)過(guò)程中，本文先結(jié)合CRU觀測(cè)資料和CMIP5中29個(gè)模式對(duì)青藏高原年平均地表溫度進(jìn)行模擬，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了年平均地表溫度的趨勢(shì)模擬，同時(shí)為了驗(yàn)證各模式模擬場(chǎng)與觀測(cè)場(chǎng)的相關(guān)程度，驗(yàn)證模式穩(wěn)定性，進(jìn)行了泰勒診斷。利用多模式集合平均分析各個(gè)模式對(duì)于高原年平均地表溫度的模擬情況，最后再在三種不同濃度排放的情景下對(duì)高原未來(lái)的地表溫度進(jìn)行模擬預(yù)估，最后得出結(jié)論。

表1 CMIP5模式中29個(gè)氣候模型的基本信息

2 青 藏 高 原 年 平 均 地 表 溫 度 變 化 特 征 和趨勢(shì)

2.1 CMIP5模式對(duì)青藏高原年平均地表溫度的模擬評(píng)估

如圖1，從觀測(cè)場(chǎng)結(jié)果來(lái)看，青藏高原北部比南部的溫度更低，在高原西北部顏色最深，為其低溫中心。而CMIP5中選取的模式還是能夠較好的模擬出年平均地表溫度的分布特征。但需要注意的是，CMIP5絕大多數(shù)模式模擬出來(lái)的結(jié)果相較于觀測(cè)資料均系統(tǒng)性偏低，并且冷區(qū)的范圍更大，出現(xiàn)了負(fù)偏差。其中CNRM-CM5、CNRM-CM5-2、IPSL-CM5A-LR、IPSLCM5A-MR、IPSL-CM5B-LR、MIROC4h、MIROC-ESM、MIROC-ESM-CHEM、MRI-CGCM3、MRI-ESM1這些模式模擬出的結(jié)果呈現(xiàn)的負(fù)偏差相對(duì)于其他模式來(lái)說(shuō)更明顯一些，在冬夏兩季尤為突出。如圖2a，GFDLCM3、GISS-E2-H、GISS-E2-R、IPSL-CM5A-LR、IPSLCM5A-MR、IPSL-CM5B-LR、MIROC-ESM、MIROCESM-CHEM這幾個(gè)模式在夏季出現(xiàn)了較為明顯的負(fù)偏差，而CanESM2的模擬結(jié)果相對(duì)于觀測(cè)結(jié)果又略高；如圖2b，所有29個(gè)模式在冬季的模擬結(jié)果相較于觀測(cè)結(jié)果均出現(xiàn)負(fù)偏差，只有CMCC-CESM這個(gè)模式的模擬結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果最為接近，但模擬的冷渦中心較觀測(cè)結(jié)果有所南移。上述分析表明，雖然模式的整體模擬能力仍有欠缺，但是其地表溫度的模擬結(jié)果較觀測(cè)數(shù)據(jù)的總體冷偏差與之前的氣候模式是相同的，并且偏差幅度也大致相似[12?13]。而整體來(lái)說(shuō)高原西部（90°E以西）模擬的負(fù)偏差相較于高原東部來(lái)說(shuō)更明顯一些。同時(shí)，年平均溫度模擬效果較好的幾個(gè)模式（ACCESS1.0、ACCESS1.3、CMCC-CESM）在季節(jié)平均的模擬效果也比其他模式更接近于觀測(cè)結(jié)果。

圖1 1980～2005年青藏高原年平均地表溫度觀測(cè)以及CMIP5多模式模擬結(jié)果

圖2 1980～2005年青藏高原季平均地表溫度觀測(cè)與CMIP5多模式模擬結(jié)果（a. 夏季，b. 冬季）

那么是否年平均地表溫度模擬結(jié)果較好的模式，就一定會(huì)在季平均地表溫度的模擬中與觀測(cè)結(jié)果吻合程度更高且效果更好呢？泰勒?qǐng)D(Taylor diagram)是判定和比較模式模擬出來(lái)的結(jié)果與觀測(cè)值偏差程度的研究工具，通過(guò)空間相關(guān)系數(shù)、均方差和變化的振幅來(lái)體現(xiàn)[26]。

如圖3所示，所選取的29個(gè)模式相關(guān)系數(shù)區(qū)間為0.7～0.95，模擬結(jié)果與觀測(cè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差之比在0.73～1.35這個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)，也就是說(shuō)每個(gè)模式都能夠較好模擬出青藏高原地區(qū)年平均地表溫度的空間變率。從單個(gè)模式上來(lái)看，對(duì)青藏高原年平均地表溫度氣候模擬結(jié)果較好的幾個(gè)模式是ACCESS1.0、CMCCCM、CNRM-CM5、HadGEM2-CC、MPI-ESM-MR，而MIROC-ESM-CHEM模式的模擬結(jié)果與觀測(cè)場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)差之比幾乎接近1.5，說(shuō)明此模式對(duì)于青藏高原年平均地表溫度的總體模擬能力有限。

圖3 CMIP5模式對(duì)青藏高原年平均氣溫的模擬結(jié)果相對(duì)于觀測(cè)結(jié)果的Taylor圖

如春季的泰勒診斷圖所示（圖4a），模式的相關(guān)系數(shù)范圍區(qū)間為0.71～0.93，離散程度較夏季更為收斂，且大部分模式的標(biāo)準(zhǔn)差之比落在1周圍，說(shuō)明整體對(duì)空間變率的模擬效果還是不錯(cuò)的，且在年平均模擬表現(xiàn)較好的模式，同樣在春季保持著比較好的模擬結(jié)果。如夏季的泰勒診斷圖所示（圖4b），總體的模擬結(jié)果相較年平均都有不同程度的偏差，空間相關(guān)系數(shù)降低到0.7～0.92，并且標(biāo)準(zhǔn)差之比的離散程度開(kāi)始變大，而且在年平均模擬結(jié)果中模擬能力稍差的IPSL-CM5AMR這個(gè)模式在夏季的相關(guān)系數(shù)的偏差更大，說(shuō)明模式模擬也會(huì)受到高原溫度差異的影響。如秋季的泰勒診斷圖所示（圖4c），模式的模擬效果最好，整體的空間相關(guān)系數(shù)在0.8～0.95這個(gè)范圍，而效果較好的幾個(gè)模式空間相關(guān)系數(shù)更是達(dá)到了0.9～0.95，模擬結(jié)果與觀測(cè)場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)差之比接近1的模式較其他季節(jié)更多，其中以CMCC-CM模式在秋季的模擬效果最好，和年平均模擬呈現(xiàn)的結(jié)果相吻合。如冬季的泰勒診斷圖所示（圖4d），雖然空間相關(guān)系數(shù)有所下滑，但是模擬與觀測(cè)場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)差之比的值收斂程度較高。通過(guò)對(duì)比評(píng)估模式模擬的青藏高原年平均和季平均溫度空間變率，結(jié)果反映出青藏高原氣候的季節(jié)性差異會(huì)對(duì)模擬的效果產(chǎn)生一定的影響。但從總體上來(lái)看，年平均地表溫度模擬情況較好和季節(jié)平均的模擬情況呈正相關(guān)，即在年平均溫度上表現(xiàn)較好的模式，季平均模擬的表現(xiàn)也比較客觀，尤其是MIROC-ESMCHEM模式最為明顯；反之亦然。

圖4 CMIP5模式對(duì)青藏高原季平均地表溫度的模擬結(jié)果相對(duì)于觀測(cè)結(jié)果的Taylor圖（a. 春季，b. 夏季，c. 秋季，d. 冬季）

2.2 CMIP5模式對(duì)青藏高原年平均和季平均地表溫度變化趨勢(shì)的模擬評(píng)估

如圖5所示，對(duì)比青藏高原年平均地表溫度變化趨勢(shì)的觀測(cè)結(jié)果與CMIP5中29個(gè)模式的模擬結(jié)果可知，主要的年平均地表溫度溫變化表現(xiàn)為增溫，這是溫室效應(yīng)影響下全球變暖導(dǎo)致的結(jié)果；大部分的模式模擬結(jié)果與CRU觀測(cè)結(jié)果吻合，并且高原西部比東部的上升趨勢(shì)更明顯，達(dá)到了0.04～0.06°C/10a左右；但值得注意的是，GFDL-CM3和ACCESS1.0模式出現(xiàn)了比較明顯的偏差，高原東部的上升趨勢(shì)比西部更顯著，而CanESM2這個(gè)模式顯示出的增溫趨勢(shì)則集中在高原中部。在夏季（圖6a），MRI-CGCM3對(duì)于高原西部的模擬出現(xiàn)了下降趨勢(shì)，偏差較大；MIROCESM-CHEM模式對(duì)于高原東部溫度的模擬有所夸大。在冬季（圖6b），有13個(gè)模式夸大了青藏高原的增溫速率；同樣也是MIROC-ESM-CHEM這個(gè)模式，在高原北側(cè)呈現(xiàn)的溫度變化趨勢(shì)不升反降，模擬表現(xiàn)較差。

圖5 CRU資料與CMIP5中29個(gè)氣候模式模擬的青藏高原年平均地表溫度變化趨勢(shì)對(duì)比

圖6 CRU資料及CMIP5中29個(gè)氣候模式模擬的青藏高原季平均地表溫度變化趨勢(shì)對(duì)比（a. 夏季，b. 冬季）

通過(guò)上述分析發(fā)現(xiàn)：在季節(jié)平均中出現(xiàn)偏差的模式相較于年平均有所增加，一方面說(shuō)明季節(jié)性差異對(duì)于模擬的效果有一定影響，另一方面說(shuō)明可能模式對(duì)于溫度趨勢(shì)的模擬效果不如對(duì)溫度的模擬效果穩(wěn)定；而且大部分模擬的趨勢(shì)結(jié)果相對(duì)于觀測(cè)結(jié)果來(lái)說(shuō)偏高，也就是說(shuō)模式模擬出的趨勢(shì)超出實(shí)際觀測(cè)的趨勢(shì)，這也和近年來(lái)全世界做出的一系列防止全球變暖的措施有關(guān)。

2.3 青藏高原年、季平均地表溫度觀測(cè)結(jié)果與模式模擬集合平均的對(duì)比

如圖7和圖8所示，觀測(cè)資料顯示青藏高原年平均地表溫度從-1.5℃開(kāi)始波動(dòng)，但是總體是呈現(xiàn)增溫趨勢(shì)的，在1999年年平均地表溫度達(dá)到研究范圍的峰值，高于?1℃；而MMM模式集合平均模擬的年平均地表溫度，雖然同觀測(cè)資料一樣呈上升趨勢(shì)，但是比觀測(cè)結(jié)果低了2.6℃左右。由歐洲中心提供的兩個(gè)模式ACCESS1.0和ACCESS1.3的模擬精度最高，與觀測(cè)場(chǎng)最為接近，模擬效果最好。近三分之二的模式模擬精度較多模式集合平均效果更好，這也說(shuō)明大多模式對(duì)于青藏高原年平均地表溫度的模擬表現(xiàn)較為理想。

圖7 青藏高原年平均地表溫度的觀測(cè)結(jié)果與CMIP5中26個(gè)氣候模式模擬結(jié)果及其集合平均的對(duì)比（紅線為所有模式集合平均）

圖8 青藏高原季平均地表溫度的觀測(cè)結(jié)果與CMIP5中26個(gè)氣候模式模擬結(jié)果及其集合平均的對(duì)比（a. 夏季，b. 冬季；紅線為所有模式集合平均）

在冬夏兩季，增溫還是高原地表溫度變化趨勢(shì)的主旋律，但冬季溫度變化趨勢(shì)在1995年有明顯的向下波動(dòng)，并且多模式集合平均的溫度比觀測(cè)資料的溫度普遍低了2.6℃左右，和年平均地表溫度對(duì)比結(jié)論相吻合。在夏季，GISS-E2-H模式與觀測(cè)場(chǎng)數(shù)據(jù)和MMM多模式集合平均溫度相比，對(duì)高原地區(qū)的溫度模擬明顯低估，和前文的模擬結(jié)果一致。在不同季節(jié)，部分模式模擬結(jié)果出現(xiàn)波動(dòng)的幅度稍大，也印證了青藏高原季節(jié)性變化是影響模式模擬結(jié)果的重要因素之一。

3 未來(lái)不同排放情景下青藏高原年平均地表溫度差異隨時(shí)間的變化

圖9給出了青藏高原地區(qū)在3種不同排放情景下未來(lái)近百年相對(duì)于1980～2005年的升溫幅度，從圖中可知，未來(lái)3種不同典型濃度排放情景下的年平均地表溫度均有所升高，到21世紀(jì)末期，低濃度情景下的增溫趨勢(shì)最小，約升高1.5℃，而中濃度情景和高濃度情景下的溫度上升幅度均超過(guò)3℃，分別為3.2℃和6.5℃。

圖9 不同排放情景下青藏高原年平均地表溫度差異隨時(shí)間的變化

在RCP2.6低濃度模式下，多模式集合平均預(yù)估的青藏高原年平均地表溫度變化趨勢(shì)為先升高，但升高幅度逐步放緩，其中模式平均預(yù)估的升溫峰值出現(xiàn)在21世紀(jì)40年代后期和21世紀(jì)60年代中期；模式預(yù)估的升溫范圍在0.8～2.6℃，略高于全球溫度變化趨勢(shì)，說(shuō)明21世紀(jì)青藏高原升溫有可能控制在2℃之內(nèi)。

在RCP4.5中濃度模式下，多模式集合平均預(yù)估的青藏高原年平均地表溫度變化趨勢(shì)也是逐漸升高；但從21世紀(jì)70年代后期開(kāi)始，升溫幅度會(huì)趨于平緩，并逐步控制在3.2℃左右，升溫峰值出現(xiàn)在21世紀(jì)50年代中后期，從21世紀(jì)80年代后期開(kāi)始升溫幅度開(kāi)始穩(wěn)定在3℃左右。

在RCP8.5高濃度模式下，多模式集合平均預(yù)估的青藏高原年平均地表溫度變化趨勢(shì)則是快速升高；到21世紀(jì)末期，多模式集合平均的上升值突破了6℃，明顯高于RCP2.6低濃度模式和RCP4.5中濃度模式的預(yù)估結(jié)果；從2076年開(kāi)始，升溫值就已經(jīng)達(dá)到了5℃，并且隨著時(shí)間推移，增溫趨勢(shì)呈現(xiàn)連續(xù)上升，增溫幅度持續(xù)加大，并且極有可能突破6.5℃，接近于全球增溫?cái)?shù)值的兩倍；這也說(shuō)明高濃度排放情景下青藏高原對(duì)于增溫響應(yīng)非常敏感。

4 結(jié)論

本文通過(guò)CRU提供的1980～2005 年全球陸面月平均地面數(shù)據(jù)集以及CMIP5中29個(gè)模式的Historical試驗(yàn)，對(duì)25°～40°N 和 70°～110°E青藏高原主體地區(qū)的年、季平均地表溫度及其變化趨勢(shì)進(jìn)行了模擬分析，再利用多模式集合平均對(duì)比分析了各模式模擬青藏高原地區(qū)地表溫度的效果，最后在三種不同濃度排放情況下對(duì)青藏高原未來(lái)的地表溫度變化進(jìn)行了預(yù)估。結(jié)論如下：

（1）CMIP5的模式能夠較好地模擬出青藏高原年平均地表溫度，但是模擬結(jié)果較觀測(cè)結(jié)果而言總體偏低，偏差值大約在2.6°C。同時(shí)在季平均的模擬上也存在類似的負(fù)偏差，冬季尤為明顯，并且90°E以西的高原西部比東部的低溫情況更加顯著。

（2）高原90°E以西的地區(qū)比東部的升溫趨勢(shì)更大，達(dá)到了0.04～0.06°C/10a，但是模式模擬溫度比觀測(cè)資料而言也是呈現(xiàn)負(fù)偏差，模式模擬的能力還需要進(jìn)一步提升。

（3）模式對(duì)高原年平均和季平均地表溫度的模擬能力呈現(xiàn)正相關(guān)，在年平均模擬較好的模式在季平均的模擬中效果也比較理想；反之亦然。

（4）模式集合平均的模擬能力總體優(yōu)于單個(gè)模式，無(wú)論是對(duì)于年平均地表溫度還是季平均地表溫度，同時(shí)模式的擇優(yōu)篩選也有利于模擬結(jié)果的精準(zhǔn)化，即對(duì)模擬效果較好的單個(gè)模式進(jìn)行擇優(yōu)選取再進(jìn)行集合平均，所得結(jié)果肯定優(yōu)于未擇優(yōu)結(jié)果。同時(shí)MMM模式集合平均同樣存在季節(jié)性差異。

（5）青藏高原未來(lái)的增溫趨勢(shì)與外輻射強(qiáng)迫的強(qiáng)度呈正相關(guān)，高原地區(qū)對(duì)高濃度排放情景下的增溫效應(yīng)比中低濃度更加劇烈，并且升溫值在21世紀(jì)末極有可能突破6.5℃。