黃 亞，肖偉華，侯保燈，侯貴兵

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；2.河海大學(xué)海洋學(xué)院，江蘇 南京 210098；3.中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510610)

0 引 言

近年來(lái)，隨著氣溫的顯著升高，區(qū)域降水時(shí)空分布特征也發(fā)生了變化[1-3]。以洪水、干旱或其他災(zāi)害為代表的極端氣候和天氣事件頻繁發(fā)生[4-5]，并對(duì)農(nóng)業(yè)、能源、森林植被、城市建設(shè)、水資源與環(huán)境產(chǎn)生直接或間接影響[6-7]。準(zhǔn)確理解和預(yù)測(cè)降水變化特征對(duì)于水資源的有效管理，應(yīng)對(duì)氣候變化的各種風(fēng)險(xiǎn)，制定適應(yīng)和減緩氣候變化的應(yīng)對(duì)措施至關(guān)重要[8]。

長(zhǎng)江上游流域占長(zhǎng)江全流域面積約59%，由于同時(shí)受到南亞季風(fēng)和東亞季風(fēng)的影響，擁有獨(dú)特的復(fù)雜區(qū)域氣候和降水機(jī)制[9-10]，是我國(guó)洪水災(zāi)害的多發(fā)地區(qū)。區(qū)域氣候模式RegCM4作為中小尺度天氣氣候以及水文變化研究的有效工具已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)江流域。在以往的研究中，預(yù)測(cè)未來(lái)長(zhǎng)江流域降水量和強(qiáng)降水事件的發(fā)生概率將有所增加，但降水變化在流域內(nèi)不同地區(qū)差異很大[11-13]。這些研究主要關(guān)注對(duì)長(zhǎng)江流域的年尺度或季節(jié)尺度降水量的定量評(píng)估和遠(yuǎn)期預(yù)測(cè)，對(duì)高頻降水的未來(lái)預(yù)估關(guān)注較少。為了有效管理水資源、應(yīng)對(duì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，制定災(zāi)害預(yù)防措施，更短時(shí)間尺度的分析就變得至關(guān)重要。氣候變化帶來(lái)的各種潛在風(fēng)險(xiǎn)，如短歷時(shí)強(qiáng)降水引起的城市內(nèi)澇、大壩潰壩、干旱等，需進(jìn)一步深入理解和預(yù)估在小時(shí)間尺度上不同降水類型的變化特征。

本研究采用CSIRO-MK3.6.0和MPI-ESM-MR驅(qū)動(dòng)RegCM4，預(yù)估21世紀(jì)中期(2021年～2050年)在2種RCPs情景下的長(zhǎng)江上游流域夏季降水變化特征，并對(duì)引起流域降水時(shí)空變化的原因進(jìn)行討論分析。該研究可加深對(duì)氣候變化下長(zhǎng)江上游流域降水變化特征的認(rèn)識(shí)，為進(jìn)一步制定適應(yīng)性措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)來(lái)源

RegCM4是由意大利國(guó)際理論物理中心開(kāi)發(fā)的區(qū)域氣候模型[14]，該模型已廣泛用于東亞區(qū)域氣候模擬。本研究采用高學(xué)杰等[15]針對(duì)中國(guó)的RegCM4配置方案，該方案對(duì)中國(guó)氣候具有良好的模擬能力。模型模擬區(qū)涵蓋整個(gè)東亞地區(qū)，研究區(qū)僅取長(zhǎng)江上游流域相關(guān)區(qū)域(見(jiàn)圖1)。本研究中將基準(zhǔn)期和未來(lái)期分別設(shè)為1971年～2000年和2021年～2050年。未來(lái)期與基準(zhǔn)期的差異被認(rèn)為是長(zhǎng)江上游流域在21世紀(jì)中期的降水變化。

圖1 研究區(qū)地形及子區(qū)域劃分

研究采用澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織研制的CSIRO-MK3.6.0[16]以及德國(guó)馬克斯普朗克研究所研制的MPI-ESM-MR[17]的歷史情景、RCP4.5以及RCP8.5情景結(jié)果作為模型側(cè)邊界場(chǎng)；同時(shí)，采用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心研發(fā)的ERA-Interim再分析數(shù)據(jù)[18]評(píng)估不同側(cè)邊界場(chǎng)對(duì)基準(zhǔn)期降水模擬結(jié)果的影響。為評(píng)估ERA-Interim(簡(jiǎn)稱“RG_ERA”)、CSIRO-MK3.6.0(簡(jiǎn)稱“RG_CS”)以及MPI-ESM-MR(簡(jiǎn)稱“RG_MPI”)為側(cè)邊界條件的動(dòng)力降尺度模擬試驗(yàn)對(duì)當(dāng)前夏季降水的模擬能力，采用CN05.1[19]和CRU[20]觀測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估。采用非參數(shù)Mann-Kendall法[21-22]分析氣象要素變化趨勢(shì)。統(tǒng)計(jì)分析對(duì)流有效位能(CAPE)、對(duì)流抑制能(CIN)有助于判斷長(zhǎng)江上游流域?qū)α骰顒?dòng)變化情況。同時(shí)，統(tǒng)計(jì)連續(xù)干旱日數(shù)(CDD)、CDD周期超過(guò)兩天的數(shù)量(NCDD)以及強(qiáng)降水對(duì)夏季降水總量的貢獻(xiàn)率(Pre90th)用于分析降水變化特征。

2 結(jié)果分析

2.1 降水模擬性能檢驗(yàn)

圖2為觀測(cè)和模擬的基準(zhǔn)期夏季降水量空間分布以及各組試驗(yàn)(RG_ERA、RG_CS以及RG_MPI)相對(duì)于觀測(cè)(CN05.1和CRU)的模擬偏差比。與CN05.1相比，CRU中長(zhǎng)江上游降水低估約20%，在流域東南部降水高估約10%(見(jiàn)圖2c)。如圖2所示，RG_ERA、RG_CS以及RG_MPI動(dòng)力降尺度試驗(yàn)?zāi)軌虿蹲降搅饔蛑饕慕邓臻g格局，但存在于邊界初始場(chǎng)的偏差被引入到試驗(yàn)結(jié)果中。長(zhǎng)江上游流域降水主要集中在東南部，夏季降水量約750～1 000 mm(見(jiàn)圖2a、2b)。如圖2d、2h、2l所示，動(dòng)力降尺度前的3組數(shù)據(jù)在流域中部有明顯的降水中心，且降水量高于觀測(cè)值。與觀測(cè)的夏季降水相比，RegCM4模擬的長(zhǎng)江上游降水總體高估。ERA-Interim降尺度前的降水空間格局與觀測(cè)最為接近；但降尺度后RG_ERA與RG_MPI和RG_CS具有幾乎相同的降水空間格局以及模擬偏差，流域西部降水高估在一倍以上，東部降水低估約10%～20%(見(jiàn)圖2f、2g、2j、2k、2n、2o)。以往的研究表明，RegCM對(duì)降水的模擬有明顯的系統(tǒng)偏差，尤其是在地形復(fù)雜的山區(qū)[23]。

圖2 多年平均夏季降水(mm)空間分布及相應(yīng)偏差百分比(%)

圖3a為流域夏季觀測(cè)(CN05.1)和模擬(RG_EAR、RG_CS以及RG_MPI)的日降水量以及對(duì)流性降水對(duì)日降水的貢獻(xiàn)率。RG_ERA模擬的對(duì)流降水對(duì)總降水的貢獻(xiàn)在6月～7月基本維持在80%～90%，RG_CS和RG_MPI模擬結(jié)果與RG_ERA相似。RegCM4模擬的流域夜間和清晨降水峰值與觀測(cè)較為接近，但模擬的下午時(shí)段(14∶00～18∶00)降水存在高估，并且75%～90%來(lái)源于過(guò)高的對(duì)流降水(見(jiàn)圖3b)。與觀測(cè)相比，所有模擬試驗(yàn)都低估夏季強(qiáng)降水(>25 mm/d)，但高估弱降水(1～10 mm/d)(見(jiàn)圖3c)?？偟膩?lái)說(shuō)，RG_ERA、RG_CS以及RG_MPI 能在一定程度上再現(xiàn)長(zhǎng)江上游夏季降水變化特征，但對(duì)于白天降水存在較大濕偏差。這在以往的研究中也被發(fā)現(xiàn)[24-25]，可能與模型中對(duì)流參數(shù)化方案不完善有關(guān)[26]。

圖3 基準(zhǔn)期降水量及降水強(qiáng)度

2.2 未來(lái)降水變化預(yù)估

圖4為未來(lái)RG_CS和RG_MPI分別在RCP4.5和RCP8.5情景下的夏季降水(TPR)、對(duì)流降水(CPR)以及非對(duì)流降水(NCPR)相對(duì)于基準(zhǔn)期的變化量，框圖為流域夏季降水距平年際趨勢(shì)。與基準(zhǔn)期相比，未來(lái)夏季降水在四川盆地西北部將顯著增加，在盆地東南部將顯著減少(見(jiàn)圖4)。RG_CS和RG_MPI預(yù)估的夏季降水多年平均變化量在RCP4.5情景下分別為0.19 mm/d和0.16 mm/d，在RCP8.5情景下分別為0.1 mm/d和0.08 mm/d(見(jiàn)表1)。RG_CS 和RG_MPI預(yù)估的對(duì)流性降水在RCP4.5情景下分別增加了0.2 mm/d和0.11 mm/d，在RCP8.5情景下分別增加了0.14 mm/d和0.01 mm/d(見(jiàn)表1)。

圖4 夏季降水較基準(zhǔn)期的多年平均變化量(黑點(diǎn)表示變化通過(guò)95%的顯著性水平t檢驗(yàn))

表1 長(zhǎng)江上游流域夏季降水多年平均變化量 mm/d

為了進(jìn)一步分析長(zhǎng)江流域夏季降水類型以及結(jié)構(gòu)變化特征，圖5和圖6分別給出了3個(gè)子區(qū)域的日降水量以及降水強(qiáng)度的變化情況。RegCM4模擬的降水主要發(fā)生在白天下午時(shí)段，對(duì)流降水對(duì)總降水的貢獻(xiàn)超過(guò)80%，而夜間貢獻(xiàn)率減少約30%。RG_MPI 和RG_CS模擬的流域東部、西南部以及西北部的夏季降水與對(duì)流性降水之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.994/0.989，0.906/0.913以及0.978/0.985(p<0.01)。對(duì)流性降水對(duì)流域東部、西南部以及西北部夏季降水的貢獻(xiàn)差異較大。其中，貢獻(xiàn)率最大的東部地區(qū)達(dá)到85%左右，西南部和西北部分別為69%和63%。預(yù)測(cè)長(zhǎng)江上游流域整體的降水空間變化差異明顯，夏季降水在東部以減少為主，而西北部以增加為主，且降水變化在白天通常大于夜間(見(jiàn)圖5)。

圖5 未來(lái)夏季降水日過(guò)程變化

與降水日過(guò)程變化類似，降水強(qiáng)度的變化在流域東西部也存在明顯差異(見(jiàn)圖6)。預(yù)測(cè)流域東部弱降水(<5 mm/d)占總降水的60%以上，并且輕微增加，而大于5 mm/d的降水減少(見(jiàn)圖6a)。西南部夏季弱降水同樣輕微增加；但是弱降水對(duì)夏季降水的貢獻(xiàn)不到20%。5～10 mm/d的降水對(duì)西南部夏季降水貢獻(xiàn)約70%，這部分降水將減少。與東部和西北部相比，西南部25 mm/d強(qiáng)度以上的降水對(duì)總降水貢獻(xiàn)最大，西南部部25 mm/d以上強(qiáng)度降水將增加。西北部弱降水對(duì)夏季降水貢獻(xiàn)約35%，5～10 mm/d和大于10 mm/d的降水分別占總降水的35%和30%。西北部10 mm/d以下降水(占總降水的70%)將減少，而10 mm/d以上的將增加。未來(lái)西部山區(qū)比東部面臨強(qiáng)降水的概率更大，強(qiáng)降水概率增加使得未來(lái)流域西部山區(qū)面臨的自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)增加(如：山體滑坡、泥石流、洪水)。

圖6 未來(lái)夏季降水強(qiáng)度分布

3 討 論

區(qū)域降水主要受水汽及垂直運(yùn)動(dòng)影響[27-28]，這在長(zhǎng)江流域夏季降水中十分明顯[29]。圖7為長(zhǎng)江上游流域面平均緯向風(fēng)、經(jīng)向風(fēng)、垂直速度以及比濕等大氣要素的垂直剖面變化量。西南季風(fēng)所攜帶的大量水汽是流域夏季可降水量的主要來(lái)源[30]，預(yù)測(cè)結(jié)果顯示對(duì)流層低層的風(fēng)速和大氣中的水汽含量都將增加。這有利于產(chǎn)生更多降水(見(jiàn)圖7a、7b、7d)，而垂直上升運(yùn)動(dòng)的減弱會(huì)影響對(duì)流活動(dòng)，進(jìn)而影響對(duì)流降水(見(jiàn)圖7c)。

圖7 未來(lái)夏季氣候要素垂直變化

地形強(qiáng)迫會(huì)加劇大氣中水汽的上升運(yùn)動(dòng)[31]，當(dāng)水汽越過(guò)高山時(shí)，降水量會(huì)隨著坡面上升到特定高度而急劇增加，導(dǎo)致70%以上降水都落在迎風(fēng)坡[32]。因此，流入研究區(qū)內(nèi)的水汽在環(huán)流影響下聚集在四川盆地西部山區(qū)并在地形抬升下在迎風(fēng)坡形成大量降水(見(jiàn)圖4)。然而，地形強(qiáng)迫對(duì)降水的影響有限，如位于流域東南地區(qū)海拔相對(duì)較低的大婁山和方斗山。圖8為RG_CS和RG_MPI模擬的未來(lái)流域東部散度和水汽輸送在850 hPa較基準(zhǔn)期的變化量。就基準(zhǔn)期而言，環(huán)繞四川盆地的山區(qū)水汽輻合，而四川盆地以及流域東南海拔較低的地區(qū)水汽輻散。未來(lái)流域山區(qū)水汽輻合與盆地水汽輻散都將進(jìn)一步增強(qiáng)(見(jiàn)圖8)，表明氣候變化對(duì)于流域山區(qū)降水機(jī)制的作用增強(qiáng)。

圖8 未來(lái)850 hPa高度處的夏季水汽散度和水汽輸送(矢量箭頭)空間分布變化(黑點(diǎn)表示散度變化通過(guò)95%置信水平t檢驗(yàn))

圖9為RG_CS的ΔCIN，ΔCAPE和3個(gè)統(tǒng)計(jì)指數(shù)(ΔCDD、ΔNCDD、ΔPre90th)在RCP4.5和RCP8.5情景下相對(duì)于基準(zhǔn)期的變化散點(diǎn)圖。如圖9所示，ΔCIN與ΔCDD和ΔNCDD存在顯著正相關(guān)性(p<0.01)，與ΔPre90th存在顯著負(fù)相關(guān)性(p<0.01)，而ΔCAPE與這三個(gè)統(tǒng)計(jì)指數(shù)的關(guān)系與ΔCIN相反。在ΔCIN中ΔCDD，ΔNCDD以及ΔPre90th的變化趨勢(shì)明顯高于在ΔCAPE中的變化趨勢(shì)，且ΔPre90th對(duì)ΔCIN的變化最敏感。如圖2e、2i、2m所示，流域東南山區(qū)有明顯雨帶，隨著CIN對(duì)流抑制作用增強(qiáng)，水汽從流域東南邊緣進(jìn)入以后，在方斗山和大婁山地形強(qiáng)迫下不足以達(dá)到新的自由對(duì)流高度，因此使得該地區(qū)降水大量減少，更多可用水汽被輸送到四川盆地西部，為四川盆地西部山區(qū)形成大量降水提供充足的水汽(圖4左列)。

CAPE的變化更依賴于低層水汽含量的變化，CIN則更依賴于溫度的變化[33]。預(yù)測(cè)在RCP情景下的未來(lái)流域氣溫和比濕相比于基準(zhǔn)期均顯著增加。在流域東部氣溫增幅最大，但比濕增幅最小，因而使得流域東部地區(qū)降水受到CIN的影響略大于CAPE。與RCP4.5情景相比，RCP8.5情景下更高的氣溫增幅意味著流域東部區(qū)域受到更強(qiáng)的對(duì)流抑制，導(dǎo)致降水減少(見(jiàn)圖9)。預(yù)測(cè)隨著溫度的升高，流域東西部間的降水空間差異將會(huì)擴(kuò)大，東南地區(qū)干旱少雨的風(fēng)險(xiǎn)增強(qiáng)。

圖9 RG_CS模擬的RCP4.5(a、c、e)和RCP8.5(b、d、f)情景下對(duì)流活動(dòng)指數(shù)與CDD、NCDD和Pre90th散點(diǎn)關(guān)系

4 結(jié) 論

本研究利用CSIRO-MK3.6.0和MPI-ESM-MR作為降尺度試驗(yàn)的初始邊界場(chǎng)預(yù)測(cè)了長(zhǎng)江上游流域21世紀(jì)中期夏季降水在RCP4.5和RCP8.5情景下的變化特征，并且討論了引起降水時(shí)空特征變化的可能原因，主要結(jié)論為：

(1)RG_ERA，RG_CS以及RG_MPI能夠在一定程度上再現(xiàn)長(zhǎng)江上游夏季降水空間分布特征及夜間降水過(guò)程。但西北山區(qū)偏濕80%以上，東部盆地及平原地區(qū)偏干10%～20%，濕偏差主要由對(duì)流降水高估造成。

(2)RG_CS和RG_MPI預(yù)測(cè)在RCP4.5和RCP8.5情景下2021年～2050年間的長(zhǎng)江上游流域夏季降水無(wú)明顯變化趨勢(shì)，多年平均夏季降水較基準(zhǔn)期略有增加。夏季降水在流域東西部變化差異明顯，東部海拔較低的盆地及平原地區(qū)顯著減少，西部山區(qū)則顯著增加。夏季降水變化主要受對(duì)流性降水影響，流域東部降水受對(duì)流性降水的影響最大，且在白天下午時(shí)段變幅最大。

(3)預(yù)測(cè)長(zhǎng)江上游流域西部山區(qū)的強(qiáng)降水事件發(fā)生概率增加，該地區(qū)面臨的洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)增大。在全球變暖背景下，CIN的增強(qiáng)是流域東部地區(qū)降水顯著減少的主要因素，而可用水汽含量的增加則是流域西部山區(qū)降水顯著增加的主要因素。隨著氣溫的進(jìn)一步升高，流域東部和西部的氣候分別趨于暖干和暖濕，這將對(duì)流域地表水文過(guò)程造成巨大的影響。

本研究的結(jié)果依賴于模式的模擬能力，GCM和RCM都存在顯著的系統(tǒng)誤差，這些誤差都可能會(huì)影響未來(lái)降水變化的預(yù)估結(jié)果。此外，該研究中僅利用兩個(gè)GCM分別驅(qū)動(dòng)RegCM4，模擬結(jié)果具有不確定性。未來(lái)將繼續(xù)采用多個(gè)GCM和RCM的交叉組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，有利于評(píng)估模式不確定性對(duì)預(yù)估結(jié)果的可能影響。