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        基于CMIP5的中國西北地區(qū)暖濕化演變研究

        2021-12-22 07:34:34王大剛祝金鑫
        水資源與水工程學(xué)報 2021年5期

        杜 懿, 王大剛, 祝金鑫

        (中山大學(xué) 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院, 廣東 廣州 510275)

        1 研究背景

        自18世紀工業(yè)革命以來,隨著化石能源的大規(guī)模使用,溫室氣體的排放量與日俱增,現(xiàn)已造成全世界范圍內(nèi)的氣候變暖[1]。政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)第五次評估報告顯示,1880-2012年全球平均地表溫度升高了0.85 ℃,且未來仍將繼續(xù)上升,預(yù)計到21世紀末(2081-2100年),全球平均地表溫度將比1986-2005年增加0.3~4.8 ℃[2]。氣候變化會對自然生態(tài)系統(tǒng)和人類社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生重大影響,而通過預(yù)估氣候狀況能夠有效降低未來可能面臨的風(fēng)險和挑戰(zhàn)[3]。區(qū)域氣候?qū)τ谌蜃兣蟊尘暗捻憫?yīng)一直以來都是學(xué)術(shù)界的研究熱點,西北干旱區(qū)作為我國氣候變化的敏感區(qū)域,對其歷史氣候演變進行揭示和未來氣候發(fā)展進行預(yù)估均有著重要的現(xiàn)實意義。

        全球氣候模式(global climate model,GCM)是現(xiàn)階段進行氣候模擬和氣候變化預(yù)估的主要手段,尤其是在未來氣候變化預(yù)估上,GCM更是起到了主導(dǎo)作用[4]。CMIP5 (coupled model inter-comparison project phase 5) 模式自發(fā)布以來,在中國區(qū)域的適用性研究成果豐碩,且多數(shù)研究表明CMIP5模式對于氣候平均態(tài)的模擬效果較好[5-10];另一部分研究則指出,CMIP5模式對于氣溫的模擬能力要優(yōu)于降水,但通過多模式集合處理能夠有效提高模式模擬結(jié)果的可靠性與穩(wěn)定性[11-15]。

        近年來,有關(guān)學(xué)者注意到西北地區(qū)的氣候呈現(xiàn)出較為顯著的變濕趨勢,且主要表現(xiàn)為降水量的增加,但對于區(qū)域未來氣候的發(fā)展預(yù)估卻少有研究[16-18]。此外,以往研究所關(guān)注的氣象因子主要集中在降水上,而對于近地面氣溫和空氣比濕等要素的分析則有所欠缺,很難從整體上把握西北地區(qū)的氣候演變特征。

        鑒于此,為準確了解我國西北地區(qū)在過去和未來時期內(nèi)的氣候演變情況,本文先對研究區(qū)過去40年內(nèi)的氣候變化特征進行分析總結(jié),再基于CMIP5全球氣候模式輸出數(shù)據(jù)來預(yù)估未來不同排放情景下研究區(qū)的氣溫、降水量和近地面空氣比濕等氣象因子的時空演變特征,進而全面揭示西北地區(qū)未來氣候的發(fā)展趨勢。

        2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

        2.1 研究區(qū)概況

        西北地區(qū)地域遼闊,自西向東分別包括新疆維吾爾自治區(qū)、青海省、甘肅省、寧夏回族自治區(qū)和陜西省,總面積約為308×104km2,占全國陸地面積的31.7%,地理范圍介于73°40′~111°15′E,31°36′~48°10′N。由于地處亞歐大陸腹地,除秦嶺以南地區(qū)外大部分地區(qū)降水稀少,全年降水量多在500 mm以下,屬大陸性干旱半干旱氣候和高寒氣候。由于降水稀少、氣候干旱、沙漠廣布等原因,西北地區(qū)的多年平均地表水量約為2 200×108m3,僅占全國總徑流量的8%左右。圖1為西北地區(qū)的地理高程空間分布情況。

        圖1 西北地區(qū)地理高程空間分布示意圖

        2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

        2.2.1 歷史氣候數(shù)據(jù) 本文使用國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心(https://data.tpdc.ac.cn/)提供的中國區(qū)域地面氣象要素驅(qū)動數(shù)據(jù)集[19](China meteorological forcing dataset, CMFD)來分析西北地區(qū)歷史時期內(nèi)(1979-2018年)的氣候演變特征。該數(shù)據(jù)集包括近地面氣溫、近地面氣壓、近地面空氣比濕、近地面全風(fēng)速、地面降水率、地面向下短波輻射和地面向下長波輻射等要素,最高時間分辨率為3 h,水平空間分辨率為0.1°,精度優(yōu)于國際上現(xiàn)有的再分析數(shù)據(jù)集[20]。

        2.2.2 未來氣候數(shù)據(jù) CMIP5是于2008年啟動的新一代全球氣候系統(tǒng)模式,該模式由于采用了更合理的參數(shù)化方案、通量處理方案和耦合器技術(shù),使得模式的模擬、預(yù)估能力得到了較大程度的提高,為預(yù)估未來氣候變化提供了重要的數(shù)值模擬資料[21]。CMIP5根據(jù)輻射強迫變化設(shè)定了不同的典型濃度路徑(representative concentration pathways, RCPs),其中以中等濃度路徑RCP4.5和高等濃度路徑RCP8.5最具代表性[22]。

        本文使用RCP4.5和RCP8.5兩種排放情景下的24個CMIP5氣候模式的輸出數(shù)據(jù)來分析西北地區(qū)未來時期(2021-2100年)的氣候變化狀況,涉及到的氣象因子主要有氣溫、降水量和近地面空氣比濕,各氣候模式的基本信息如表1所示,數(shù)據(jù)來源于https://esgf-node.llnl.gov/projects/esgf-llnl/。由于各模式的水平空間分辨率不盡相同,使用雙線性插值法將全部模式的輸出統(tǒng)一插值到1.0°×1.0°的格點上[23-24]。

        表1 CMIP5全球氣候模式基本信息

        以往研究表明,F(xiàn)IO-ESM、MIROC5、MPI-ESM-LR和MPI-ESM-MR等模式對西北地區(qū)的氣溫模擬能力較好;而CNRM-CM5、IPSL-CM5A-LR、MIROC5和MRI-CGCM3等模式對西北地區(qū)的降水模擬能力較好[25-28]。目前尚未見到有關(guān)CMIP5模式對于西北地區(qū)近地面空氣比濕模擬能力的評估研究,故本文以CMFD數(shù)據(jù)集為基準值,以泰勒圖為綜合評價指標,對ACCESS1-0、ACCESS1-3、CSIRO-Mk3-6-0、FGOALS-s2、GISS-E2-H、GISS-E2-H-CC、GISS-E2-R、GISS-E2-R-CC、HadCM3、HadGEM2-AO、INMCM4、IPSL-CM5A-LR、IPSL-CM5A-MR、IPSL-CM5B-LR、MIROC5、MIROC-ESM、MIROC-ESM-CHEM、MRI-CGCM3、NorESM1-M、NorESM1-ME等模式在歷史期內(nèi)(1979-2005年)的模擬效果進行評價,并從中優(yōu)選出對西北地區(qū)近地面空氣比濕模擬效果較好的全球氣候模式。

        2.3 研究方法

        泰勒圖[29](Taylor diagram)能夠直觀且全面地評估多個CMIP5氣候模式在西北地區(qū)對近地面空氣比濕的模擬能力。其基本原理是利用三角轉(zhuǎn)換關(guān)系將模擬場與觀測場的相關(guān)系數(shù)、均方根誤差以及標準差置于同一張極坐標圖中,當模式點與觀測點之間的歐式距離越近時,即表明該模式的模擬能力越強[30]。為提高CMIP5氣候模式模擬結(jié)果的穩(wěn)定性與可靠性,采用多模式集合平均方法(multi-model ensemble mean, MEM)來降低不同氣候模式對西北地區(qū)各氣象因子模擬的系統(tǒng)偏差,其中等權(quán)集合平均是目前使用最為廣泛的集合平均方法之一。在評價氣象因子時間序列的趨勢顯著性時,綜合采用Spearman秩次相關(guān)檢驗法和Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法[31];在檢測氣象因子時間序列的突變點時,綜合采用滑動t檢驗、有序聚類分析、Lee-Heghinian檢驗和Pettitt檢驗[32];在判斷氣象因子時間序列的趨勢持續(xù)性時,使用Hurst指數(shù)[33]來進行描述;在表征氣象因子時間序列的年內(nèi)分配不均勻性時,采用降水集中度[34]和基尼系數(shù)[35]兩個量化指標來進行分析。

        3 結(jié)果分析與討論

        3.1 歷史時期西北地區(qū)氣候變化特征

        通過分析1979-2018年西北地區(qū)的氣溫、降水量和近地面空氣比濕來綜合反映研究區(qū)歷史時期內(nèi)的氣候演變特征。若氣溫升高,則說明氣候在逐漸變暖;若降水量和空氣比濕增加,則說明氣候變得愈加濕潤。

        3.1.1 時間尺度氣候變化 1979-2018年西北地區(qū)逐年平均氣溫、降水量和近地面空氣比濕的變化過程見圖2,該3個氣象因子序列趨勢顯著性檢驗結(jié)果見表2。

        由圖2和表2可知,1979-2018年西北地區(qū)多年平均氣溫為3.75 ℃,多年平均降水量為239.56 mm,多年平均近地面空氣比濕約為3.8×10-3。該時段內(nèi)西北地區(qū)的年均氣溫、降水量和近地面空氣比濕均呈現(xiàn)出波動上升趨勢,且在0.05顯著性水平檢驗下,增加趨勢均十分顯著,其中,氣溫增速約為0.42 ℃/10a,降水量增速約為23 mm/10a。總體來看,過去近40年內(nèi)西北地區(qū)氣候存在較強的暖濕化傾向。

        圖2 1979-2018年西北地區(qū)逐年平均氣溫、降水量和近地面空氣比濕的變化過程

        表2 1979-2018年西北地區(qū)氣象因子序列趨勢顯著性檢驗

        經(jīng)計算,西北地區(qū)1979-2018年的年均氣溫、降水量和近地面空氣比濕3個氣象因子時間序列的Hurst指數(shù)分別為0.94、0.95和0.94,遠大于0.5且接近于1,說明未來西北地區(qū)的氣溫、降水量和近地面空氣比濕極有可能將繼續(xù)增加。

        圖3為1979-2018年西北地區(qū)年降水量時間序列的突變檢測。通過突變檢驗發(fā)現(xiàn),2001年為最大可能突變年份,以2001年為界,1979-2001年的多年平均降水量為214.3 mm,2002-2018年的多年平均降水量為273.7 mm,增幅高達28%。為了解歷史時期西北地區(qū)降水在年內(nèi)分配過程中的變化情況,圖4給出了逐年降水集中度與基尼系數(shù)的變化過程。由圖4可以看出,無論是降水集中度(圖4 (a))還是基尼系數(shù)(圖4(b))均呈現(xiàn)出明顯的減小趨勢,說明西北地區(qū)的降水在1979-2018年的年內(nèi)分配過程快速趨向均勻。

        圖3 1979-2018年西北地區(qū)年降水量時間序列的突變檢測

        圖4 1979-2018年西北地區(qū)降水集中度和基尼系數(shù)的變化過程

        3.1.2 空間尺度氣候變化 圖5為1979-2018年西北地區(qū)多年平均氣溫、降水量和近地面空氣比濕的空間分布情況。由圖5可以看出,氣溫的空間分布與研究區(qū)內(nèi)的地貌特征具有較高的相關(guān)性,其中,沙漠區(qū)為氣溫高值區(qū),山區(qū)為氣溫低值區(qū);降水量的空間分布具有一定的條帶規(guī)律,總體表現(xiàn)為從低值中心向四周逐漸增加,且越靠近東南方向,降水越豐沛;除東南區(qū)域空氣比濕較高外,其余絕大多數(shù)區(qū)域的空氣比濕均低于6.0×10-3。

        圖5 1979-2018年西北地區(qū)多年平均氣溫、降水量和近地面空氣比濕空間分布

        圖6為1979-2018年西北地區(qū)多年平均氣溫、降水量和近地面空氣比濕變化率的空間分布情況。由圖6可以看出,絕大部分區(qū)域均表現(xiàn)為氣溫上升,只有西南區(qū)域局部存在氣溫下降的變化;大部分區(qū)域均表現(xiàn)為降水增加,僅在北部和東南角小范圍區(qū)域表現(xiàn)為降水減少;近地面空氣比濕方面,絕大部分區(qū)域也都表現(xiàn)為空氣比濕增加。

        圖6 1979-2018年西北地區(qū)多年平均氣溫、降水量和近地面空氣比濕變化率空間分布

        3.2 未來時期西北地區(qū)氣候變化特征

        考慮到CMFD數(shù)據(jù)集的時間長度為1979-2018年,而CMIP5氣候模式輸出數(shù)據(jù)的時間長度為1850-2005年,為進行模式的評價工作,將二者的時間長度統(tǒng)一到1979-2005年,共包含有27個年份,時間分辨率均為月尺度。

        由于CMFD數(shù)據(jù)集和CMIP5氣候模式輸出數(shù)據(jù)的空間分辨率不一致,需要先將CMFD和氣候模式輸出的近地面空氣比濕數(shù)據(jù)重采樣到相同的1.0°×1.0°網(wǎng)格上,然后再將數(shù)據(jù)的網(wǎng)格范圍裁剪到研究區(qū)域,并獲得各格點CMFD和氣候模式的近地面空氣比濕序列。至此,便可繪制泰勒圖以進行模式的選取,泰勒圖結(jié)果如圖7所示。由圖7可見,第22號(MRI-CGCM3)、第16號(IPSL-CM5B-LR)、第24號(NorESM1-ME)和第12號(HadGEM2-AO)模式的位置距離CMFD相對最近,表明這些模式對于西北地區(qū)近地面空氣比濕的模擬效果較好。

        圖7 各個全球氣候模式對西北地區(qū)近地面空氣比濕模擬的泰勒圖結(jié)果

        綜上所述,本文采用FIO-ESM、MIROC5、MPI-ESM-LR和MPI-ESM-MR等模式的等權(quán)集合平均來分析研究區(qū)的氣溫變化特征;采用CNRM-CM5、IPSL-CM5A-LR、MIROC5和MRI-CGCM3等模式的等權(quán)集合平均來研究降水量變化特征;采用MRI-CGCM3、IPSL-CM5B-LR、NorESM1-ME和HadGEM2-AO等模式的等權(quán)集合平均來分析近地面空氣比濕的變化特征。

        3.2.1 時間尺度氣候變化 基于CMIP5集合平均氣候模式對2021-2100年不同情景下西北地區(qū)的年均氣溫、降水量和近地面空氣比濕的變化過程進行分析,結(jié)果見圖8,不同情景下該3個氣象因子序列趨勢顯著性檢驗結(jié)果見表3。

        圖8 2021-2100年不同情景下西北地區(qū)年均氣溫、降水量和近地面空氣比濕的變化過程

        表3 2021-2100年不同情景下西北地區(qū)氣象因子序列趨勢顯著性檢驗

        由圖8和表3可看出,在RCP4.5和RCP8.5兩種排放情景下,未來2021-2100年西北地區(qū)的氣溫、降水量和近地面空氣比濕均表現(xiàn)為顯著增長趨勢,且RCP8.5排放情景下的增幅要遠高于RCP4.5情景。

        表4列出了不同時期西北地區(qū)各氣象因子的多年平均變化率。由表4可見,相較于歷史時期,在RCP4.5排放情景下,氣溫、降水量和近地面空氣比濕的增速均存在不同程度的減緩;而在RCP8.5排放情景下,除降水量增速變緩?fù)猓瑲鉁睾徒孛婵諝獗葷竦脑鏊賱t有較大程度的提高。

        表4 不同時期西北地區(qū)各氣象因子的多年平均變化率

        圖9為2021-2100年西北地區(qū)降水集中度與基尼系數(shù)的變化過程,反映了未來降水年內(nèi)分配過程的變化情況。由圖9可以看出,兩種排放情景下,西北地區(qū)在未來時期內(nèi)的降水集中度和基尼系數(shù)均呈現(xiàn)出減小趨勢,且RCP8.5排放情景下的減小趨勢更為顯著,表明未來西北地區(qū)的年內(nèi)降水分配過程將進一步趨向均勻。

        圖9 2021-2100年西北地區(qū)降水集中度和基尼系數(shù)的變化過程

        3.2.2 空間尺度氣候變化 為了更好地揭示未來不同時期西北地區(qū)各氣象因子的空間變化特征,本文將未來研究期劃分為3個時段,即2021-2050年為未來近期時段、2051-2080年為未來中期時段、2081-2100年為未來遠期時段。圖10~12分別為未來不同時段在不同排放情景下西北地區(qū)多年平均氣溫、降水量和近地面空氣比濕的空間分布。

        由圖10~12可以看出,在RCP4.5排放情景下,未來不同時段內(nèi)氣溫和降水量的空間分布較為穩(wěn)定,而近地面空氣比濕的空間分布則有微弱變化,主要表現(xiàn)為新疆南部略有增大;在RCP8.5排放情景下,未來不同時段內(nèi)降水量依舊保持著較為穩(wěn)定的空間分布,而氣溫則表現(xiàn)為整體升高的態(tài)勢,近地面空氣比濕則表現(xiàn)為以新疆南部塔里木盆地為中心的高值區(qū)覆蓋范圍擴張性增大。

        圖10 不同排放情景下未來不同時段的西北地區(qū)多年平均氣溫空間分布

        圖11 不同排放情景下未來不同時段的西北地區(qū)多年平均年降水量空間分布

        圖12 不同排放情景下未來不同時段的西北地區(qū)多年平均近地面空氣比濕空間分布

        綜上所述,近40 年來西北地區(qū)的氣溫、降水量和近地面空氣比濕均呈現(xiàn)出較為顯著的增加趨勢,表明西北地區(qū)的歷史氣候存在明顯的暖濕化演變傾向。根據(jù)CMIP5全球氣候模式的模擬結(jié)果,未來時期內(nèi)(2021-2100年),兩種不同排放情景下,西北地區(qū)氣候的暖濕化發(fā)展趨勢仍將持續(xù),但在RCP4.5排放情景下,暖濕化發(fā)展速度會放緩,而在RCP8.5排放情景下,暖濕化趨勢會進一步加強。Zhang等[36]的最新研究成果也表明,過去60年間西北干旱區(qū)的氣溫和降水量均呈現(xiàn)一致增加趨勢,且干燥度明顯持續(xù)減小,氣候朝暖濕化方向發(fā)展是確定無疑的,這與本文的研究結(jié)果一致。西北地區(qū)氣候的暖濕化演變,可以有效增加區(qū)域水資源量,一方面是因為降水量的增多,另一方面則是由于氣溫升高會加速冰川積雪融化,這對于西北地區(qū)的社會經(jīng)濟發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境改善有著重要意義。造成西北地區(qū)歷史氣候發(fā)生暖濕化的原因可能是因為全球氣溫升高,陸面蒸散發(fā)加強,導(dǎo)致水循環(huán)加快,降水增多;此外,近30 年來西風(fēng)帶環(huán)流明顯加強,而西北地區(qū)的水汽主要是靠西風(fēng)帶環(huán)流系統(tǒng)從洋面輸送而來,水汽輸送能力的增加會大大促進區(qū)域氣候的濕潤化。

        4 結(jié) 論

        基于CMFD數(shù)據(jù)集及CMIP5氣候模式輸出數(shù)據(jù)對西北地區(qū)歷史(1979-2018年)和未來(2021-2100年)時期內(nèi)的氣候變化特征進行了分析研究,得出以下主要結(jié)論:

        (1)1979-2018年西北地區(qū)的年均氣溫、降水量和近地面空氣比濕均顯著增加,表明區(qū)域歷史氣候存在暖濕化演變特征;未來時期,在RCP4.5排放情景下,區(qū)域的暖濕化趨勢將有所放緩,而在RCP8.5排放情景下,暖濕化趨勢將進一步加強。

        (2)1979-2018年西北地區(qū)的降水結(jié)構(gòu)在2001年左右發(fā)生了明顯突變,且降水在年內(nèi)的分配呈均勻化趨勢;未來時期,西北地區(qū)的降水年內(nèi)分配不均勻性將持續(xù)減小,以RCP8.5排放情景更為顯著。

        (3)在RCP4.5排放情景下,西北地區(qū)未來氣溫、降水量和近地面空氣比濕的空間分布特征大體上保持穩(wěn)定;而在RCP8.5排放情景下,西北地區(qū)未來氣溫和近地面空氣比濕的空間分布格局發(fā)生了較大的變化,主要表現(xiàn)為高值區(qū)覆蓋范圍的不斷擴大。

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