陳 穎，張冬峰，王 林，劉月麗，王大勇

(1.山西省氣候中心,山西 太原 030006; 2.山西省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心,山西 太原 030032)

引 言

未來氣候變化的預(yù)估一般通過氣候系統(tǒng)模式數(shù)值試驗(yàn)來進(jìn)行。政府間氣候變化專門委員會(huì)第五次評(píng)估報(bào)告中，參與耦合模式比較計(jì)劃第5階段試驗(yàn)(coupled model inter-comparison project phase 5，CMIP5)的多個(gè)氣候系統(tǒng)模式采用主要強(qiáng)調(diào)輻射強(qiáng)迫變化的“典型濃度路徑”排放情景(representative concentration pathways，RCP)[1]，對未來全球氣候變化進(jìn)行預(yù)估。CMIP5中的模式對全球尺度地面氣溫的預(yù)估可信度很高，而對降水的大尺度空間分布模擬也較第四次評(píng)估報(bào)告有所提高[2]。然而，由于氣候系統(tǒng)模式分辨率較低(CMIP5中模式分辨率普遍在100～300 km之間)，對小尺度區(qū)域或局地的復(fù)雜地形和下墊面特征描述較差，導(dǎo)致對未來氣候變化預(yù)估存在較大的不確定性，其結(jié)果無法滿足區(qū)域尺度氣候變化評(píng)估研究需要。區(qū)域氣候模式彌補(bǔ)了全球模式分辨率不足的問題，已成為區(qū)域尺度氣候變化研究的重要工具，IPCC第六次評(píng)估報(bào)告首次增加了區(qū)域氣候評(píng)估章節(jié)，并對區(qū)域氣候模式的優(yōu)勢進(jìn)行更詳細(xì)的介紹[3]。

由于區(qū)域氣候模式對地形強(qiáng)迫描述的更為真實(shí)，通常其對氣溫、降水分布的模擬明顯優(yōu)于全球模式，故對未來氣候變化的預(yù)估信號(hào)更為可靠[4-7]。區(qū)域氣候模式最早由GIORGI等[8]提出，隨后其系列模式得到不斷發(fā)展與完善，其中RegCM系列模式發(fā)展得較為成熟且應(yīng)用最廣。近年來，我國采用RegCM系列模式陸續(xù)開展了中國區(qū)域百年時(shí)間尺度的氣候變化模擬試驗(yàn)[9-12]，發(fā)現(xiàn)RegCM3對中國地區(qū)汛期降水[13]、積雪日數(shù)和積雪深度[14]等有較強(qiáng)的模擬能力，且模擬的華北區(qū)域氣溫、降水和極端氣候事件明顯優(yōu)于全球模式[15]；更高版本的RegCM4同樣顯示，區(qū)域氣候模式對中國地區(qū)氣溫的模擬偏差小于全球模式，能夠較好地再現(xiàn)中國地區(qū)冬季和夏季氣溫[16]、華西秋雨[17]等。為此，本文基于國家氣候中心完成的以CMIP5全球氣候模式歷史試驗(yàn)和RCP4.5、RCP8.5兩種排放情景下預(yù)估試驗(yàn)的輸出結(jié)果作為驅(qū)動(dòng)場，利用改進(jìn)的區(qū)域氣候模式RegCM4進(jìn)行的東亞地區(qū)水平分辨率為25 km的動(dòng)力降尺度試驗(yàn)結(jié)果，對我國華北區(qū)域21世紀(jì)氣候變化進(jìn)行預(yù)估分析。

1 模式、數(shù)據(jù)和方法

1.1 模式介紹

所用模式來自意大利國際理論物理中心(Abdus Salam International Center for Theoretical Physics，ICTP)發(fā)展的區(qū)域氣候模式RegCM4[18]，該模式驅(qū)動(dòng)場是英國氣象局Hadley中心(Met Office Hadley Center)研制的全球環(huán)境地球系統(tǒng)模式(Hadley Centre global environmental model 2-earth system，HadGEM2-ES)氣候變化試驗(yàn)輸出結(jié)果。HadGEM2-ES是CMIP5比較計(jì)劃中分辨率較高的模式，且保留了6 h間隔輸出結(jié)果，能夠滿足水平分辨率為25 km動(dòng)力降尺度數(shù)值試驗(yàn)，模式和試驗(yàn)詳細(xì)信息參見文獻(xiàn)[19-20]。

RegCM4試驗(yàn)范圍為聯(lián)合區(qū)域氣候降尺度試驗(yàn)(coordinated regional climate downscaling experiment，CORDEX)東亞第二階段推薦區(qū)域[21]，覆蓋整個(gè)中國及周邊地區(qū)，模式垂直方向?yàn)?8層，頂層高度為10 hPa。模式物理參數(shù)選用東亞模擬最佳組合參數(shù)[22-23]，其中輻射傳輸采用NCAR CCM3方案[24]，行星邊界層采用Holtslag方案[25]，大尺度降水采用SUBEX方案[26]，積云對流參數(shù)化采用Emanuel方案[27]，陸面過程采用CLM方案[28]，并引入中國高精度土地覆蓋資料[29]。

1.2 數(shù)據(jù)與方法

所用資料包括：(1)1986—2005年CN05.1逐月格點(diǎn)資料，要素包括地面氣溫和降水量，水平分辨率為0.25°×0.25°[30]；(2)RegCM4區(qū)域氣候模式預(yù)估的1986—2098年逐月地面氣溫與降水量。其中，以1986—2005年代表基準(zhǔn)期，2021—2035年、2046—2065年、2080—2098年分別代表21世紀(jì)近期、中期、遠(yuǎn)期。

在檢驗(yàn)?zāi)Ｊ綄θA北區(qū)域基準(zhǔn)期氣候模擬能力基礎(chǔ)上，考慮到華北地處我國大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，故分析華北區(qū)域未來21世紀(jì)年、冬季(12月至次年2月)和夏季(6—8月)地面氣溫和降水平均值變化；同時(shí)考慮到干旱和暴雨洪澇是華北區(qū)域最主要的2類氣象災(zāi)害，故選取每年最長連續(xù)無降水日數(shù)(CDD)和日降水量大于95%百分位的降水量之和(R95p)2個(gè)與降水相關(guān)的極端指數(shù)分別代表干旱和暴雨洪澇[31]，分析華北區(qū)域未來21世紀(jì)極端降水事件變化，其中各時(shí)期(近、中、遠(yuǎn)期)各要素(氣溫、降水、極端指數(shù))的變化均是相較于基準(zhǔn)期而言。文中涉及的華北區(qū)域各省、市、區(qū)行政邊界是基于國家測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號(hào)為GS(2016)2923號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改。

2 RegCM4模擬能力評(píng)估

2.1 氣 溫

圖1是華北區(qū)域基準(zhǔn)期年、冬季和夏季平均氣溫觀測值及模擬與觀測差值?？梢钥闯?，觀測[圖1(a)、圖1(c)和圖1(e)]和模擬(圖略)的華北區(qū)域年、冬季和夏季平均氣溫空間分布基本一致，均呈現(xiàn)由南向北逐漸降低的空間分布。大部分地區(qū)，年平均氣溫的模擬偏差較小，在-0.4～0.4 ℃之間[圖1(b)]，而冬季模擬值表現(xiàn)為暖偏差，偏差為0～1.2 ℃，但在內(nèi)蒙古阿拉善盟南部、巴彥淖爾西北部以及山西忻州東部局部地區(qū)模擬氣溫偏高1.2 ℃以上[圖1(d)]；夏季，大部分地區(qū)模擬氣溫存在0～0.8 ℃的冷偏差，而在內(nèi)蒙古阿拉善盟西北部、呼倫貝爾西部局部地區(qū)偏低0.8 ℃以上，但河北北部、京津地區(qū)和山西東部模擬氣溫略偏高[圖1(f)]?？傮w來看，華北大部地區(qū)氣溫的模擬偏差在±1 ℃以內(nèi)，對比以往研究成果[5,11,15]，得出RegCM4對華北區(qū)域基準(zhǔn)期氣溫整體模擬效果較好。

圖1 華北區(qū)域基準(zhǔn)期年(a、b)、冬季(c、d)和夏季(e、f)平均氣溫觀測值(a、c、e)及模擬與觀測的差值(b、d、f)(單位：℃)

2.2 降水量

圖2是華北區(qū)域基準(zhǔn)期年、冬季和夏季平均降水量的觀測和RegCM4模擬值。可以看出，RegCM4模式模擬的華北區(qū)域基準(zhǔn)期年、冬季和夏季降水的空間分布格局和數(shù)值與觀測基本一致。就年降水量而言，華北區(qū)域基準(zhǔn)期觀測和模擬的降水量基本呈現(xiàn)由東南向西北逐漸減少的空間分布，大值中心位于呼倫貝爾東北部、北京、天津、河北東北部，但模擬的降水量較觀測偏多0.2 mm·d-1左右[圖2(a)和圖2(b)]。冬季，模擬和觀測的降水量均呈現(xiàn)中部少、南北部多的空間分布，大值區(qū)位于京津冀、山西及內(nèi)蒙古東北部，但模擬的大于0.1 mm·d-1的范圍小于觀測[圖2(c)和圖2(d)]。華北區(qū)域降水主要集中在夏季，因此觀測的夏季平均降水量空間分布[圖2(e)]基本與年平均降水量類似，且模擬的降水量[圖2(f)]也較好地再現(xiàn)了觀測降水量的空間分布格局和數(shù)值。

圖2 華北區(qū)域基準(zhǔn)期年(a、b)、冬季(c、d)、夏季(e、f)觀測(a、c、e)和模擬的(b、d、f)平均降水量(單位：mm·d-1)

3 21世紀(jì)RegCM4氣候變化預(yù)估

3.1 氣溫變化

基于RegCM4對華北區(qū)域基準(zhǔn)期氣溫與降水較強(qiáng)的模擬能力，對不同情景下21世紀(jì)(2021—2098年)華北區(qū)域平均氣溫、降水變化進(jìn)行預(yù)估(圖3)?？梢钥闯?，在兩種排放情景下，21世紀(jì)華北區(qū)域年、冬季和夏季升溫顯著(通過α=0.001的顯著性檢驗(yàn))，RCP8.5情景下升溫趨勢更明顯、升溫幅度更大[圖3(a)和圖3(b)]。其中，RCP4.5情景下年平均氣溫距平以0.37 ℃·(10 a)-1的速率升高，冬季和夏季的增溫趨勢與全年較為接近，但冬季氣溫年際變化(振蕩)幅度更大；RCP8.5情景下年平均氣溫距平以0.69 ℃·(10 a)-1的速率升高，增溫速率略小于夏季、高于冬季，但冬季氣溫年際變化(振蕩)幅度更大。

圖3 RCP4.5(a、c)和RCP8.5(b、d)情景下RegCM4模擬的2021—2098年華北區(qū)域氣溫距平(a、b)和降水距平百分率 (c、d)

表1統(tǒng)計(jì)了21世紀(jì)各時(shí)期(近、中、遠(yuǎn)期)不同排放情景下華北區(qū)域平均氣溫、降水及極端降水指數(shù)變化?？梢钥闯觯?個(gè)時(shí)期兩種排放情景下氣溫變化特征大體一致，即21世紀(jì)整個(gè)華北區(qū)域年、冬季、夏季氣溫將一致上升，且RCP8.5情景下升溫幅度均大于RCP4.5情景。其中，近期(2021—2035年)，兩種排放情景下夏季升溫幅度最大達(dá)1.56 ℃(RCP4.5)和2.31 ℃(RCP8.5)，冬季升溫幅度最小為0.82 ℃(RCP4.5)和0.83 ℃(RCP8.5)；中期(2046—2065年)，兩種排放情景下仍然是夏季升溫幅度最大(分別為2.8、3.79 ℃)，冬季升溫幅度最小(分別為2.5、2.53 ℃)，且年、冬季和夏季升溫幅度均大于近期；遠(yuǎn)期(2080—2098年)的升溫幅度較近期和中期明顯更大，升溫幅度依然是夏季最大，分別對應(yīng)為3.69、6.4 ℃。

表1 不同情景下RegCM4預(yù)估的21世紀(jì)各時(shí)期華北區(qū)域氣溫、降水和極端降水指數(shù)變化

從近期氣溫變化的分布預(yù)估(圖略)來看，在RCP4.5情景下近期華北區(qū)域年平均氣溫一致升高，升溫幅度在1～1.6 ℃之間，且呈現(xiàn)“西部和東北部兩端高、中部低”的空間分布特征，而RCP8.5情景下的升溫幅度大于RCP4.5情景，高值區(qū)主要在內(nèi)蒙古西部和東北部呼倫貝爾地區(qū)；兩種情景下，近期冬季氣溫變化的空間差異相對較小，僅在RCP4.5情景下內(nèi)蒙古呼倫貝爾地區(qū)升溫幅度較大，在1.2 ℃以上；在RCP4.5情景下，近期夏季升溫幅度大致呈現(xiàn)“由西北部和東北部向中部遞減”的分布格局，高值區(qū)在內(nèi)蒙古阿拉善盟西部和呼倫貝爾市西北部，升溫幅度在1.8 ℃以上，而RCP8.5情景下升溫幅度則由西北部向南部、東北部遞減，高值區(qū)在內(nèi)蒙古西部和北部一帶。

從中期氣溫變化的分布預(yù)估(圖4)來看，兩種情景下年平均氣溫變化的空間分布較為相似，升溫幅度由南向北階梯狀遞增，高值區(qū)主要在內(nèi)蒙古呼倫貝爾市[圖4(a)和圖4(b)]；冬季，RCP8.5情景下升溫幅度超過2.1 ℃的范圍遠(yuǎn)大于RCP4.5情景，主要的高值區(qū)均在內(nèi)蒙古東北部[圖4(c)和圖4(d)]；夏季，兩種情景的空間分布基本類似，升溫幅度都由東向西逐漸增大，大值區(qū)均在內(nèi)蒙古西部，但RCP8.5情景下的升溫幅度更高。

圖4 RCP4.5(a、c、e)和RCP8.5(b、d、f)情景下RegCM4模擬的21世紀(jì)中期華北區(qū)域年(a、b)、冬季(c、d)及夏季(e、f)平均氣溫距平(單位：℃)

遠(yuǎn)期(圖略)，兩種情景下整個(gè)華北區(qū)域年、冬季、夏季氣溫將進(jìn)一步上升，升溫幅度均由南向北逐漸增大，內(nèi)蒙古部分區(qū)域升溫幅度最大，低值區(qū)主要位于山西和京津冀部分地區(qū)。

綜上所述，兩種情景下21世紀(jì)各時(shí)期華北區(qū)域一致升溫，RCP8.5情景下的升溫幅度大于RCP4.5情景，尤其是年和夏季平均氣溫兩種情景的差異更明顯，且北部內(nèi)蒙古地區(qū)的升溫幅度大于南部省(市)。

3.2 降水變化

從21世紀(jì)華北區(qū)域平均降水距平百分率變化[圖3(c)和圖3(d)]來看，兩種排放情景下21世紀(jì)華北區(qū)域降水均呈現(xiàn)較強(qiáng)的年際變化，RCP8.5情景下年、冬季和夏季降水距平百分率均表現(xiàn)為顯著增加趨勢(通過α=0.01的顯著性檢驗(yàn))，分別以2.5、8.1、2.1%·(10 a)-1的速率增加；RCP4.5情景下，華北區(qū)域平均降水變化趨勢不明顯。

另外，21世紀(jì)3個(gè)時(shí)期兩種排放情景下，華北區(qū)域降水均逐漸增加，增加幅度自近期、中期、遠(yuǎn)期依次增大(表1)，且冬季降水增加幅度最大，RCP4.5情景下冬季降水由近期至遠(yuǎn)期分別增加5.8%、22.1%、37.7%，RCP8.5情景下分別增加20.6%、32.9%、70.4%，可見各時(shí)期RCP8.5情景下冬季降水增加幅度均大于RCP4.5情景。

從近期降水變化的分布預(yù)估(圖略)來看，兩種情景下華北區(qū)域降水變化空間差異較大。年降水，在RCP4.5情景下除內(nèi)蒙古東部減少外，其余大部區(qū)域增加，而RCP8.5情景下整個(gè)區(qū)域均表現(xiàn)為增加；冬季降水，RCP4.5情景下近似呈現(xiàn)“北部增加、南部減少”的空間分布，而RCP8.5情景下除內(nèi)蒙古西部部分區(qū)域外，其余大部分區(qū)域表現(xiàn)為增加；夏季降水，RCP4.5情景下降水變化的空間分布與年降水較為相似，但變化幅度更大，而RCP8.5情景下均以增加為主。

從中期降水變化的分布預(yù)估(圖5)來看，兩種情景下華北區(qū)域內(nèi)降水都以增加為主，尤其RCP8.5情景下降水增加更為明顯，增加區(qū)域范圍更大。值得注意的是，RCP4.5情景下，21世紀(jì)中期河北、北京一帶冬季降水將減少2.5%～25%[圖5(c)]，內(nèi)蒙古西部和中部及東南部(與遼寧接壤)的部分區(qū)域夏季降水將減少2.5%～25%[圖5(e)]。

圖5 RCP4.5(a、c、e)和RCP8.5(b、d、f)情景下RegCM4模擬的21世紀(jì)中期 華北區(qū)域年(a、b)、冬季(c、d)及夏季(e、f)平均降水距平百分率(單位：%)

遠(yuǎn)期(圖略)，兩種情景下，華北區(qū)域內(nèi)年、冬季、夏季降水的空間分布較為相似，降水均以增加為主，但夏季降水增加的范圍小于年和冬季，且在內(nèi)蒙古錫林郭勒盟、通遼以及河北、天津存在降水減少2.5%～25%的區(qū)域。

3.3 極端降水事件

21世紀(jì)不同時(shí)期，華北區(qū)域CDD都表現(xiàn)為減少特征，在RCP4.5和RCP8.5情景下遠(yuǎn)期分別減少7 d和12 d，減少幅度大于近期和中期；華北區(qū)域R95p均表現(xiàn)為增加特征，且在高排放的RCP8.5情景下增加幅度更大，尤其是中期和遠(yuǎn)期R95p分別增加41.9%和69.8%(表1)。

從近期降水極端指數(shù)變化的分布預(yù)估(圖略)看出，在兩種情景下CDD變化的空間分布較為相似，內(nèi)蒙古地區(qū)普遍減少1～5 d，山西和京津冀地區(qū)普遍增加1～5 d，但RCP8.5情景下CDD減少的范圍更大；在兩種情景下，華北區(qū)域R95p整體增加明顯，RCP4.5情景下除內(nèi)蒙古東北部和西部部分地區(qū)減少外，其余大部分區(qū)域增加10%以上，而RCP8.5情景下華北區(qū)域普遍以增加為主，大部分地區(qū)增加10%～50%。

從圖6看出，中期，華北區(qū)域CDD變化的空間分布和近期較為相似，在內(nèi)蒙古大部分地區(qū)減少、山西和京津冀地區(qū)增加，但減少區(qū)域的范圍大于近期；在兩種情景下，華北區(qū)域R95p均以增加為主，其中RCP4.5情景下除內(nèi)蒙古部分地區(qū)減少外，其余大部分地區(qū)R95p增加10%以上，而RCP8.5情景下R95p增加更為明顯，大部分地區(qū)增加25%以上，且增加的大值區(qū)范圍大于近期。

圖6 RCP4.5(a、c)和RCP8.5(b、d)情景下RegCM4模擬的21世紀(jì)中期華北區(qū)域CDD距平(a、b，單位：d)和R95p距平百分率(c、d，單位：%)

遠(yuǎn)期(圖略)，在兩種情景下華北區(qū)域CDD均呈現(xiàn)一致減少特征，減少的范圍大于近期和中期，其中RCP8.5情景下減少更為明顯，山西和京津冀地區(qū)減少1～5 d，內(nèi)蒙古大部分地區(qū)減少15 d以上；在兩種情景下華北區(qū)域R95p均以增加為主，尤其是RCP8.5情景下極端降水增加范圍擴(kuò)大、幅度上升，大于近期和中期，大部分地區(qū)增加50%以上，在內(nèi)蒙古西部增加100%以上。

綜上所述，21世紀(jì)中期(2046—2065年)，兩種排放情景下內(nèi)蒙古大部分地區(qū)干旱事件將減少，山西和京津冀地區(qū)干旱事件將有所增加，且在高排放的RCP8.5情景下華北區(qū)域極端降水事件顯著增加；遠(yuǎn)期(2080—2098年)，華北區(qū)域普遍伴有干旱事件的減少和極端降水事件的增加，尤其是內(nèi)蒙古地區(qū)。

4 結(jié) 論

(1)RegCM4對華北區(qū)域基準(zhǔn)期年、冬季、夏季氣溫和降水整體模擬效果較好，大部分地區(qū)氣溫偏差為-1.2～1.2 ℃，降水也較好地再現(xiàn)了觀測場的空間分布格局和數(shù)值。

(2)就區(qū)域平均而言，21世紀(jì)3個(gè)時(shí)期(近、中、遠(yuǎn)期)，兩種排放情景下華北區(qū)域年、冬季、夏季氣溫均逐漸升高，降水逐漸增加，其中夏季升溫最大、冬季降水增加最多，且RCP8.5情景下升溫幅度和降水增加幅度均大于RCP4.5情景；兩種排放情景下CDD都表現(xiàn)為減少特征，且遠(yuǎn)期減少幅度大于近期和中期，而R95p均表現(xiàn)為增加特征，且在高排放的RCP8.5情景下增加幅度更大，尤其是中期和遠(yuǎn)期，分別增加41.9%和69.8%。

(3)21世紀(jì)3個(gè)時(shí)期，兩種排放情景下華北區(qū)域內(nèi)一致升溫，年、冬季、夏季氣溫變化的空間分布較為相似，升溫幅度均在內(nèi)蒙古東部和西部最大、山西和京津冀地區(qū)相對較??；降水變化整體均以增加為主，RCP8.5情景下降水增加的范圍更大，且遠(yuǎn)期降水增加幅度和范圍最大。兩種情景下，近期和中期CDD變化的空間分布相似，均表現(xiàn)為內(nèi)蒙古減少、山西和京津冀地區(qū)增加，而遠(yuǎn)期CDD全區(qū)一致減少，其中內(nèi)蒙古減少尤為明顯；3個(gè)時(shí)期R95p均以增加為主，遠(yuǎn)期RCP8.5情景下增加的范圍擴(kuò)大、幅度升高。未來21世紀(jì)，華北區(qū)域干旱事件逐漸減少、極端降水事件不斷增加。