華北地區(qū)極端氣候事件對農(nóng)作物生長的影響研究

李彥萌　劉海鵬　張冬峰　何俊琦

摘 ? ?要：利用改良的區(qū)域氣候模式RegCM4.4，嵌套CSIRO-Mk3.6.0全球模式，對東亞地區(qū)當(dāng)代和RCP4.5排放情景下21世紀(jì)25 km高分辨率氣候變化模擬的結(jié)果進(jìn)行了研究，就華北地區(qū)對全球變暖的響應(yīng)進(jìn)行了分析，檢驗(yàn)了CSIRO-Mk3.6.0全球模式驅(qū)動(dòng)的RegCM4.4區(qū)域模式試驗(yàn)對當(dāng)代極端氣候事件的模擬，最后分析了極端氣候?qū)ι轿鬓r(nóng)業(yè)的影響。研究表明，RegCM4.4區(qū)域模式模擬和溫度相關(guān)的極端氣候指數(shù)接近于觀測值，存在冷偏差，對和降水相關(guān)的極端氣候指數(shù)的模擬則存在不一致。RegCM4.4區(qū)域模式模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，區(qū)域模式對觀測中的氣溫、降水及極端氣候指數(shù)具有模擬能力。

關(guān)鍵詞：極端氣候事件;農(nóng)作物;生長;影響

文章編號： 1005-2690（2021）05-0003-06 ? ? ? 中國圖書分類號： S162.5 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

在全球變暖的大背景下，區(qū)域氣候變化在各地呈現(xiàn)出不同特征。針對各區(qū)域氣候變化呈現(xiàn)出明顯的不同，運(yùn)用全球氣候模式研究未來區(qū)域氣候變化已經(jīng)做了很多工作，這些研究均表明全球氣候模式對區(qū)域氣候變化的模擬能力差異較大。受計(jì)算機(jī)條件的限制，全球模式分辨率一般較低，難以精確地描述海岸線、中小尺度地形和地表特征及其他局地強(qiáng)迫因子，降低了其在區(qū)域氣候及區(qū)域氣候變化模擬方面的可信度[1-2]。相對于全球模式，區(qū)域氣候模式具有分辨率高的優(yōu)勢，能夠提供更為詳細(xì)可靠的局地信息。對于中國區(qū)域，特別是東亞季風(fēng)區(qū)的復(fù)雜地形特征，區(qū)域氣候模式可以更精確地模擬大尺度季風(fēng)降水的分布和東亞梅雨降水[3-4]，在使用區(qū)域氣候模式進(jìn)行中國地區(qū)降水等極端事件的模擬和預(yù)估方面我國也開展了許多工作。

華北地區(qū)屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，降水偏少，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促，獨(dú)特的地理位置和氣候特征是造成華北區(qū)域寒潮、高溫等極端氣候事件多發(fā)的主要原因。

1 ? 資料和方法

1.1 ? 資料說明

研究使用的區(qū)域氣候模式是意大利國際理論物理中心（ICTP）發(fā)展的區(qū)域氣候模式RegCM4.4[5]。其不同于公開的模式版本，試驗(yàn)中為糾正模式模擬中國及東南亞地區(qū)偏差，引入了地表粗糙度、反照率和新的植被覆蓋等[6]。試驗(yàn)?zāi)Ｊ侥M范圍為國際聯(lián)合區(qū)域氣候降尺度試驗(yàn)（Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment）[7]第二階段推薦的東亞區(qū)域，中心點(diǎn)為北緯35°和東經(jīng)115°，東西方向384個(gè)格點(diǎn)、南北方向250個(gè)格點(diǎn)，模式水平分辨率為25 km，模擬范圍覆蓋整個(gè)中國及周邊地區(qū)。垂直方向分18層，頂層高度為10 hPa。試驗(yàn)分析范圍選取氣候意義上的華北區(qū)域，即北緯34°～43°、東經(jīng)110°～124°，進(jìn)行華北區(qū)域氣候變化的模擬分析。試驗(yàn)初始場和每6 h一次輸入模式側(cè)邊界值來自澳大利亞全球模式CSIRO-Mk3.6.0在觀測溫室氣體（1951—2005年）和IPCC-RCP4.5溫室氣體排放情景（2006—2100年）下的模擬結(jié)果。在這之前，首先完成了CSIRO-Mk3.6.0和改進(jìn)后的RegCM4.4區(qū)域氣候模式的嵌套工作，用于檢驗(yàn)?zāi)Ｊ侥M性能的觀測資料方面，氣溫和降水采用中國地區(qū)1961—2005年空間分辨率為0.25°×0.25°的日平均格點(diǎn)資料CN05.1[8]，變量包括平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫、日降水量等。所進(jìn)行的試驗(yàn)積分時(shí)間為1950年1月1日—2100年12月31日，共計(jì)151年，其中1950—1952年的3年作為模式初始化時(shí)段，不予分析;在連續(xù)模擬積分結(jié)果分析中，以1986—2005年代表當(dāng)代。

1.2 ? 試驗(yàn)?zāi)M方案

為了完成RegCM4.4區(qū)域氣候模式對華北區(qū)域氣候變化的模擬研究，利用改進(jìn)后的RegCM4.4區(qū)域氣候模式，在CSIRO-Mk3.6.0全球模式輸出結(jié)果驅(qū)動(dòng)下，完成與當(dāng)代觀測資料進(jìn)行對比試驗(yàn)檢驗(yàn)?zāi)Ｊ叫阅?，即進(jìn)行模式輸出結(jié)果的檢驗(yàn)試驗(yàn)[9]。

（1）進(jìn)行全球模式CSIRO-Mk3.6.0控制試驗(yàn)、RCP4.5情景氣候變化預(yù)估試驗(yàn)輸出結(jié)果的收集，即CSIRO-Mk3.6.0模式1951—2100年逐6 h模式輸出。

（2）區(qū)域氣候模式RegCM4.4對中國地區(qū)當(dāng)代氣候的模擬，使用改進(jìn)后的RegCM4.4區(qū)域氣候模式，在CSIRO-Mk3.6.0模式輸出結(jié)果驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)行中國地區(qū)當(dāng)代1951—2005年水平分辨率為25 km的數(shù)值模擬。

（3）通過模擬結(jié)果與氣溫、降水、極端氣候指數(shù)的對比，檢驗(yàn)?zāi)Ｊ綄Ξ?dāng)代華北區(qū)域氣候的模擬性能。

2 ? 結(jié)果分析

選取4個(gè)與溫度相關(guān)的極端氣候指數(shù)（極端最低氣溫、極端最高氣溫、生長季長度、霜凍日數(shù)）和4個(gè)與降水相關(guān)的極端氣候指數(shù)（降水強(qiáng)度、最大5 d降水量、連續(xù)干日、連續(xù)濕日），通過觀測和模擬對比，檢驗(yàn)CSIRO-Mk3.6.0全球模式和RegCM4.4區(qū)域模式對當(dāng)代極端氣候事件的模擬性能。各極端氣候指數(shù)定義如下。

極端最低氣溫：1年中日極端最低氣溫低于第5百分位的溫度值。

極端最高氣溫：1年中日極端最高氣溫高于第95百分位的溫度值。

生長季長度：1年中日平均氣溫大于5 ℃的連續(xù)日數(shù)，開始日期為連續(xù)6 d以上平均氣溫高于5 ℃的首日。

霜凍日數(shù)：1年中最低氣溫低于0 ℃的日數(shù)。

降水強(qiáng)度：1年中日降水大于1 mm降水日的平均降水量。

最大5 d降水量：1年中連續(xù)5 d最大的降水量。

連續(xù)干日：1年中日降水量小于1 mm的最大連續(xù)日數(shù)。