基于CMIP5的中國西北地區(qū)暖濕化演變研究

杜 懿， 王大剛， 祝金鑫

(中山大學 地理科學與規(guī)劃學院， 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，而通過預估氣候狀況能夠有效降低未來可能面臨的風險和挑戰(zhàn)[3]。區(qū)域氣候?qū)τ谌蜃兣蟊尘暗捻憫恢币詠矶际菍W術界的研究熱點，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估的主要手段，尤其是在未來氣候變化預估上，GCM更是起到了主導作用[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，有關學者注意到西北地區(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)展預估卻少有研究[16-18]。此外，以往研究所關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，使得模式的模擬、預估能力得到了較大程度的提高，為預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)換關系將模擬場與觀測場的相關系數(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?？傮w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，除降水量增速變緩外，氣溫和近地面空氣比濕的增速則有較大程度的提高。

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，導致水循環(huán)加快，降水增多；此外，近30 年來西風帶環(huán)流明顯加強，而西北地區(qū)的水汽主要是靠西風帶環(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。