黃河流域未來極端氣候事件變化趨勢評估

王明瑋，溫躍修，嚴登華，2，薦圣淇

（1.鄭州大學 黃河實驗室，河南 鄭州 450001；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038）

政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次評估報告顯示，全球氣候已明顯變暖，1880—2012年全球氣溫上升了0.85℃。氣候變化使區(qū)域極端氣候事件發(fā)生頻率或強度出現(xiàn)不同程度的變化，極端氣候事件會對陸地生態(tài)系統(tǒng)服務功能和人類社會生活造成嚴重影響，洪澇災害和干旱災害的頻繁發(fā)生使世界上大約22%的河流年徑流量顯著減?。?］。氣候變化檢測及指數(shù)聯(lián)合專家組（ETCCDI）于2017年基于全球逐日氣溫數(shù)據(jù)和降水數(shù)據(jù)提出一套極端氣候指數(shù)，已被廣泛應用于全球極端氣候事件調(diào)查［2－6］。目前，對極端氣候事件的研究主要集中于時空變化規(guī)律和相關(guān)影響因素方面，如：Supari等［7］對印度尼西亞1983—2012年的極端氣候事件進行了分析，結(jié)果表明印度尼西亞極端氣溫出現(xiàn)顯著上升趨勢且空間分布均勻；Sun等［8］對全球氣候變暖背景下1960—2013年黃土高原極端氣候事件的年際變化趨勢進行了分析，結(jié)果表明黃土高原極端氣溫暖指數(shù)呈上升趨勢，特別是在1985—2000年增幅較大，而極端氣溫冷指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢。全球氣候模式對于不同區(qū)域的適用性存在差異，針對黃河流域，目前缺少長時間序列的極端氣候變化特征信息。

黃河流域干旱、高溫、暴雨等極端氣候事件的頻發(fā)會對黃河兩岸人民生命財產(chǎn)安全造成重大威脅，加劇社會經(jīng)濟用水與生態(tài)環(huán)境用水之間的矛盾，嚴重制約當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展，因此研究黃河流域未來極端氣候事件的時空分布，有助于了解極端氣候事件發(fā)生頻率和強度，對干旱、洪水等事件采取針對性策略，從而促進黃河流域穩(wěn)步發(fā)展。本文基于GFDL、FGOALS和CCSM4這3種適合黃河流域的氣候模式，采用多模式集合平均方法對RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5這3種未來情景下流域極端氣候事件的變化趨勢進行分析研究。

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)來源以及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河流域位于東經(jīng)96°—119°、北緯32°—42°，東西長約1 900 km，南北寬約1 100 km，流域面積為79.5萬km2。黃河流域幅員遼闊，山脈眾多，地勢西高東低，流域內(nèi)降水分布不均勻，年降水量200～650 mm，呈由東南向西北遞減的特征。從氣候?qū)r(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響的角度來看，流域內(nèi)東南部屬半濕潤氣候區(qū)，中部屬半干旱氣候區(qū)，西北部屬干旱氣候區(qū)，東亞季風導致黃河洪澇災害頻發(fā)，年平均氣溫4～12℃，主要表現(xiàn)為由東向西氣溫降低。

1.2 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)選用1961—2005年黃河流域63個氣象站點的日最高氣溫、日最低氣溫、日降水量數(shù)據(jù)，該類數(shù)據(jù)源自中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)。GFDL、FGOALS、CCSM4 3種CMIP5氣候模式數(shù)據(jù)集源自地球系統(tǒng)網(wǎng)格聯(lián)盟（ESGF），包括歷史氣候模擬試驗數(shù)據(jù)和21世紀氣候預估試驗數(shù)據(jù)。在21世紀氣候預估試驗中設(shè)計了RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0、RCP8.5這4種典型濃度路徑（RCP）情景，這是依據(jù)對未來發(fā)展的諸多假設(shè)模擬出的未來溫室氣體排放情景。由于多個CMIP5氣候模式?jīng)]有開展RCP6.0情景的預估試驗，因此本文選用RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5這3種未來情景展開研究。

1.3 研究方法

（1）多模式集合平均法（MME）。該方法被廣泛應用于氣候模擬與預估研究，主要包括等權(quán)集合平均法和加權(quán)集合平均法，本文選用等權(quán)集合平均法，公式如下：

式中：EE為模式集合結(jié)果；Fi為第i個模式的模擬數(shù)據(jù)；N為模式總數(shù)。

（2）極端氣候指標評估方法。選取最大1 d降水量（RX1DAY）、最大5 d降水量（RX5DAY）、每年日降水量≥20 mm的天數(shù)（R20－day）、連續(xù)濕日（CWD）、每年大于99%分位點的日降水量總和（R99）、日最高氣溫（TXx）、日最低氣溫（TNn）為黃河流域極端氣候指標?；趯崪y降水數(shù)據(jù)及CMIP5氣候模式的模擬數(shù)據(jù)，利用廣義極值分布法預估不同重現(xiàn)期的極端降水事件。

2 結(jié)果與討論

2.1 未來氣溫變化趨勢

采用等權(quán)集合平均法得出3種未來情景下2010—2099年黃河流域日最高氣溫和日最低氣溫的變化趨勢（見圖 1）。從預估結(jié)果來看，未來流域氣溫整體呈上升趨勢，RCP2.6情景下日最高氣溫、日最低氣溫的上升速率分別為0.052、0.029℃／10 a，RCP4.5情景下日最高氣溫、日最低氣溫的上升速率都為0.170℃／10 a，RCP8.5情景下日最高氣溫、日最低氣溫的上升速率分別為0.470、0.460℃／10 a。該結(jié)果表明RCP4.5情景和RCP8.5情景下流域日最高氣溫和日最低氣溫的上升幅度基本一致，而RCP2.6情景下流域日最高氣溫的上升速率高于日最低氣溫的上升速率。

圖1 2010—2099年黃河流域日最高氣溫、日最低氣溫的變化趨勢

黃河流域日最高氣溫、日最低氣溫的時空分布見圖2和圖3。整體來說，在RCP未來情景下日最高氣溫與日最低氣溫的空間分布規(guī)律呈現(xiàn)出一致性，從黃河上游河源區(qū)向中下游呈上升趨勢［9－11］。

圖3 2010—2099年黃河流域日最低氣溫時空分布

2.2 未來降水變化趨勢

多模式集合得到的2010—2099年黃河流域年降水量的變化趨勢見圖4，從MME方法預估結(jié)果來看，RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5情景下年降水量增加速率分別為0.67、5.71、12.90 mm／10 a，RCP8.5情景下年降水量增加趨勢最明顯。與RCP2.6情景相比，2040年之前RCP4.5情景和RCP8.5情景下表現(xiàn)為年降水量偏小的年份較多，這說明未來情景下黃河流域年降水量整體處于弱增加趨勢，到21世紀后期，高溫室氣體排放情景下的年降水量增幅稍大。

圖4 2010—2099年黃河流域年降水量變化趨勢

2020—2099年黃河流域最大1 d降水量和最大5 d降水量的變化趨勢見圖5。RCP2.6情景下流域最大1 d降水量范圍為30～55 mm，期間其峰值主要出現(xiàn)在2023年、2035年、2041年、2070年和2090年。RCP4.5情景下最大1 d降水量范圍為32～65 mm，其谷值出現(xiàn)在2030年、峰值出現(xiàn)在2088年。RCP8.5情景下最大1 d降水量范圍為40～60 mm，與RCP2.6情景和RCP4.5情景相比，RCP8.5情景下最大1日降水量整體呈上升趨勢，說明RCP8.5情景下流域未來最大1 d降水量發(fā)生頻率提高，出現(xiàn)極端降水事件的概率會增大［12－18］。3種未來情景下最大5 d降水量在60～170 mm范圍內(nèi)波動，其中：RCP2.6情景下最大5 d降水量峰值（為162 mm）出現(xiàn)在2040年，RCP4.5情景下最大5 d降水量峰值（為143 mm）出現(xiàn)在2067年，RCP8.5情景下最大5 d降水量峰值（為170 mm）出現(xiàn)在2068年。整體上RCP2.6情景下最大5 d降水量的波動范圍最小，而RCP8.5情景下最大5 d降水量表現(xiàn)出強烈的波動。

圖5 2020—2099年黃河流域最大1 d降水量和最大5 d降水量變化趨勢

進一步分析3種情景下2020—2054年和2055—2099年極端降水指標相較于基準期（1961—2005年）的空間變化，即利用未來時期的氣候模式數(shù)據(jù)減去歷史實測數(shù)據(jù)，考慮數(shù)據(jù)較多且各極端降水指標的變化趨勢較相似，以最大1 d降水量的空間變化作為典型（見圖 6），可以看出，與基準期相比，2020—2054年和2055—2099年RCP2.6情景下流域未來最大1 d降水量整體呈現(xiàn)增加趨勢，發(fā)生強降水事件的地區(qū)主要在黃河中下游。2020—2099年RCP2.6、RCP4.5情景下最大1 d降水量較基準期的變化幅度分別為－10～40 mm、－5～54 mm，黃河中游最大1 d降水量較基準期的增幅較大。RCP8.5情景下流域最大1 d降水量整體較基準期增加幅度最大，21世紀中期數(shù)值范圍為0～33 mm，到21世紀后期增加趨勢尤其明顯，數(shù)值范圍為20～43 mm，黃河中游地區(qū)最大1 d降水量顯著增加。

圖6 3種情景下2020—2054年和2055—2099年最大1 d降水量相較于基準期的空間變化

2.3 不同重現(xiàn)期的極端降水

對1961—2099年黃河流域不同情景和不同重現(xiàn)期的最大1 d降水量、最大5 d降水量變化趨勢進行預估，多模式集合所得歷史時期10 a、20 a、50 a一遇最大1 d降水量分別為27、30、33 mm，RCP2.6情景下10 a、20 a、50 a一遇最大1 d降水量分別為29、32、36 mm，RCP4.5情景下10 a、20 a、50 a一遇最大1 d降水量分別為30、33、37 mm，RCP8.5情景下10 a、20 a、50 a一遇最大1 d降水量分別為32、35、40 mm；歷史時期10 a、20 a、50 a一遇最大5 d降水量分別為62、67、74 mm，RCP2.6情景下10 a、20 a、50 a一遇最大5 d降水量分別為68、75、83 mm，RCP4.5情景下10 a、20 a、50 a一遇最大5 d降水量分別為73、81、89 mm，RCP8.5情景下10 a、20 a、50 a一遇最大5 d降水量分別為76、83、92 mm。3種情景下黃河流域未來10 a、20 a、50 a一遇最大1 d降水量和最大5 d降水量均高于歷史時期，且同一重現(xiàn)期內(nèi)RCP8.5情景下的最大1 d降水量和最大5 d降水量均高于RCP4.5和RCP2.6情景的。

3 結(jié) 語

對RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5未來情景下黃河流域氣候變化進行預估可知，RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5情景下日最高氣溫的上升速率分別為0.052、0.170、0.470℃／10 a，日最低氣溫的上升速率分別為0.029、0.170、0.460℃／10 a。日最高氣溫與日最低氣溫的空間分布規(guī)律呈現(xiàn)出一致性，從黃河上游河源區(qū)向中下游呈上升趨勢，發(fā)生強降水事件的地區(qū)主要在黃河中下游。基于此，須對黃河流域應對氣候變化的措施給予足夠重視，制定水資源綜合管理規(guī)劃，有效預防極端氣候事件，減輕其對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活的不良影響，保障區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展。