未来极端降水预估研究进展

陈晓 赵懿珺 纪平

摘 要：全球气候变暖各地极端气候事件频发，自然环境和人类生产生活受到重大影响，极端气候事件的变化发展及未来预估工作亟需开展，尤其是极端降水的变化与生活生产更是密切相关。该文在全球变暖大背景下基于未来各种排放情景，对极端降水的定义、预报方法以及演变趋势的研究成果进行归纳总结，以为后续研究提供参考。

关键词：极端降水 预报 全球变暖 气候模型 极端化

中图分类号：P463 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）03（a）-0020-04

Progress on Prediction of Future Extreme Precipitation

Chen Xiao Zhao Yijun Ji ping

（China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

Abstract：With global warming and the development of extreme weather events，natural environment and human life have been significantly affected，changes of extreme events and future projections must be carry out，especially the changes in extreme precipitation，which is closely related to the life and production.With the future various emission scenarios presented in this paper is a summarization of definition，prediction，and evolution of extreme precipitation，to provide references for subsequent research.

Key Words：Extreme Precipitation；Prediction；Global Warming；Climate Models；Extreme

由于化石燃料的燃烧和人类居住面积的扩张，大气中CO2浓度日趋增加，在一系列排放情景下，预估未来20年将以每10年大约升高0.2 ℃的速率变暖，预估到21世纪末在各种排放情景球平均地面气温升将达到1.1～6.4 ℃[1]。在全球气候变化的背景下，持续高温、干旱、洪涝、极端暴雨等极端气候事件的发生频率、危害程度和范围均有所增加[2，3]。40年来，由极端气候事件所引发的经济损失上升了近10倍[4]。近年来，极端降水事件不断发生，对自然环境和人类社会产生了重要影响例如，2012年7月21日发生的北京特大暴雨导致数十人伤亡[5]。目前，国内外对气候变化背景下的极端降水开展了大量工作，主要关注极端降水预报与演变规律。该文拟对极端降水的定义、预报方法以及演变趋势的研究成果进行归纳总结，以为后续研究提供参考。

1 极端降水的定义与预报方法

1.1 定义

目前，极端气候事件的定义尚不统一[6-9]，大致可分为两类：一是从统计学角度来定义，通常以发生概率小于或等于第10（或大于第90）百分位数来界定；二是依据事件发生的强度。对于具体的极端天气事件，主要从两方面考虑：一是给定气象要素阈值[9]，考察发生事件的气象要素值是否超过该阈值[10]；二是分析表征极端气候事件的代用气候指数[11]，间接反映极端气候事件的变化。在极端气候指数研究方面，代表性工作包括：Frich等[12]提出了10个极端气候指数，气候变化探测和指标联合专家组（ETCCDMI）提出了27个代用气候指数[13]。上述指数中与极端降水相关的常用指数如表1所示。极端降水与温室气体排放密切相关。政府间气候变化专门委员会（IPCC）给出了温室气体排放的六种情景，涉及一系列人口、经济和技术驱动力以及由此产生的温室气体排放。如表2所示，其中A2、A1B、B1被确定为未来气候变化的主要情景[14]。

1.2 预报方法

气候变化预报研究主要关注不同排放情景下气候变化的模拟[15]。该工作始于20世纪50年代，在20世纪70年代得到快速发展。目前，气候变化的预报模式主要有大气环流模式、海洋环流模式和海气耦合气候模式[16]。

海气耦合气候模式是预报大尺度气候变化的重要模式，在高层大气场、近地面温度以及大气环流模拟方面有诸多应用[17]。针对此模式，国内外提出了大量的数学模型，比如德国马普实验室的ECHAM5模型、加拿大气候模型与分析中心的CGCM模型、美国海洋大气局的GFDL模型、英国Hadely气候预测与研究中心的HadCM模型、中国中科院大气物理研究所的FGOALS模型以及中国气象局国家气候中心的BCC-CSM模型。

对于中小尺度极端气候事件，全球模式的分辨率难以满足预报要求[18]。为克服该缺点，国内外开展了大量工作，提出了四种应对途径，即建立分辨率极高的全球模式、使用可变分辨率模式[18]、基于数理统计做降阶处理[19]、采用降尺度法。上述4种方法中，降尺度法目前使用较多，主要包括动力降尺度和统计降尺度。动力降尺度方法主要利用不同尺度气候模型之间存在的物理和动态链接，以低分辨率全球气候模式结果作为强迫场和边界条件来驱动高分辨率的区域气候模式[20]，利用嵌套在全球气候模式（GCM）中的高分辨率区域气候模式（RCM），进一步预估各区域或局地不同排放方案下未来气候变化的细节[21]。该方法有待改进的地方包括：减小全球气候模式带来的系统误差影响，增强区域与全球气候相互作用，消除实际应用过程中的内部变率等[22]。统计降尺度法主要利用原型资料建立大尺度气候状况与区域尺度气候要素间的关联来预报区域未来气候变化情景[23]。目前随着科技的发展，统计降尺度方法应用越来越广泛，概括起来主要有三种：转换函数法、天气发生器和环流分型技术。该法的不足在于不能明确描述影响气候的物理过程。

降尺度方法的选择与降尺度变量、研究区域以及可用数据有关[24]。Haylock et al.[25]发现非线性人工神经网络是研究英国西北和东南部降水指数年际变化的最成功方法。Tryhorn L& Degaetano A[20]针对美国东北部极端降水的预测研究发现，统计降尺度模型的模拟值与实测值更加匹配。此外，Jeong D.I et al.[26]等还提出了多站点统计降尺度模型。

2 极端降水演变趋势

已有研究成果表明极端降水因气候变化呈增加趋势。受季节、研究区域和极端降水定义的影响，各研究结果略有差异。北半球高纬度陆地区域的降雨发生频率、暴雨频率分别提高5%～10%，2%～4%[27]。过去几十年，我国极端降水变化态势与全球态势基本一致，但区域性差异更加突出，大部分地区的降水呈明显增长趋势，西部和长江中下游极端降水频率显著增加，长江流域及其以南地区的极端降水日数呈增加趋势[28-30]。

未来气候变化将对全球降水有重要影响。亚洲南部和东部20年重现期的日降水量居全球最高，并且未来的增长速率也最快。加拿大气候模型与研究中心预测表明，本世纪全球平均降水量的增幅小于3%，重现期为20年的24小时极端降水率增幅将大于20%，类似演变规律在其它研究中也有所报道[31-33]。表3为部分地区未来极端降水变化的研究成果。

从表3可以看出：（1）降雨极值即使在平均降水量减少的地方也有增加的趋势，未来极端降雨增幅比年际平均降雨增幅大；（2）未来降水有走向极端化的趋势，且总降水量增大的区域，极端强降雨事件有明显增加的趋势。

3 结论与展望

（1）极端降雨事件的发生机理非常复杂，温度增加值与极端降雨量变化幅度的关系有待深入研究。

（2）基于海气耦合模式与区域化技术的综合预报方法是未来极端气候事件预报的重要方法。在此基础上发展的区域化技术是解决小尺度、高分辨率模拟的重要途径，其中动力降尺度与统计降尺度方法应用效果最好，但是也存在一定不足，动力降尺度方法由于系统误差和参数选择的局限性，在实际应用中效果受很大影响；随着科技的发展统计降尺度方法会应用越来越广泛；多站点统计降尺度模型有望提供更好的空间连续性，是将来模型开发研究的重点对象。

（3）近几十年降水极值与短时间内降水量有增加迹象，且变化幅度与温室气体排放强度成正比。预估未来五十年到一百年极端降水值呈现显著增长趋势，与降水有关的变化有趋于极端的迹象。

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