基于高分辨率模拟数据RCP4.5情景下的华中区域气候变化预估

王苗 刘敏 任永建

(武汉区域气候中心，湖北 武汉 430074)

引言

自1998年政府间气候变化专门委员会(IPCC)成立以来，已陆续针对全球气候变化对社会、经济的潜在影响以及如何适应和减缓气候变化的可能对策做过五次评估，其中AR5指出,1880—2012年全球平均温度已升高0.85 ℃。2018年10月8日， IPCC发布了《IPCC全球升温1.5 ℃特别报告》(简称SR1.5)及决策者摘要，报告显示目前全球平均气温较工业化前已升高1 ℃[1]。 报告同时强调将全球变暖限制在1.5 ℃而不是2 ℃或更高，可以避免一系列气候变化影响[2-3]，1.5 ℃、2.0 ℃温升阈值也已成为气候预估和影响研究的热点话题[4]。诸多研究表明[5-6]，全球地表平均温度将继续上升，热浪、强降水等极端事件的发生频率将增加。在未来全球持续变暖背景下，全球和区域尺度气候如何变化是众多科学家关注的主题之一[7-9]，准确预估未来气候变化对应对气候变化及提出减缓和适应措施具有重要的指导意义。

中国华中区域包括湖北、湖南、河南三省[10]，是中国重要的粮食生产基地，区域内有世界闻名的长江三峡、南水北调中线等重大水利工程，在国民经济发展中具有举足轻重的地位。已有研究表明[11]，华中区域1961—2010年区域年平均气温呈0.15 ℃/10 a的极显著增加趋势，降水量无明显变化趋势。任永建等[12]曾利用CMIP3多个全球气候模式数据开展华中区域A2、A1B、B1温室气体排放情景下平均气温预估分析，表明3种排放情景下21世纪末区域平均气温增幅(相对于1961—1990年)分别为3.7 ℃、3.4 ℃、2.0 ℃，研究同时指出全球模式的分辨率较粗，在进行气候预估方面尚存在一定的不确定性。

区域气候模式因为具有较高的时空分辨率，能够更好地显示出气候场分布及区域性特征[13]，已成为气候变化模拟研究的重要工具，而高分辨率区域模式更具优越性[14]。目前，高分辨率区域气候模拟结果已用于中国的淮河[15]、长江[16]、鄱阳湖[17]、黑河[18]等区域研究，很多区域气候变化预估工作重点针对RCP4.5温室气体排放情景下开展[19-22]。邓婷等[23]基于高分辨率模拟数据开展湖北地区气候预估，指出汉江流域湖北段北部气温增幅最大。但是基于高分辨率数据的华中区域气候预估工作，尤其是1.5 ℃和2 ℃阈值方面的研究尚未可见。本研究将利用RegCM4.4区域气候模式模拟所得的RCP4.5温室气体排放情景下高分辨率逐日资料，在开展模式数据模拟能力检验的基础上，对中国华中区域未来不同时期及1.5 ℃、2 ℃不同温升情景下气温、降水时空特征进行预估，以期为区域提供更精细的气候变化预估结果，为气候变化定量影响评估和适应对策研究提供参考。

1 资料与方法

所用观测数据为华中区域1986—2005年通过均一性检验的逐日气温和降水量数据(其中气温102 个站点，降水233 个站点)，该数据由国家气象信息中心提供。

模式数据为高分辨率区域气候变化预估数据，是由国家气候中心和中国科学院大气物理研究所研究人员使用RegCM4.4区域气候模式进行的模拟试验结果，模式水平分辨率为25 km，垂直方向为18 层。驱动区域气候模式的初始场和侧边界值由CMIP5全球气候模式HadGEM2-ES的逐6 h输出提供，模拟试验中采用的是RCP4.5中等温室气体排放情景。研究范围为华中区域(108°—117°E、24°—37°N)，所用要素为气温和降水，经后处理双线性插值到0.25°×0.25°的网格，时间段为1986年1月1日至2098年12月31日，时间尺度为日平均。研究中基准期为1986—2005年，近期为2020—2035年，中期为2046—2065年，远期为2080—2098年。

2 结果分析

2.1 气候模式对华中区域气温、降水变化的模拟能力检验

2.1.1 华中区域温度变化的模拟检验

对比基准期(1986—2005年)中国华中区域逐月平均气温的模拟值和观测值(图1)，可以看出模式模拟的区域月平均气温与观测值一致性较好，能较好的反映出华中区域平均气温年内变化特征，最高、最低值出现月份较为一致，春季、夏季模拟差值较大，秋季、冬季模拟值和观测值较接近，整体模拟值较观测值偏低0.6 ℃。

图1 1986—2005年中国华中区域月平均气温模拟值与观测值Fig.1 Variation of comparison between observed and simulated values of monthly average temperature in Centre China from 1986-2005

由图2可知，模拟场能反映出气温南高北低的分布型，能较好模拟出湖南省南部、湖北省东南部的高温中心及湖南省和湖北省西部交界处、湖北省神农架林区及河南省西部的低温中心，但高、低温中心位置略有差异；模拟和观测的差值场显示，大部地区模拟值较观测值有±0.4 ℃的偏差，其中湖北省大部、河南省西部及湖南省西部出现0.8—1.2 ℃的冷偏差，河南省东部及湖南省东部小范围地区出现0.4—0.8 ℃的暖偏差，冷偏差较大区域主要位于湖北西部及河南西北部，均为高山地区，地形较为复杂，而气温对地形高度有很强的依赖关系[24]，这可能是导致模拟偏差较大的原因。

图2 1986—2005年中国华中区域年平均气温观测值(a)、模拟值(b)、模拟和观测差值(c)空间分布Fig.2 Spatial distributions of the observed (a) and simulated (b) values of annual temperature,and the differences between them (c) in Centre China from 1986-2005

2.1.2 华中区域降水变化的模拟评估

1986—2005年中国华中区域逐月平均降水模拟与观测值序列变化趋势比较一致(图3)，模拟值能较好反映出区域降水量年内月先增多再减少的变化型，但降水量最大值出现在6月，各月降水模拟值较观测值偏高，其中7—12月的偏差较小。

图3 1986—2005年中国华中区域月平均降水模拟与观测值比较Fig.3 Comparison between the observed and simulated values of monthly average precipitation in Centre China from 1986-2005

对比中国华中区域年均降水模拟值和观测值空间分布场可以看出(图4)，模式结果不仅能够准确模拟出区域南多北少的降水格局，也能较好再现降水幅度，且湖南省中部、湖北省西南部和湖北省东北部的多雨区、湖南省西南部的少雨区、1300 mm和800 mm降水等值线的南北位置和观测场差异也较小。二者差值场可以看出，仅湖南省和湖北省西部小范围及河南省局部地区出现200—400 mm的正偏差，其余大部地区仅有±100 mm的偏差。

图4 1986—2005年中国华中区域年平均降水观测值(a)、模拟值(b)、模拟和观测差值(c)空间分布Fig.4 Spatial distributions of the observed (a) and simulated (b) values of annual precipitation,and the differences between them (c) in Centre China from 1986-2005

上述结果表明，本研究所用模拟数据可以很好地再现出华中区域温度和降水的时空变化。与气温相比，降水随时间变化模拟状况较差，但空间模拟性能更优。

2.2 区域平均气温、降水时间变化的预估

未来RCP4.5温室气体排放情景下2020—2098年华中区域平均气温整体上升2.1 ℃(图5和表1)，以0.3 ℃/10 a的趋势增加，年际间波动变化较为明显，较基准期(1986—2005)相比升高幅度为0.4—3.8 ℃。21世纪20—40年代整体气温增幅维持在1 ℃左右，21世纪40年代开始气温增幅呈明显波动上升趋势，增幅在1.5—2.0 ℃区间附近震荡，50年代末期开始至90年代初期，气温增幅多维持在2.5—3.0 ℃。远期气温增幅为2.88 ℃，远超过近期(1.1 ℃)和中期(2.07 ℃)，但远期气温呈每10 a降低0.11 ℃的变化趋势，近期和中期则分别呈现每10 a升高0.27 ℃、0.46 ℃的变化趋势。

图5 2020—2098年中国华中区域平均降水(a)和气温(b)相对基准年变化序列Fig.5 Variations of precipitation (a) and temperature (b) anomaly sequences in Central China from 2020-2098

表1 模式预估未来不同时期中国华中区域平均气温和降水统计量Table 1 Statistics of annual mean temperature and precipitation projected by model during different stage in future

温室气体强迫导致的增暖以及增温幅度的区域性不同，影响未来大气环流和大气持水能力，从而影响降水变化[25]。RCP4.5温室气体排放情景下未来中国华中区域2020—2098年期间降水相比基准期增加2.79%，无明显变化趋势。近期降水变率和2020—2098年期间接近，但呈-21.1 mm/10 a的变化趋势；中期、远期降水分别呈现18.2、35 mm/10 a的变化趋势，但中期降水减少1.86%，远期增加7.58%。未来降水多以正距平为主，尤其是21世纪20年代、40 年代初期、70年代初期、2080—2090年期间会出现持续降水正距平的异常状况，需引起关注。

2.3 未来不同时期华中区域气候变化

未来RCP4.5温室气体排放情景下中国华中区域气温全区一致升高(图6)，大部地区增温2 ℃左右，增幅大值区主要位于湖南省北部，增幅接近2.3 ℃；湖北省北部地区增幅为2.14—2.19 ℃，其他大部地区增幅高于2.19 ℃；河南省仅西部小范围地区增幅高于2.14 ℃，其他地区增幅为2.06—2.14 ℃。华中区域降水变化分界线呈“西南—东北”走向，呈南部减少北部增多分布，湖南省大部减少约2%—6%，西北部和湖北省西南交界处出现增加约10%—14%的高值区；湖北省江汉平原南部、东南部减少6%—8%，神农架林区减少约25%，其他地区增加约8%—12%；河南全省降水一致增加，其中中部、北部增加约18%—22%。

相对基准期1986—2005年图6 RCP4.5温室气体排放情景下2020—2098年中国华中区域气温(a)和降水(b)相对于基准期空间变化Fig.6 Spatial distributions of the temperature (a) and precipitation (b) anomaly in Central China from 2020-2098 under the RCP4.5 scenarios relative to the base period

2.3.1 区域不同时期气温空间变化预估

图7为RCP4.5温室气体排放情景下中国华中区域未来不同时期气温相对基准年的空间分布。2020—2035年期间区域大部地区增温1 ℃左右，南部增幅高于北部，增幅高值区位于湖南省中北部地区，多在1.2 ℃以上，低值区位于河南省东部，多不足1 ℃。区域气温增幅南高北低的分布型与任永建等[12]研究中A2情景下2021—2050年气温增幅分布较为相似，但是增加幅度与B1情景更为接近。

图7 RCP4.5温室气体排放情景下2020—2035年(a)、2046—2065年(b)和2080—2098年(c)中国华中区域气温相对于基准期空间变化Fig.7 Spatial distributions of the temperature anomaly in Central China from 2020-2035 (a),2046-2065 (b),and 2080-2098 (c) under RCP4.5 scenarios relative to the base period

2046—2065年期间区域大部地区增温2 ℃左右，湖南省增幅南低北高，在湖南北部和湖北江汉平原南部交界处出现增幅为2.2—2.3 ℃的高值区；湖北省大部地区增温2.2 ℃左右，中部增幅高于东西部；河南省大部增幅为2.2—2.3 ℃，东部小范围增幅超2.4 ℃。

2080—2098年区域大部地区增温2.6—3.0 ℃，湖南省南部增幅多为2.7 ℃左右，北部和湖北省江汉平原南部交界处出现增幅高于3.0 ℃的高值区，湖北省南部增幅多为2.9—3.1 ℃，北部增幅多为2.8—2.9 ℃；河南省大部地区增温2.6—2.9 ℃，西部小范围地区超过3 ℃。

2.3.2 区域不同时期降水空间变化预估

图8为RCP4.5温室气体排放情景下中国华中区域未来不同时期降水相对基准年的空间分布。近期降水变化分布型和2020—2098年较为接近，湖南省除西北部小范围增加外，其他大部地区减少，其中东北大部、南部局部减少约5%—10%；湖北省除东南南部、江汉平原南部减少5%左右外，其余大部地区增加，其中东北部、西北部神农架林区及西南部增加约10%—15%；河南全省降水增加，大部地区增加约15%—20%，其中中南部及东北部增加约20%—25%。中期降水除河南省西北部大部地区增加4%—12%、湖北省西南部和湖南西北部交界处小范围增加4%—6%外，其他地区均减少，其中湖北省西北部和东南部、湖南省东北部减少4%—12%。远期降水除湖南省中部及南部减少3%—6%外，其他大部地区增加，其中湖北大部地区增加6%—12%，西南部及神农架林区出现24%的高值区，河南省北部、西南部大部及中部地区增加超过30%，其他大部增加12%—18%。

图8 RCP4.5温室气体排放情景下2020—2035年(a)、2046—2065年(b)和2080—2098年(c)中国华中区域降水相对于基准期空间变化Fig.8 Spatial distributions of the precipitation anomaly in Central China from 2020-2035 (a),2046-2065 (b),and 2080-2098 (c) under RCP4.5 scenarios relative to the base period

2.3.3 1.5 ℃和2 ℃升温阈值下华中区域气候变化

本研究中RCP4.5温室气体排放情景下，全球平均气温到达1.5 ℃的温升时间是以全球模式HadGEM2—ES的全球平均表面温度为参考，首先将序列进行9 a滑动平均以去除年际变率，增加1.5 ℃时段的中间年定义为平均温度首次超过工业革命前(1861—1900年)。同理确定2 ℃温升时间，最终确定对应1.5 ℃和2 ℃升温阈值的中间年分别是2030年、2044年[25-26]。参考前人研究方法[9]，选取2030年及其前后4 a共9 a作为RCP4.5温室气体排放情景下到达1.5 ℃温升的分析时段，选取2044年及其前后4 a共9 a作为到达2.0 ℃温升的分析时段。

图9给出了1.5 ℃温升情景下华中区域气温、降水相对基准年的空间分布。可以看出，1.5 ℃温升情景下华中区域平均气温增加约1.22 ℃，大部地区气温增温为1.1—1.3 ℃。湖南省南部增幅约1 ℃左右，北部增幅为1.3—1.5 ℃；湖北省增幅多为1.22—1.38 ℃，由南向北递减；河南全省增幅低于1.26 ℃，东部小范围地区增幅不超过1 ℃。区域降水平均增加约1.93%，湖南省除西南部、北部部分地区增加约4%—8%外，其他大部地区减少4%—8%，洞庭湖区中部减少8%—12%；湖北省江汉平原及东南部减少4%—12%，其他地区增加4%—8%；河南全省趋于增加，北部小范围增加32%—40%。

图9 RCP4.5温室气体排放情景下全球升温1.5 ℃中国华中区域气温(a)、降水(b)相对于基准期空间变化Fig.9 Spatial distributions of the temperature (a) and precipitation (b) anomaly in Central China under 1.5 ℃ global warming under RCP4.5 scenarios relative to the base period

2 ℃温升情景下(图10)，华中区域平均气温增加约1.36 ℃，大部地区增加为1.2—1.4 ℃，湖南省南部增加1.3 ℃左右，北部大部地区增幅超1.42 ℃，洞庭湖区超过1.46 ℃；湖北省西南部、东南部及东北北部增幅超1.42 ℃，其他地区增幅为1.34—1.38 ℃；河南省南部增幅多高于1.34 ℃，北部多低于1.34 ℃，东北部分地区低于1.3 ℃。区域降水整体增加约3.57%，湖南省东部大部地区减少不足4%，南部及长株潭区中部减少4%—8%，西部大部地区增加4%—8%，北部和湖北省西南部交界处增加12%—20%；湖北省西北部中部和东南部大部地区减少不足4%，西部大部、中部多增加4%—12%，其中西南部增加12%—16%；河南省除南部小范围减少不足4%外，其余大部地区增加约4%—12%，出现一个开口向西南的“U”型高值区，降水增加12%—16%。结合1.5 ℃温升情景下增温情况可以看出，华中区域增温整体较全球及全国相比偏低。

图10 RCP4.5温室气体排放情景下全球升温2 ℃中国华中区域气温(a)、降水(b)相对于基准期空间变化Fig.10 Spatial distributions of the temperature (a) and precipitation (b) anomaly in Central China under 2 ℃ global warming under RCP4.5 scenarios relative to the base period

3 结论与讨论

(1)本研究所用的高分辨率区域气候模式数据能较好再现中国华中区域气温南高北低的分布型及高、低温中心，但模拟值较观测值偏低0.6 ℃；较气温相比，模式对区域降水空间场模拟更有优势，能很好地再现区域南多北少的降水格局、多雨区、少雨区及1300 mm、800 mm降水等值线位置。

(2)未来RCP4.5温室气体排放情景下2020—2098年中国华中区域年平均气温较基准期相比增加2.1 ℃，整体以0.3 ℃/10 a的趋势增加，增温速率与任永建等[12]研究中 A1B情景下增暖速率(0.38 ℃/10 a)结论较为接近但偏低。气温在各个时期全区域表现为一致增加趋势，其中中期增温速率为0.46 ℃/10 a，远超过其他两个时期，增幅大值区主要位于湖南北部和湖北江汉平原南部交界处及河南东北部，此外汉江流域湖北段北部增幅也较大，这和邓婷[23]的结论也较为接近。华中区域未来升温峰值出现在21世纪50年代，气温年际间变化较任永建[12]研究相比波动更为剧烈，峰值出现时间提前。

(2)未来2020—2098年区域年平均降水量较基准期仅增加2.79%，整体表现为北增南减，中期降水以减少为主，远期以增加为主。远期较基准期相比变率、变化趋势分别为7.58%、35 mm/10 a，均高于近期和中期，这和任永建等[12]结论是一致的。远期除湖南省中部及南部减少3%—6%外，其他大部地区增加，其中河南省北部、西南部大部及中部地区增加超过30%。

(3)1.5 ℃温升情景下华中区域平均气温增幅约为1.22 ℃，增幅大值区主要位于湖南北部及湖北南部；降水平均增加约1.93%，其中河南北部增加明显。2 ℃温升情景下，气温增幅约为1.36 ℃，增幅大值区位于洞庭湖区；降水整体增加约3.57%，湖北西南部及河南西部增加明显。与已有研究结论相比，RCP4.5温室气体排放情景下华中区域达到1.5 ℃升温阈值时间偏晚[27]，间接印证了周梦子等[28]研究中指出的华中地区、华东、华南地区升温到达1.5 ℃时间出现在21世纪30年代等结论，达到2.0 ℃升温阈值时间偏早[29-30]。华中区域增温整体较全球及全国相比偏低，但完成从1.5 ℃升温阈值到2 ℃升温阈值所需时间较全球相比缩短。

(4)虽然本研究使用的是高分辨率模拟预估数据，评估显示模拟结果也能较准确反映出区域降水、气温部分时空分布特征，然而气候模式本身存在系统误差[31-32]以及未来温室气体排放情景设计中的不确定性[33]，因此得到的未来气候变化预估必定存在不确定性。但作为气候预估性研究，本文结果对于华中区域气候变化研究仍具有一定参考意义。

(致谢：感谢国家气候中心提供的区域气候模式模拟数据。)