基于CMIP6模式数据的1961—2100年青藏高原地表气温时空变化分析

孟雅丽， 段克勤， 尚 溦， 李双双， 邢 莉， 石培宏

（陕西师范大学地理科学与旅游学院，陕西西安 710119）

0 引言

青藏高原作为第三极，其独特的冰冻圈地貌对全球变暖极其敏感，近50年来青藏高原气温以0.3~0.4 ℃·（10a）-1的速率上升，其增温速率是全球平均的2 倍[1-2］，即 使 在1998—2012 年 全 球 变 暖 停 滞期[3］，青藏高原地表气温仍持续升高[4-5］。受高原变暖影响，出现了冰川退缩、冻土消融、湖泊扩张、极端天气气候事件频发、高原物种减少等现象[6-8］。为进一步评估未来青藏高原气候环境的变化趋势，亟需对青藏高原未来的地表气温变化进行研究。

已有研究利用观测数据、再分析资料等从不同角度研究了青藏高原过去的地表气温变化[9-11］，发现青藏高原不同区域、不同海拔的升温速率和升温幅度差异明显[12-13］。同时，基于模式模拟也对青藏高原地表气温在不同情景下的变化进行了大量研究[14-18］。1995 年发起的国际耦合模式比较计划（Coupled Model Intercomparison Project，CMIP）提供了历史时期以及不同碳排放情景下未来气候变化的模拟结果，这为全球气候变化研究提供了大量的基础数据[19-20］。分析2012 年发布的CMIP5 模式数据发现，CMIP5 模式对青藏高原地表气温的模拟存在不同程度的冷偏差，并且多模式集合平均的模拟效果要优于大多数单个模式[18，21-22］；同时也对青藏高原未来的地表气温变化进行了预估[23-25］，研究表明青藏高原区域平均地表气温在21 世纪早期（2016—2035 年）、中期（2046—2065 年）和末期（2081—2100 年）在典型浓度路径（representative concentration pathway，RCP）4.5 情景下，相对于1986—2005年，将分别升高1.1 ℃、2.1 ℃和2.7 ℃。受复杂的升温机制影响，在全球平均温度较工业化前升温1.5 ℃和2 ℃的情况下，青藏高原受变暖影响的时间将比全球平均提早约10年，即高原升温幅度要大于全球平均水平[12］。

相比于CMIP5，2019年发布的CMIP6模式模拟效果有了显著提高[26-28］。CMIP6最大的特色在于其包含了23 个由世界各国专家自行组织和设计的模式比较子计划（CMIP6-endorsed MIPs），其中情景模式比较计划（ScenarioMIP）是CMIP6 最重要的子计划之一[29］，该子计划延续了CMIP5 的典型浓度路径（RCP）情景，在不同共享社会经济路径（shared so⁃cioeconomic pathway，SSP）可能发生的能源结构所产生的人为排放及土地利用变化的基础上，设计了不同SSP 与辐射强迫组合的新情景预估试验，以此来预估在不同排放情景与不同政策措施控制下未来全球气候所发生的不同变化[26，30-32］。因此，无论从模式的改进，还是对未来情景的设计上，CMIP6模拟结果更符合实际。

目前利用CMIP6 模式数据对青藏高原气候变化的相关研究还处于起步阶段[33-34］，缺乏在不同SSP 情景下CMIP6 数据所表征的青藏高原未来地表气温时空变化的研究。为此，本文采用已发布的CMIP6 情景模式比较计划中的22 个地球/气候系统模式数据，首先对青藏高原历史时期（1961—2014年）年均地表气温变化的模拟效果进行评估，然后对整个青藏高原在21 世纪中期（2041—2060 年）和末期（2081—2100 年）的升温速率和升温幅度进行预估，并研究其未来地表气温变化的空间规律，为制定减缓策略提供科学依据。

1 数据与方法

青藏高原地势高，地形复杂，平均海拔在4 000 m以上，为体现高原的高海拔特性，本文选取在25°~40°N、70°~105°E 范围内，海拔2 500 m 以上的区域作为研究区（图1）。

图1 青藏高原海拔2 500 m以上地形图Fig.1 Topography of the Tibetan Plateau with an elevation above 2 500 m

1.1 数据资料

本研究采用CMIP6 中的22 个地球/气候系统模式（表1，详见https：//esgf-node. llnl. gov/projects/cmip6/）模拟的距离地面2 m 的气温（near-surface air temperature，简称地表气温）逐月数据，模式评估时间段为1961—2014年，未来模拟时间段为2015—2100 年。未来时段的研究选取情景模式比较计划中的Tier-1 核心试验，包括SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0 和SSP5-8.5 四种不同的共享社会经济路径预估情景，不同情景代表着不同共享社会经济路径与不同辐射强迫的组合（表2）[29，35］。

表1 第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）中22个地球/气候系统模式的基本信息Table 1 Basic information of the 22 earth-climate system models in the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6（CMIP6）

表2 情景模式比较计划中未来时段情景试验描述（据参考文献[29，35］修改）Table 2 Description of scenario experiments in the future in ScenarioMIP（modified from References[29，35］）

作为模式评估参考的观测数据，通过对比我国气象站点观测数据与地面气温月值0.5°×0.5°格点数据集（V2.0），对CMIP6模式数据的评估效果较为一致。另外，考虑到我国格点化气象数据集在青藏高原西部存在的较大不确定性[36］，以及本文所选研究区范围超出了国界，因此，本研究采用国家气象信息中心提供的地面气候资料月值数据集（https：//data. cma. cn/），从中选取青藏高原范围内1961—2014 年数据完整的66 个气象站月平均地表气温数据（以下简称观测数据），以此来评估CMIP6 历史时期的模拟性能。

1.2 研究方法

在对CMIP6 模式模拟的青藏高原历史时期（1961—2014 年）地表气温数据进行评估时，采用双线性插值法将各模式数据插值到气象站所在经纬度站点上，比较模式数据与观测数据，以评估其模拟能力。具体是在标准化的泰勒图[22，37］上，绘出模式模拟数据与观测数据在时间和空间尺度上的标准差、均方根误差和相关系数，以此直观反映模式对青藏高原历史时期年均地表气温时空变化的模拟能力。

在对未来时段的研究中，由于不同模式分辨率不同，为了直观展现青藏高原地表气温的空间分布情况，同时为便于对各模式之间的相互比较，以及进行多模式集合平均，采用双线性插值法将各模式数据统一插值到0.5°×0.5°的经纬网格上，共计1 214 个格点。然后采用一元线性回归方法计算不同时段的空间升温趋势和升温幅度，并运用t检验法对升温趋势进行显著性检验。此外，为对比不同时段的变化幅度，综合青藏高原气候变化的特点，以及现有CMIP6 的相关研究[38-39］，本文选取1995—2014年作为参考时间段。

2 结果与分析

2.1 CMIP6模式对青藏高原地表气温的模拟能力评估

从泰勒图[图2（a）］看，尽管不同模式由于分辨率和模型参数化方案的差异，模拟效果差异较大，但大多数模式都能较好地模拟青藏高原历史时期年均地表气温随时间的变化趋势，相关系数集中在0.32~0.85之间，平均值为0.61，模式模拟标准差与观测的标准差之比在0.63~1.57 之间，标准化后的均方根误差在0.55~1.09之间。模拟效果较好的模式有CESM2-WACCM、CESM2、ACCESS-CM2 和KACE-1.0-G，模拟效果较差的模式有CAMS-CSM 1.0、CanESM5、EC-Earth3 和MIROC6。与单个模式模拟结果相比，多模式集合平均（MME）效果优于全部单个模式，其相关系数、标准化后标准差、标准化后的均方根误差分别为0.85、0.69和0.55。

从泰勒图[图2（b）］看出，22个模式模拟的空间尺度相关系数在0.54~0.69之间，平均值为0.64，与时间尺度泰勒图相比，相关系数略高。模拟效果较好的模式有CESM2-WACCM、CESM2、AWI-CM 1.1 MR 和MPI-ESM1.2-HR，模拟效果较差的模式有 FGOALS-g3、MIROC6、IPSL-CM6A-LR 和CanESM5。MME 模拟效果优于大多数单个模式，其相关系数、标准化后标准差、标准化后的均方根误差分别为0.67、0.94和0.79。

图2 CMIP6模式模拟的青藏高原1961—2014年年均地表气温相对于观测数据的泰勒图Fig.2 Taylor diagrams for annual mean near-surface air temperature over the Tibetan Plateau between CMIP6 models and observations for 1961—2014：temporal scale（a），and spatial scale（b）（Each letter represents a model，see Table 1；W represents the multi-model ensemble mean simulated results，and REF represents the observations）

综合[图2（a）］和[图2（b）］，不论从时间尺度，还是空间尺度上，多模式集合平均结果比单个模式模拟结果更优。图3进一步比较了青藏高原1961—2014 年期间66 个气象站点平均地表气温和多模式集合平均相对于1995—2014 年的变化。22 个模式的气温升高速率在0.12~0.48 ℃·（10a）-1之间，不同模式模拟结果差异较大，而66个气象站观测的平均地表气温升温速率为0.31 ℃·（10a）-1。基于此，本文以22 个模式的集合平均模拟结果来研究青藏高原21世纪的地表气温变化。

2.2 2015—2100 年青藏高原地表气温变化趋势的时空分布

2.2.1 时间变化

图3 是2015—2100 年间，4 种SSP 情景下，多模式集合平均的青藏高原年均地表气温变化趋势。4种情景预估结果在21 世纪前期受辐射强迫差异的影响较小，其升温的幅度差距不明显。自2040年开始，4 种情景模拟的升温趋势开始出现明显的差异。SSP1-2.6 情景下青藏高原的年均地表气温在2050年后基本保持稳定并略呈下降趋势，2100 年地表气温比参考时段（1995—2014 年）要高1.37 ℃。而在SSP2-4.5、SSP3-7.0 和SSP5-8.5 三种情景下，高原平均地表气温均呈逐年上升趋势，相对于1995—2014年参考时段，到2100年高原平均地表气温分别升高2.81 ℃、5.04 ℃和6.21 ℃。

图3 不同情景下22个CMIP6模式及其集合平均模拟的青藏高原1961—2100年年均地表气温相对于1995—2014年的变化Fig.3 Changes of annual mean near-surface air temperature over the Tibetan Plateau for 1961—2100 relative to 1995—2014 by 22 CMIP6 models and the multi-model ensemble mean under different SSP scenarios

2.2.2 空间分布

在不同情景下，2015—2100 年青藏高原多模式集合平均的增温趋势在空间上差别较大（图4），在SSP1-2.6 情景下，升温趋势最大处于高原东部，而其余三种情景下高原地表气温变化趋势空间分布格局相似，都存在三个升温中心，分别为帕米尔高原、藏北高原中西部和巴颜喀拉山区，而增温趋势最小的区域都集中于藏东南地区。

图4 不同情景下青藏高原2015—2100年多模式集合平均年均地表气温的线性变化趋势Fig.4 Linear trend of annual mean near-surface air temperature by multi-model ensemble mean over the Tibetan Plateau during 2015—2100 under different SSP scenarios（All regions passed the 0.01 significance test）

在SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0 和SSP5-8.5情景下，在空间上高原增温趋势分别为0.07~0.11 ℃·（10a）-1[平均为0.10 ℃·（10a）-1］、0.24~0.32 ℃·（10a）-1[平均为0.29 ℃·（10a）-1］、0.40~0.58 ℃·（10a）-1[平均为0.53 ℃·（10a）-1］和0.55~0.75 ℃·（10a）-1[平均为0.69 ℃·（10a）-1］之间。可以看出，随着排放情景从低到高，一方面增温速率不断加大，另一方面增温速率的空间差异也逐渐加大。如帕米尔地区的平均增温速率从SSP1-2.6 情景下的0.08 ℃·（10a）-1加速到SSP5-8.5 情景下的0.72 ℃·（10a）-1。藏东南地区从SSP1-2.6情景下低于0.10 ℃·（10a）-1的增温速率增加到SSP5-8.5 情景下的大约0.56 ℃·（10a）-1。在SSP2-4.5 情景下，增温速率在唐古拉山地区与藏东南之间的差值为0.04 ℃·（10a）-1，而在SSP5-8.5 情景下，则达到了0.15 ℃·（10a）-1。

2.3 21 世纪中期和末期青藏高原地表气温的变化幅度

本世纪中期和末期是评估21 世纪全球地表气温变化非常重要的两个节点。相对于1995—2014年参考时段，多模式集合平均模拟的青藏高原在21世纪中期（2041—2060 年）和21 世纪末期（2081—2100 年）两个时间段，分别在不同SSP 情景下，表现出不同的增温速率和增温幅度（图5），但其空间分布在四种情景下基本相似。增温高值区都集中分布在高原西端帕米尔高原、藏北高原中西部和巴颜喀拉山区，尤以高原最西端帕米尔地区增温最显著，而藏东南增温幅度最小。

图5 不同情景下青藏高原2041—2060年（a）、2081—2100年（b）年均地表气温相对于1995—2014年的变化Fig.5 Changes of annual mean near-surface air temperature over the Tibetan Plateau for 2041—2060（a），and for 2081—2100（b）relative to 1995—2014 under different SSP scenarios

在SSP1-2.6 情景下，2041—2060 年和2081—2100 年两时段的平均地表气温比参考时段在空间上分别升高1.09~1.54 ℃（平均为1.37 ℃）和1.17~1.66 ℃（平均为1.42 ℃）。21 世纪末期与中期相比，增温幅度较小，可见在低辐射强迫、可持续发展情景下，青藏高原到21世纪末期的增温将得到有效的 控 制。在SSP2-4.5 情 景 下，2041—2060 年 和2081—2100 年两时段的平均地表气温比参考时段分别升高1.33~1.93 ℃（平均为1.72 ℃）和2.12~2.96 ℃（平均为2.65 ℃）。在SSP3-7.0 情景下，2041—2060 年和2081—2100 年两时段的平均地表气温比参考时段分别升高1.41~2.22 ℃和3.21~4.73 ℃，对应的整个高原平均变暖值为1.98 ℃和4.28 ℃，在该情景下末期增温速率较中期有所加快，说明在高社会脆弱性与相对高的人为辐射强迫情景下，未来增温速率逐渐加快。SSP5-8.5 情景下，2041—2060年和2081—2100年两时段的平均地表气温比参考时段分别升高1.75~2.58 ℃和4.19~5.94 ℃，相对应的整个高原平均变暖值为2.30 ℃和5.38 ℃，该情景模拟了常规发展路径下青藏高原未来的地表气温变化，到21世纪末期增温速率和增温幅度明显提高。

3 讨论与结论

为评估青藏高原地表气温在21世纪的变化，本文分析了最新发布的22 个CMIP6 模式模拟的地表气温数据。首先由青藏高原1961—2014 年观测数据对22个模式模拟结果进行了评估，发现多模式集合平均的模拟效果优于大多数单个模式。

利用多模式集合平均模拟结果，分析了2015—2100 年青藏高原年均地表气温的时空变化，得出在4 种SSP 情景下地表气温均呈增温趋势，且排放情景越高，增温幅度越大。由于各情景模拟的排放和辐射强迫不同，2015—2100 年间青藏高原在不同情景下的线性增温趋势差异较大，在SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5情景下，增温趋势分别为0.10 ℃·（10a）-1、0.29 ℃·（10a）-1、0.53 ℃·（10a）-1和0.69 ℃·（10a）-1。除SSP1-2.6 情景外，其余情景下青藏高原的升温速率均要高于IPCC 全球升温1.5 ℃特别报告指出的全球目前近0.2 ℃每10 年的升温幅度[40］。相对于1995—2014 年参考时段，到本世纪中期（2041—2060 年），青藏高原区域年平均地表气温将分别增加1.37 ℃、1.72 ℃、1.98 ℃和2.30 ℃，而到本世纪末期（2081—2100 年），平均气温将分别增加1.42 ℃、2.65 ℃、4.28 ℃和5.38 ℃。不同情景下高原增温趋势和增温幅度存在明显的差异，但帕米尔高原、藏北高原中西部和巴颜喀拉山区都为三个升温中心，且增温趋势最小的区域都集中于藏东南地区。目前认为出现三个升温中心的原因可能与复杂地形、海拔高度、冰雪覆盖率有关，另外巴颜喀拉山区出现升温中心可能还与人类活动影响有关，已有研究也表明高原西北部和南部高海拔地区增温明显[12，41］。今后将对升温原因与机制进行详细探究。

CMIP6 模拟的青藏高原未来地表气温变化空间特征，与CMIP5模拟结果相似[41］。CMIP5 模拟的青藏高原区域平均地表气温在RCP4.5情景下到21世纪中期和末期（相对于1986—2005 年）将分别升温2.1 ℃（2046—2065 年）和2.7 ℃（2081—2100年）[23］。SSP2-4.5作为RCP4.5情景的延续，与此对应在SSP2-4.5 情景下，相对于1986—2005 年，到2046—2065 年 和2081—2100 年 间 将 分 别 升 温2.25 ℃和3.02 ℃，分别比CMIP5 在RCP4.5 情景下的模拟结果高出约0.15 ℃和约0.32 ℃。说明CMIP6 模式基于人为排放和土地利用变化基础上新的共享社会经济路径情景较CMIP5 典型浓度路径情景，在分辨率提高、物理参数化方案改进后，尽管对青藏高原的气温模拟仍存在一定的偏差[27，34］，但对青藏高原未来升温趋势的模拟更加精细，同时青藏高原在CMIP6 情景较CMIP5 情景的未来升温趋势将加大。目前本文还并未能从物理机制角度详细探究原因。另外，IPCC 报告指出1986—2005年期间的全球平均温度比工业革命前（1850—1900年）已经高出约0.61 ℃[42］，要想实现《巴黎协定》提出的与工业革命前相比将全球平均升温幅度控制在2 ℃以内，并争取限定在1.5 ℃以内[43］的目标，从目前到本世纪末只剩约1.39 ℃和约0.89 ℃的升温空间。从目前研究的升温趋势（图4）来看，CMIP6模拟的青藏高原地表气温在SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0 和SSP5-8.5 情景下，相对于1986—2005年，在2041—2060 年和2081—2100 年两个时间段，将分别升高1.73 ℃、2.09 ℃、2.35 ℃、2.67 ℃和1.78 ℃、3.02 ℃、4.65 ℃、5.75 ℃，远超大约1.39 ℃和0.89 ℃升温空间。因此，无论在哪种情景下，到本世纪中期青藏高原温度都将较工业革命前超过2 ℃升温阈值，这对以冰冻圈为主要地貌特征的青藏高原而言，势必造成冰川的加速融化[44-45］，以及更频繁的极端天气气候事件[46］。