基于RegCM4 模式的华北区域未来洪涝灾害风险预估

刘月丽，张冬峰，陈 颖，安 炜

（山西省气候中心，山西 太原030006）

我国是世界上洪涝灾害多发频发的国家之一。近年来，在温室气体排放和气候自然变率共同作用下，多地强降水事件明显增多[1-4]，造成的经济损失呈现快速上升趋势[5]。进入21 世纪以来，华北区域（包括京津冀、山西和内蒙古）降水出现明显的年代际转折[6-7]，全面进入多雨期，突破历史极值的极端强降水事件频繁发生，引起了国内外学者的关注。如2021 年，北京、天津、河北和山西年降水量均为1961年以来最多[8-9]，年内多次出现极端强降水，引发严重洪涝灾害，直接危害社会经济。有研究表明，全球和区域尺度上，观测中所未见的极端降水事件未来发生几率可能更高[10-11]，21 世纪中期之后，中国东部将进入全面的多雨期，同时极端强降水事件也呈现多发重发态势，其中华北区域最明显[11-13]，将给区域社会经济发展和人民生命安全带来巨大的威胁。科学预估华北区域未来洪涝灾害对人口和社会经济的风险，对区域防灾减灾以及气候变化应对和适应政策制定具有重要的意义，相关研究工作十分必要。

基于观测降水进行洪涝灾害风险分析和区划的研究很多，方法不断趋于成熟[14-17]。随着对全球气候变暖背景下，未来强降水事件很可能更强更频繁的认识加深，预估未来洪涝灾害风险已成为学术界研究热点，相关研究多使用CMIP5 和CMIP6 全球模式气候变化输出结果开展[18-22]。然而，受计算资源限制，目前全球模式长期气候变化试验水平分辨率较低，对极端降水事件模拟能力存在较大不足，不能满足区域以及更小尺度洪涝灾害风险预估研究需要。而区域气候模式是弥补全球模式分辨率不足的有力工具，其对极端降水事件的模拟明显优于全球模式，对未来气候变化的预估信号也更可靠[23-26]。RegCM（Regional Climate Model）系列模式是目前应用较为广泛的区域气候模式之一，在中国气候要素和极端指数模拟以及未来变化方面应用广泛[23-28]，可作为区域未来灾害风险预估研究的工具。

采用国家气候中心完成的RegCM4 东亚区域气候变化高分辨率（25 km）动力降尺度试验模拟结果，在检验模式对华北区域极端降水指数模拟能力的基础上，对区域洪涝灾害危险度进行分析，结合人口、社会经济变化以及地形高度资料，构建区域洪涝灾害风险评估模型；利用建立的模型，对RCP4.5 和RCP8.5 两种排放情景下华北区域未来极端降水指数、洪涝灾害危险度、承灾体易损度以及洪涝灾害风险变化进行预估，目的是为区域洪涝灾害风险防范提供科学支撑。

1 模式、数据与方法

1.1 模式介绍

研究使用的区域气候模式为国际理论物理中心ICTP（Abdus Salam International Center for Theoretical Physics）发展的区域气候模式RegCM4.4（简称“RegCM4”）[29]。RegCM4 运行所需驱动场由英国气象局Hadley 中心研制的全球环境地球系统模式（Hadley Centre Global Environmental Model 2-Earth System，HadGEM2-ES）[30]CMIP5 气候变化试验输出结果提供。HadGEM2-ES 大气模式水平分辨率为N96（1.6°×1.875°经纬度），垂直方向38 层，海洋模式水平分辨率为（1/3）°（热带）～1°，垂直方向为40 层。试验保留6 h 间隔模式输出结果，满足水平分辨率25 km 动力降尺度数值试验的需要。

RegCM4 试验范围为联合区域气候降尺度试验（Coordinated Regional climate Downscaling Experiment，CORDEX）东亚第二阶段推荐区域[31]，覆盖整个中国及周边地区，模式垂直方向18 层，顶层高度为10 hPa。模式物理参数选用东亚模拟最佳组合参数[27-28]，并在其中引入中国高精度土地覆盖资料[32]。

1.2 数据

洪涝致灾危险度指标的计算，应用RegCM4 模式历史试验以及RCP4.5 和RCP8.5 两种排放情景气候变化试验的日降水预估数据。检验模式对基准期致灾危险度指标的模拟能力，应用同期CN05.1观测数据[33]。承灾体易损度指标，选用人口和国内生产总值（GDP）两个指标构建，未来时期采用IPCC 发布的可持续发展（SSP1）共享社会经济路径数据[34]。以2020—2035 年、2046—2065 年和2080—2098 年平均值分别代表未来近期、中期和远期。考虑到SSP共享社会经济路径数据制作方案中，以2010 年为基准年，开展2100 年前全球框架下SSP 不同情景人口和GDP 数据预估，因此本文承灾体分析中以2010 年代表基准期。

1.3 方法

洪涝灾害风险评估模型综合分析致灾危险度指标和承灾体易损度指标[18，35]，采用二者相乘的评估方法建立。其中致灾危险度通过与洪涝灾害关系密切的极端降水指数确定，承灾体易损度考虑受洪涝灾害影响比较大的人口和GDP 两方面。

1.3.1 致灾危险度

考虑到华北区域洪涝灾害和区域极端降水事件的频率、强度和持续时间的密切联系，这里致灾危险度指标使用研究时段内逐年日降水量＞20 mm 的日数（R20mm）和逐年最大5 日降水量（Rx5day）的多年均值来表征，同时引入表征孕灾环境的地形高度，来反映复杂地形下洪涝灾害的易发程度。在地势越低、地形变化越小的平坦地区越不利于洪水的排泄，容易形成洪灾，具体计算方法如下：

式中：VF为致灾危险度指数；I20mm、Ix5day和IE分别为R20mm、Rx5day和地形高度归一化后的无量纲数值；f1、f2和f3为权重，通过层次分析法计算结合专家打分调整确定，分别为0.4、0.5 和0.1。对相加后结果标准化处理，即为致灾危险度指数VF，划分为5 个等级：0～0.3（Ⅰ级），0.3～0.4（Ⅱ级），0.4～0.5（Ⅲ级），0.5～0.6（Ⅳ级），0.6～1.0（Ⅴ级）。

1.3.2 承灾体易损度

承灾体易损度计算公式如下：

式中：VG为承灾体易损度；DPOP和DGDP分别为人口和GDP 归一化后的无量纲数值；w1和w2为权重，采用层次分析法计算结合专家打分确定，分别为0.6和0.4。对结果进行标准化处理，得到承灾体易损度VG。

1.3.3 洪涝灾害风险

洪涝灾害风险指数计算公式如下：

式中：V 为洪涝灾害风险指数；VF和VG分别为致灾危险度指数和承灾体易损度指数。对计算结果进行标准化处理，划分为5 个等级：0～0.02（Ⅰ级），0.02～0.05（Ⅱ级），0.05～0.1（Ⅲ级），0.1～0.2（Ⅳ级），0.2～1.0（Ⅴ级）。

2 基准期洪涝灾害风险评估

2.1 致灾危险度指标模拟能力检验

基准期，华北区域观测R20mm整体由西北向东南逐渐增加（图1a），内蒙古中西部大部分地区R20mm＜2 d，R20mm≥6 d 的区域主要集中在北京、天津、山西南部、河北东部和南部等人口密集区，河北秦皇岛和唐山一带R20mm超过8 d，区域平均R20mm为2.4 d。RegCM4 模拟R20mm（图1b）空间分布和数值与观测基本一致，但模拟R20mm≥6 d 的区域山西南部和河北东南部较观测略大，区域平均值为2.5 d。

图1 基准期（1986—2005）R20 mm、Rx5 day、人口和GDP 分布

基准期观测Rx5day的空间分布（图1c）和R20mm类似，数值上由西北向东南渐增，内蒙古数值较小，中西部大部分地区Rx5day＜60 mm，西部部分地区＜40 mm；Rx5day≥100 mm 的区域主要集中在北京东南部、天津、河北南部和东部，区域平均Rx5day为53.9 mm。RegCM4 模拟Rx5day（图1d）空间分布和数值与观测基本吻合，Rx5day≥100 mm 的范围较观测略偏大，区域平均值为56.9 mm。

2.2 承灾体指标分析

基准期，人口分布（图1e）由西北向东南递增，内蒙古阿拉善盟是人口最稀疏区域，人口密集区域主要分布在区域东南部的北京、天津、河北中南部和山西中南部盆地，其中北京和天津人口数量级明显高于其他地区。GDP 数值分布（图1f）由北向南递增，低值区位于内蒙古阿拉善盟，北京和天津为高值区，河北大部和山西南部为次高值区。

2.3 洪涝灾害风险评估

由华北区域洪涝灾害致灾危险度等级分布（图2a）可以看出，致灾危险度等级由西北向东南增大。内蒙古大部、山西北部、河北西北部危险度较低，为Ⅰ级；危险度Ⅱ级主要分布于内蒙古东部以及山西中部等地；Ⅲ级及以上范围主要包括北京、天津、河北南部和东部以及山西中南部，占区域面积的14.9%。

图2 基准期（1986—2005）洪涝灾害评估

图2b 给出了基准期承灾体易损度分布，人口和GDP 数值较小的内蒙古地区，易损度＜0.02，北京、天津、河北大部和山西大部易损度在0.02 以上，其中易损度＞0.1 的范围集中在北京、天津、河北南部和山西中南部等地，北京和天津有0.4 以上高值区出现。

将洪涝灾害致灾危险度和承灾体易损度的乘积标准化，得到华北区域洪涝灾害风险等级分布（图2c）。基准期，内蒙古大部分地区、山西北部、河北北部洪涝灾害风险等级较低，大部分地区为Ⅰ级；Ⅱ级范围较小，仅在山西中南部以及河北承德南部出现；Ⅲ级及以上地区占区域总面积的9.0%，包括北京、天津、河北南部和山西南部，Ⅳ级及以上区域主要集中在北京、天津和河北南部，Ⅴ级主要分布在北京和天津，占区域总面积的1.2%。图2c 给出的洪涝灾害风险等级空间分布与於琍等[36]分析的1984—2008年中国洪涝灾害所造成的华北地区地均直接经济损失和受灾人口空间分布基本吻合，与文献[37-39]给出的华北不同行政区域尺度上洪涝灾害风险区划空间分布也基本一致。

3 未来洪涝灾害风险预估

3.1 致灾危险度指标

RCP4.5 和RCP8.5 两种排放情景下，21 世纪近期、中期和远期致灾危险度指标R20mm和Rx5day的空间分布特征与基准期基本一致，高值区域集中在北京、天津、河北东部和南部、山西南部。本文对未来3个时期华北区域两种排放情景下R20mm和Rx5day与基准期的差值分布进行了分析。

RCP4.5 排放情景下，未来3 个时期内蒙古大部分地区R20mm变化较小，在±1 d 之间，R20mm增加的区域主要集中在京津冀和山西。近期，R20mm增加1 d以上的区域主要集中在北京、河北西部、山西东南部以及内蒙古与晋冀交界处，高值中心位于保定、石家庄以及山西南部。中期，除内蒙古东北部局部地区出现R20mm增加1 d 以上区域外，其余地区的变化基本和近期一致，增加中心位于河北中部，增加2 d 以上。远期，增加1 d 以上面积明显较近期缩小，增加2 d 以上的地区呈零星分布状态。区域平均R20mm，近期、中期和远期分别为2.8、2.9 和2.8 d，均较基准期（2.5 d）增加，中期增加最多（表1）。RCP8.5 排放情景下，各时期R20mm变化空间分布特征基本与RCP4.5排放情景相似，增加区域集中在华北南部，但增加范围和数值较RCP4.5 更大，各时期增加2 d 以上的范围较RCP4.5 扩张明显。区域平均R20mm，未来3 个时期随时间渐增，分别为2.8、3.2 和3.3 d（表1）。

表1 华北区域R20 mm、Rx5 day 以及致灾危险度等级、易损度和风险等级面积占比

RCP4.5 排放情景下，近期Rx5day在河北东部和南部以及内蒙古东部局部地区减小10 mm 左右，在北京、天津、河北北部、山西和内蒙古中部增加10 mm 以上，其中河北保定和石家庄、内蒙古呼和浩特和包头等地零散增加30 mm 以上。中期Rx5day增加10 mm 以上范围扩大，其中增加30 mm 以上区域扩张至北京、天津以及山西中东部等地，北京、天津以及石家庄等地有50 mm 以上高值中心出现。远期Rx5day增加10 mm 以上范围较中期缩小，高值中心位于河北西南部。区域平均Rx5day，近期、中期和远期分别为61.3、65.6 和63.7 mm，均较基准期（56.9 mm）增加，中期增加最明显（表1）。RCP8.5 排放情景下，各时期Rx5day变化空间分布特征与RCP4.5 基本一致，但增加的范围和数值更大，尤其在远期，区域大部分地区Rx5day增加10 mm 以上，北京、河北、山西南部以及内蒙古中部和东北部等地，Rx5day增加30 mm 以上。区域平均Rx5day，近期、中期和远期分别为62.1、67.6 和72.7 mm，均较RCP4.5情景下的同期变化显著，在远期达到最大（表1）。

3.2 致灾危险度

RCP4.5 情景下，未来3 个时期洪涝灾害致灾危险度等级空间分布特征（图3a、3c、3e）与基准期（图2a）相似，致灾危险度等级由西北向东南递增。近期（图3a）内蒙古大部分地区洪涝灾害危险度为I 级，Ⅱ级区域从内蒙古东部、河北北部到山西北部呈东北—西南向带状分布，Ⅲ级及以上区域集中在京津冀、山西中南部和内蒙古东部局部地区，其中，Ⅳ级及以上区域主要在北京、天津、河北南部和山西省境南端，Ⅴ级区域集中在北京、天津和河北部分地区。中期，Ⅴ级区域较近期扩大（图3c）。远期，Ⅴ级区域收缩，主要位于北京、河北东部和南部局部地区（图3e）。近期、中期和远期致灾危险度Ⅲ级及以上地区分别占区域面积的19.1%、22.1%和20.3%，中期范围最大（表1），Ⅴ级面积也在中期最大，占比为6.1%。

图3 华北区域未来洪涝灾害致灾危险度等级分布

RCP8.5 情景下，近期、中期和远期洪涝灾害致灾危险度Ⅲ级及以上面积较RCP4.5 情景下进一步增加，分别占区域面积的20.2%、26.0%和27.7%，远期范围最大（表1）。值得注意的是，Ⅴ级范围和RCP4.5 情景一致，在中期最大，面积比例为7.7%。

3.3 承灾体易损度

SSP1 共享社会经济路径下，21 世纪华北区域人口和GDP 空间分布特征与基准期（图1e、1f）基本一致。数值上，近期人口较基准期增加0.1 亿，中期和远期人口较基准期减少，远期人口达到最少，较基准期减少0.4 亿；而GDP 呈持续增加趋势，近期、中期和远期分别较基准期增加了9.7×104、1.9×105和2.4×105亿元[34]。

未来不同时期易损度（图4）均较基准期（图2b）略有增加，中期易损度＞0.1 的面积最大（表1）。不同时期易损度高值区均集中在华北东南部，其中北京和天津易损度高于0.4。

图4 华北区域未来承灾体易损度分布

3.4 洪涝灾害风险

图5 为RCP4.5 和RCP8.5 排放情景下华北区域未来3 个时期洪涝灾害风险等级分布。RCP4.5 情景下，未来3 个时期洪涝灾害风险等级分布和基准期（图2c）基本一致，内蒙古大部、山西北部和河北北部为Ⅰ级风险区，山西中南部盆地周边地区以及河北张家口中南部、承德南部等地为Ⅱ级风险区，Ⅲ级及以上区域主要集中在北京、天津、河北南部和山西中南部盆地等地，其中，Ⅳ级及以上区域位于北京、天津和河北南部，Ⅴ级风险地区，位于危险度等级较高、人口和GDP 高值中心区的北京、天津和河北局部地区（图5a、5c、5e）。较之基准期，未来各个时期Ⅲ级及以上风险范围扩大，均大于基准期的9%，面积占比分别为10.6%、11.0%和9.7%，以中期最大（表1）。Ⅴ级风险范围也在中期达到最大，占区域面积的2.7%。RCP8.5 情景下，近期、中期和远期Ⅲ级及以上风险范围均较同期RCP4.5 情景进一步扩大（图5b、5d、5f），面积占比分别为10.8%、11.2%和10.1%（表1），中期Ⅴ级风险地区也增至区域面积的3.1%。

两种排放情景下，未来华北区域洪涝灾害Ⅲ级及以上风险等级面积均在中期达到最大，反映了致灾危险度和承灾体易损度的综合作用。

4 结论

本文在评估检验25 km 分辨率区域气候模式RegCM4 对华北区域基准期2 个致灾危险度评估指标R20mm和Rx5day模拟能力的基础上，分析了华北区域洪涝灾害的危险度，结合人口、GDP 以及地形高度数据，建立风险评估模型；评估了华北区域洪涝灾害风险空间分布特征；对未来近期、中期和远期3 个时期在RCP4.5 和RCP8.5 情景下的致灾危险度评估指标、洪涝灾害危险度和风险变化进行了预估。主要结论如下：

（1）RegCM4 对华北区域基准期致灾危险度评估指标R20mm和Rx5day模拟较好，区域内致灾危险度评估指标高值区和承灾体（人口、GDP）高值区在空间分布上差异较小。总体上，基准期洪涝灾害危险性、承灾体易损度以及风险较高的区域均集中在北京、天津、河北南部和山西南部，其余地区洪涝灾害风险低于Ⅱ级。

（2）RCP4.5 情景下，未来3 个时期洪涝灾害危险度、承灾体易损度和灾害风险的高等级/值区域在空间分布上和基准期基本一致，但高等级/值区域范围有所增加。致灾危险度评估指标R20mm和Rx5day、灾害危险度、承灾体易损度和风险等级的区域平均变化数值均表现为中期增加最大。

（3）RCP8.5 情景下，致灾危险度评估指标、灾害危险度和风险等级空间分布变化和RCP4.5 相似，但变化数值大于同期RCP4.5。需要指出的是，RCP8.5 情景下，致灾危险度评估指标和灾害危险度在远期增加更大，但由于SSP1 共享社会经济路径下未来承灾体易损度在中期最大，Ⅲ级及以上风险等级面积仍然以中期最大。

目前洪涝灾害评估方法众多，基于观测数据构建的模型可用数据较多且全面，因而评估模型较为完善。基于气候模式输出的灾害预估研究，模型建立中由于一些指标因子难以获得，模型相对简单，如本文以R20mm和Rx5day两个极端降水指数作为致灾危险度评估指标建立的评估模型，仅从日尺度考虑了极端降水事件的频率、强度和持续时间，未来模型有待进一步完善。另外，本文所进行的未来洪涝灾害预估分析只是一个模式的模拟结果，关注的也只是气候系统对温室气体的敏感程度，得到的预估结果存在一定的不确定性。未来有必要进行多种强迫下的多模式预估研究，以助于给出可信度较高的洪涝灾害预估结果，更好地为社会可持续发展提供科学依据。