基于CMIP6多模式的黄土高原气温变化模拟评估及情景预估

豆明玉,段克勤,石培宏,孟雅丽,陈荣,侯晓静

(陕西师范大学地理科学与旅游学院,西安 710119)

黄土高原作为我国“一带一路”和“西部大开发”的前沿阵地,是我国重要的经济地带和农业区[1],作为我国的生态脆弱带,对气候变化十分敏感[2]。目前,气温迅速上升引发的干旱等问题正在加重黄土高原的生态压力[3],并对区域内水资源、农业生产和区域粮食安全造成损害[1],影响黄河流域中部的水土保持和生态恢复[4]。因此,为了更好地评价气温变化对黄土高原环境的影响,预估其未来气温变化尤为重要。

《巴黎协定》旨在将全球地表气温相对于工业化前的升温幅度控制在2℃以内,最好在1.5℃以内,为未来的气候变化指明了目标。然而,全球变暖背景下黄土高原呈现明显变暖趋势,1961—2014年气温以0.31℃/10 a的速率迅速上升[5],远高于全球0.13℃/10 a和中国0.22℃/10 a的平均水平[6],平均气温变化范围为7.20～9.81℃[5],2016年相对于1961年区域增温幅度达1.5℃[7]。在空间分布上,黄土高原表现为北部增温快,南部增温慢,增温速率随纬度的升高而增大的趋势[5]。在季节变化上,黄土高原冬季增温速率达0.51℃/10 a,显著高于其他季节,同时也高于全国四季平均增温速率[6]。

预估未来气温变化趋势,通常采用世界气候研究计划组织(World Climate Research Program,WCRP)开发的耦合模型相互比较项目(Coupled Model Intercomparison Project,CMIP)所提供的全球气候模式(Global Climate Models,GCMs)的模拟数据[8]。GCMs是建立在大气-海洋-陆面-海冰之间复杂的相互作用的基础上,对地球气候系统各圈层的内部变率、自然变率和人为影响进行模拟研究[9]。目前,已有研究利用CMIP5模式对黄土高原气温变化预估时发现在典型浓度路径(Representative Concentration Pathway,RCP)RCP8.5情景下,黄土高原2015—2040年、2041—2070年和2071—2100年的年平均气温相对于1961—1990年分别升高了0.91℃,2.35℃,4.24℃[10]。

相较于CMIP5,2019年发布的CMIP6模式模拟能力明显改进[11-12],利用CMIP6对全球和中国气候变化研究的结果有很大提升[13],主要是CMIP6基于最新的人为排放趋势及不同的共享社会经济路径(SSPs)提出了新的预估情景SSP-RCPs[11],考虑了更多样的空气污染物排放情景,提供更加合理的模拟结果以进行气候变化机理研究以及减缓适应研究,帮助人类理解不同排放情景下气候系统的变化以及对人类社会的影响,提高气候综合性研究的能力[14]。这些模式模拟数据将支撑未来5～10 a的全球气候研究,同时基于这些数据的分析结果将成为未来气候评估和气候谈判的基础[12]。

黄土高原在不同SSP 情景下,未来气温如何变化,对当地的生态环境和人类社会活动有着重要的影响,但是目前尚无基于CMIP6的模拟数据预估黄土高原到2100年的气温变化研究。鉴于此,本研究的目的是基于最新国际耦合模式比较计划第六阶段的22个地球-气候系统模式模拟的近地面气温逐月数据,利用观测数据(1961—2014 年)对照评估筛选最优模式后,对黄土高原2015—2100年的气温变化趋势和幅度进行预估,对2041—2060年和2081—2100年的气温变化特征进行分析,以期为黄土高原区未来的气温变化决策事件、防洪减灾等提供参考。

1 研究区概况

黄土高原位于中国第二阶梯,东至太行山,西达日月山,北起长城,南达秦岭,包括山西高原、陕甘晋高原、陇中高原、鄂尔多斯高原和河套平原,是世界上黄土覆盖面积最大的区域。地势表现为西北高,东南低,海拔在95～5 084 m 变化。本研究区介于33°—41°N,100°—114°E。

黄土高原自南向北横贯暖温带和中温带,自东向西横贯半湿润区和半干旱区,是我国典型生态脆弱区。1981—2016年黄土高原生态恢复效果显著,植被归一化指数增加速率达0.05/10 a[15],2000—2018年人均生产总值从4 509元增加至47 265元[16]。随着晋中城市群、关中城市群和兰西城市群等快速发展,黄土高原居住超1亿人口,经济发展与资源、环境的矛盾日益加重[15]。

2 数据与方法

2.1 数据来源

本研究选取CMIP6的22个地球-气候系统模式(表1)的地面2 m 气温逐月数据模拟资料,包括历史模拟试验数据(1961—2014年)和未来气候变化情景预估数据(2015—2100 年)。研究选用CMIP6 的情景模式比较计划中4 种共享社会经济路径(Shared Socioeconomic Pathways,SSPs)情景下的模拟数据,分别为SSP1-2.6,SSP2-4.5,SSP3-7.0 和SSP5-8.5,见表2[11-12]。为避免模式对不同初始场的敏感性差异,所有模式均选用r1i1p1系列中的逐月数据。

表1 本研究使用的22个地球-气候系统模式基本信息Table 1 Basic in formation on the 22 Earth-Climate System Models in this study

研究使用国家气象中心依据中国2 400多个国家级气象台站的气温月值资料插值建立的中国区域水平分辨率为0.5°×0.5°的地面气候资料月值数据集(V2.0)(https:∥data.cma.cn/)作为观测数据来评估CMIP6 模式的模拟性能,数据选取时段为1961—2014年。

2.2 研究方法

由于各模式分辨率不同,采用双线性插值法将各个模式1961—2014年的历史模拟结果插值到分辨率为0.5°×0.5°的网格点上,并将插值后的模拟结果与过去54 a(1961—2014年)的实测结果比较,以评估模式的模拟性能[18]。双线性插值具体计算方法如下:

式中:f(x,y)为函数f在(x,y)处的值;Q11=(x1,y1),Q12=(x1,y2),Q21=(x2,y1)和Q22=(x2,y2)为4个已知点的坐标,f(Q11),f(Q12),f(Q21)和f(Q22)该点对应的值。

通过分析模式模拟数据与观测数据在时空尺度上的标准差、中心化均方根误差和相关系数绘制标准化泰勒图,直观展示模式对黄土高原历史时期近地面气温的模拟能力[19]。具体计算方法如下:式中:f和r分别为黄土高原某一格点(某一年)CMIP6模式和地面气温月值格点数据集的54 a(区域)平均气温;N为黄土高原的格点数目(历史评估年份数目);和为f和r的平均值;σf和σr为f和r的标准差;E′为中心化均方根误差;R为相关系数。

综合黄土高原气温变化的特点,以及现有CMIP6的相关研究,为对比2041—2060年和2081—2100年气温的变化幅度,本研究选取1995—2014年为参考时段[20]。

3 结果与分析

3.1 CMIP6模式对黄土高原气温模拟能力评估

在空间尺度泰勒图中(图1A),22个模式中有21个模式的相关系数集中在0.75～0.85,其中相关系数最高的模式为NorESM2-MM,其相关系数为0.87,MRIESM2-0的相关系数最低,为0.74。均方根误差集中在0.50～0.65,模式NorESM2-MM 的均方根误差最小,为0.50,而模式MRI-ESM2-0的均方根误差最大,为0.67。

图1 CMIP6模式模拟的黄土高原1961-2014年气温相对于观测数据的泰勒图Fig.1 Taylor diagrams for air temperature over the Loess Plateau between CMIP6 models and observations during 1961-2014

在时间尺度泰勒图中(图1B),22个模式中有16个模式的相关系数集中在0.45～0.60,相关系数最低的模式为MIROC6,其相关系数为0.27。18个模式中心化均方根误差在0.90～1.11。22个模式的标准差主要集中在0.8～1.1,模式MRI-ESM2-0 的标准差最大为1.31。

已有研究表明大多数单个模式的模拟效果略差于多模式集合平均的模拟效果[20]。但是因为模式模拟具有极大的不确定性,部分模式的模拟数据与气象台站插值数据可能相差较大,严重偏离甚至与观测事实完全相反[14],所以在进行多模式集合平均模拟前需要对模式的模拟能力进行评估,进行筛选,选取具有一定区域气候模拟能力的模式进行多模式集合平均预估。通过先筛选模式再进行集合平均(multimodel ensemble mean,MME)预测分析,可以有效降低预估结果的不确定性[21]。综合上述各模式的标准差、中心化均方根误差和相关系数,本研究选择模拟能力较好的10个模式Nor ESM2-LM,INM-CM4-8,BCC-CSM2-MR,IPSL-CM6A-LR,AWI-CM-1-1-MR,NorESM2-MM, MPI-ESM1-2-HR, MPI-ESM1-2-LR,ACCESS-CM2和FGOALS-f3-L 进行集合平均,MME空间尺度的相关系数、标准差和均方根误差分别为0.85,0.78,0.53,时间尺度分别为0.75,0.67,0.65,模拟效果优于大部分模式。基于此,本研究利用这10个模式的MME对黄土高原地区未来2015—2100年的气温变化进行预估。

3.2 2015-2100年黄土高原年均温变化特征

3.2.1 年均温年际变化 如图2 所示,4 种情景下(SSP1-2.4,SSP2-4.5,SSP3-7.0和SSP5-8.5),相对于1995—2014年10模式集合平均模拟的2015—2100年黄土高原气温增温速率分别为0.09,0.28,0.48,0.66℃/10 a,2041—2060 年气温增幅分别达1.52,1.71,1.72,2.44℃。黄土高原气温在2040年之前均呈上升趋势,但是情景间气温增幅差异不大,这是因为在2040年之前不同排放情景受辐射强迫的影响较小。SSP1-2.6 情景下2050—2100 年,黄土高原气温呈微弱上升趋势,2081—2100年相对于参考时段增温1.53℃,表明该情景下低脆弱性、低减缓压力和低辐射强迫的排放水平对黄土高原增温有一定的控制作用。在SSP2-4.5情景下、SSP3-7.0情景下和SSP5-8.5情景下,2091—2100年黄土高原增温分别可达2.69,3.83,5.25℃。

图2 不同情景下10个CMIP6模式及其集合平均模拟的黄土高原1961-2100年气温变化趋势Fig.2 Change trends of air temperature over the Loess Plateau during 1961-2100 by 22 CMIP6 models and the 10 models ensemble mean under different SSP scenarios

3.2.2 年均温变化趋势空间特征 图3是黄土高原在4种情景下2015—2100年10模式集合平均模拟的气温变化趋势的空间分布。SSP1-2.6情景空间增温速率小于0.13℃/10 a,而SSP5-8.5情景空间增温速率均超过了0.62℃/10 a。对比4种情景,黄土高原气温变化趋势分布格局差异较大,在SSP1-2.6情景下,黄土高原东南部增温速率最大,主要包含河南西部、陕西南部和陕西东部。在SSP3-7.0和SSP5-8.5情景下,西北部的增温速率最大,而SSP2-4.5情景表现为东南和西北双高值中心。在SSP1-2.6,SSP3-7.0和SSP5-8.5情景下,黄土高原西南部均表现为增温低值中心。

图3 不同情景下黄土高原2015-2100年10模式集合平均年平均气温的线性变化趋势Fig 3 Linear trend of annual mean air temperature by 10 models ensemble mean over the Loess Plateau during 2015-2100 under different SSP scenarios

3.2.3 2041-2060年和2081-2100年黄土高原年均温增幅的变化特征 图4为4种情景下,黄土高原2041—2060年和2081—2100 年相对于1995—2014年的年均温增幅的空间分布。各情景下,2041—2060年和2081—2100年空间增温高值和低值中心分布变化较大。SSP1-2.6情景年均温增幅从东南向西南逐渐减小;SSP2-4.5情景年均温增幅从西北和东南分别向西南递减;SSP3-7.0情景年均温增幅从西北向东南递减;SSP5-8.5情景年均温增幅从北向东南递减。

图4 不同情景下黄土高原2041-2060年、2081-2100年10模式集合平均年均温相对于1995-2014年的变化Fig.4 Changes of annual mean air temperature over the Loess Plateau during 2041-2060,and during 2081-2100 relative to 1995-2014 under different SSP scenarios

相对于参考时段,低排放水平的SSP1-2.6情景下,黄土高原2041—2060年和2081—2100年年均温增幅变化范围分别为1.28～1.72℃和1.25～1.84℃,在高排放水平的SSP5-8.5情景下,年均温增幅最大,变化范围分别为2.21～2.61℃和4.94～5.70℃。在SSP1-2.6情景下,2081—2100年气温增幅较2041—2060年没有较大的增长,表明在低辐射强迫、可持续发展情景下,黄土高原增温得到有效的控制。

3.3 2015-2100年黄土高原季气温变化特征

3.3.1 黄土高原季均温变化趋势的空间特征 如图5所示,随着各情景(SSP1-2.6,SSP2-4.5,SSP3-7.0,SSP5-8.5)排放水平的增高,未来时期黄土高原季均温增温速率全部呈上升趋势。在SSP1-2.6情景和SSP2-4.5情景下,除夏季外,其余季节增温速率呈现从东向西递减的趋势,SSP1-2.6情景夏季增温速率从中部向东北和西南递减,SSP2-4.5情景则表现为从北部和东南分别向西南递减。在SSP3-7.0情景和SSP5-8.5情景下,夏季和秋季升温速率表现为从西部和西北部向东南递减,春季和冬季则呈现从北部和西部向南部递减的趋势。在4种情景下,夏季的平均增温趋势大于其余3个季节,在SSP1-2.6,SSP2-4.5,SSP3-7.0和SSP5-8.5情景下增温速率变化范围分别为0.12～0.15℃/10 a,0.26～0.36℃/10 a,0.43～0.54℃/10 a,0.63～0.73℃/10 a。

图5 不同情景下黄土高原2015-2100年10模式集合平均季均温的线性变化趋势Fig.5 Linear trend of seasonal mean air temperature by 10 models ensemble mean over the Loess Plateau during 2015-2100 under different SSP scenarios

3.3.2 2041-2060年和2081-2100年黄土高原季均温的变化幅度的空间特征 相对于参考时段,黄土高原2041—2060年四季气温增幅在不同情景下呈现不同的空间分布规律(图6)。SSP1-2.6情景春季和冬季均温增幅从东向西递减,夏季和秋季从东北向西南递减,增幅范围分别为1.00～1.40℃(春),1.32～1.64℃(夏),1.24～1.48℃(秋),1.16～1.48℃(冬)。SSP2-4.5情景春季和秋季均温增幅从南向西北递减,夏季从西向东递减,冬季从北向南递减,增幅范围分别为1.32～1.48℃(春),1.56～1.96℃(夏),1.56～1.96℃(秋),1.56～1.80℃(冬)。SSP3-7.0情景四季均温增幅均呈现从西北向东南递减的趋势,增幅范围分别为1.16～1.48℃(春),1.56～2.12℃(夏),1.48～1.96℃(秋),1.48～1.88℃(冬)。SSP5-8.5情景春季和秋季均温增幅从东南向西南递减,夏季从西北向东南递减,冬季从北向西南递减,增幅范围分别为1.64～2.04℃(春),2.20～2.60℃(夏),2.12～2.36℃(秋),1.88～2.36℃(冬)。2041—2060年黄土高原夏季气温增幅在4种情景下均为最高,平均增幅分别为1.47℃,1.74℃,1.82℃,2.40℃,而春季平均增幅在4 种情景下均为最低,分别为1.17℃,1.34℃,1.38℃,1.47℃。

图6 不同情景下黄土高原2041-2060年10模式集合平均季均温相对于1995-2014年的变化Fig.6 Changes of seasonal mean air temperature over the Loess Plateau during 2041-2060 relative to 1995-2014 under different SSP scenarios

如图7 所示,相对于参考时段,不同情景下2081—2100年黄土高原全区未来季均温都呈现上升趋势,且空间分布格局存在一定的差异。SSP1-2.6情景春季和冬季均温增幅从东南向西北递减,夏季和秋季从东北向西南递减,增幅范围分别为1.07～1.76℃(春),1.30～1.76℃(夏),1.07～1.53℃(秋),1.07～1.76℃(冬)。SSP2-4.5情景春季和冬季均温增幅从东北向西南递减,夏季从西北向西南递减,冬季从东南向东北和西南递减,增幅范围分别为1.99～2.45℃(春),2.45～3.14℃(夏),2.45～3.14℃(秋),2.20～2.91℃(冬)。SSP3-7.0情景春季和冬季气温增幅从北向南递减,夏季和秋季从西北向西南递减,增幅范围分别为2.91～3.83℃(春),3.60～4.52℃(夏),3.37～4.52℃(秋),3.14～4.29℃(冬)。SSP5-8.5情景春季和冬季均温增幅从北向南递减,夏季从西北向西南递减,秋季从西北向南递减,增幅范围分别为3.83～4.75℃(春),4.75～5.67℃(夏),4.98～5.67℃(秋),4.29～5.67℃(冬)。4种情景下2081—2100年,黄土高原季均温增幅总体表现为夏秋季节高,冬春季节低,且区域内季均温增幅差异较大,相对于参考时段,在中高排放水平下的SSP3-7.0和高排放水平下的SSP5-8.5情景下,黄土高原区域季均温增幅差值可达0.93℃,1.41℃。

4 讨论

利用CMIP6模式最新的共享社会经济路径(SSP)对黄土高原未来气温进行模拟,其结果较CMIP5在年均温变化趋势上一致性更好,但是季节空间差异性较大。CMIP5对黄土高原未来增温幅度的模拟结果显示,相对于1961—1990年,到21世纪末(2071—2100年)黄土高原在RCP2.6,RCP4.5和RCP8.5情景下增温分别可达1.33℃,2.19℃,4.24℃[10]。而在SSP1-2.6,SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下,2081—2100年相对于1995—2014年增温可达1.53℃,2.69℃,5.25℃。在同一排放情景下,CMIP6模拟的黄土高原夏季增温速率最快,SSP5-8.5可达0.68℃/10 a,但CMIP5数据模拟为冬季增温速率最快,RCP8.5可达0.63℃/10 a[10]。相对于CMIP5,CMIP6模拟结果增温更加剧烈,这是由于CMIP6模式的气候敏感度高于CMIP5,并且有效辐射强迫也更高[14]。CMIP6模式设计中改进了具体的人口、经济和技术等社会发展指标,相较于CMIP5提供了更加合理的模拟结果[10]。同时CMIP6 模式提供了更高的分辨率、考虑了更为复杂的物理过程,为区域气候预估以及减缓适应研究提供了更为准确的基础数据[17]。因此,CMIP6模式对黄土高原未来气温的模拟能力相较于CMIP5有明显提升,其预估结果也更为可靠。

黄土高原4种情景下增温速率变化范围分别为0.07～0.13℃/10 a,0.25～0.30℃/10 a,0.46～0.54℃/10 a,0.62～0.71℃/10 a,增温差异显著,是由于不同SSP 情景的社会经济假设和气候变化减缓水平等气候变化人为驱动因子不同。SSP1-2.6情景的CO2排放量预计在2050年下降为净零,SSP2-4.5情景下到2050年则维持现有CO2的排放水平,SSP3-7.0和SPP5-8.5情景下CO2排放量预计分别到2100年和2050年是当前排放水平的两倍[22]。

全球变暖背景下,黄土高原过去40 a高温事件和热浪事件正以0.32 d/10 a和0.041次/10 a的速率增加[23],其生态系统具有明显的暴露度。SSP2-4.5作为保持现有发展水平的情景试验,到21世纪末黄土高原升温可达2.79℃,随着气温的升高,高温热浪事件的频发会导致未来黄土高原潜在蒸散发增加,加剧区域干旱事件的发生[24]。由于黄土高原地处气候过渡带,生态系统脆弱度高,干旱事件的增多对区域生态可持续发展提出了挑战。同时,高温热浪还会影响人类健康、降低劳动生产力和人类生存舒适度,有研究表明极端高温事件与死亡率增加之间存在关系[25]。在SSP5-8.5情景下黄土高原21世纪末升温可达5.07℃,届时可能会有超过1亿人口暴露在高温热浪之下。同时,气温的升高加强了全球范围内的水循环,极端降水事件发生概率也随之增加[26]。黄土高原作为我国水土流失易发地区之一,随着气温的升高,降水量增加和极端降水事件的增多加大了水土流失防治工作的难度,制约了区域经济的健康发展。作为“三屏两带”的重要组成部分之一,黄土高原自2000年以来实行的退耕还草还林工程对于生态恢复有较大的推动作用,面对未来严峻的增温压力,要因地制宜,采取相应的生态措施,分区管理,进一步提高区域生态质量。

本研究对黄土高原未来气温进行预估分析,多模式集合预估未来气温依赖于模式模拟数据的准确性,但各个模式在基本结构设计、参数化方案设定等方面有差异较大,本研究通过对22个模式的模拟性能进行评估,选取模拟能力较好的10个模式的MME 进行预测分析,有效地降低了预估的不确定性范围。同时,由于气候变化机理的复杂性、气候因子的相互作用、下垫面情况的复杂多样性和不同气候模式反馈的差异,气温变化的预估仍然具有不确定性。如何结合观测数据和模拟数据,利用多种模式评估和加权方法降低模式预估的不确定性是未来需要重点关注的研究方向之一。

5 结论

4种情景下2015—2100年黄土高原气温均呈上升趋势。相对于1995—2014 年,SSP1-2.6,SSP2-4.5,SSP3-7.0和SSP5-8.5情景下2041—2060年气温增幅分别达1.52℃,1.71℃,1.72℃,2.44℃,2081—2100年气温增幅分别可达1.53℃,2.69℃,3.83℃,5.25℃。虽然《巴黎协定》的目标是在21世纪末将全球升温控制在2℃以内,最好控制在1.5℃以内,但是这个目标在黄土高原未来实现的可能性不大。4 种情景下,2015—2100年黄土高原年均温增温速率变化范围分别为0.07～0.13℃/10 a,0.25～0.30℃/10 a,0.46～0.54℃/10 a,0.62～0.71℃/10 a,表明黄土高原未来面临强大的增温变化压力。

4种SSP情景下黄土高原年均温增温幅度空间分布差异显著。SSP2-4.5情景下,2081—2100 年晋豫交界处增温幅度最大,相对于1995—2015年,增温可达2.93℃。SSP5-8.5情景高值中心位于黄土高原东北部,2081—2100年增温可达5.70℃。4种情景下黄土高原增温速率空间分布也表现出明显的差异。SSP1-2.6情景黄土高原增温速率高值中心分别位于东南部;SSP2-4.5情景位于东南部及西北部,SSP3-7.0和SSP5-8.5情景均位于西北部,且SSP5-8.5情景增温速率最高可达0.712℃/10 a,远远超过现在全球平均增温速率。

4种情景下,2015—2100年黄土高原各季节增温速率均呈上升趋势,且夏季高于其他季节,SSP2-4.5情景夏季增温速率可达0.26～0.36℃/10 a,SSP5-8.5情景可达0.63～0.73℃/10 a。相对于1995—2014年,4种情景2015—2100年黄土高原季均温增温幅度不同。SSP2-4.5 情景2041—2060 年黄土高原夏季增温幅度变化范围为1.56～1.96℃,冬季为1.56～1.80℃,2081—2100 年夏季增温幅度变化范围为2.45～3.14℃,冬季为2.20～2.91℃。SSP5-8.5情景2041—2060年夏季增幅变化范围为2.21～2.61℃,冬季为1.88～2.36℃,2081—2100 年夏季增幅变化范围为4.75～5.67℃,冬季为4.29～5.67℃。