RegCM3对三江源地区气候的模拟

纪玲玲,郭安红,申双和,王兰宁,刘文泉

(1.吉林省气象局，吉林 长春 130061； 2.中国气象科学研究院，北京 100081； 3.南京信息工程大学，江苏 南京 210044)

湿地与气候变化之间的关系是相互影响、相互作用的。保护好湿地的健康，确保淡水资源和大量食物来源的安全，这是保持全球可持续发展的关键之一。研究湿地的冷湿效应有助于从水热角度来进一步揭示沼泽湿地的生态环境效应，为湿地的保护及合理利用提供依据。中国地处东亚季风区，地形复杂，气候多变。全球模式对这里的气候模拟经常出现偏差，近年来，区域气候模式(RegCM3)已经成为区域气候研究的一个重要手段，与大气环流模式相比，高分辨率的区域气候模式能够更好地描述复杂地形下的主要气候特征，对于湿地变化引起的气候变化的物理机理的解释方面，利用RegCM3进行模拟不失为一种有效的手段[1]。RegCM3模式在中国也得到了应用，先后有人[2-4]利用RegCM3模式对中国气温和降水进行模拟，模拟效果比较理想。本研究利用RegCM3模式，通过改变三江源地区下垫面来定量地模拟湿地变化与气候变化的关系，以期更准确系统地分析湿地变化的区域气候效应，对湿地和区域气候变化的相互作用和相互影响进行综合分析研究,以期对湿地在减缓气候变化方面的物理作用的机理分析，和对RegCM3的应用研究，以及湿地生态功能的评价等方面起一定的参考作用和理论意义。

1 RegCM3模拟三江源地区气候的可行性分析

利用RegCM3模拟三江源地区1990-2004年气温、降水量、最高气温、最低气温等气象要素，将模拟结果插值到18个测站上从而进行分析。将得出的模拟值跟实测值进行对比，结果表明，模式对各站的气温模拟较好，气温的年变化趋势与实况一致(图1)。 18个站的观测和模拟两者的距平相关系数均在0.98以上，达到0.001的显著性水平，属于高度相关。其中距平相关系数最高的为位于源区东北部的兴海，其值达到0.997。RegCM3对玛多站月平均气温的变化趋势、极值点位置以及具体数值模拟均比较理想，具备模拟该地区气温的能力。

相对气温而言，模式对降水的模拟能力要差一些，除了位于源区西北部的五道梁外，其他站模拟值与实测值的距平相关系数均达到0.8以上。其中，大武站的模拟效果最好，相关系数为0.91。模式对大武站降水的变化趋势模拟也比较理想，基本模拟出了月降水量的时空分布特征以及主要峰值，但对降水分布的一些细节分布特征描述不好。总体来说，RegCM3具备模拟该地区气温和降水的能力。

2 RegCM3模拟三江源地区气候的敏感性试验

本试验改变了地表特征参数，将原来的地表覆盖类型用沙漠、草地、沼泽和湖泊4种类型代替。结果表明，改变地表特征后，模式对18个气象站模拟的月平均气温、降水量、最高、最低气温等气象要素均发生较明显的变化。其中，玛多站月平均气温模拟值差值变化范围为(-5.1～-1.6℃)，总体月平均值降低了3.5℃(图2)。由此说明RegCM3对下垫面的变化是敏感的。

图1 玛多站模式模拟月平均气温值及月降水量值与实测值对比

图2 玛多站改变地表特征后月平均气温及月降水量模拟值的变化

3 两种下垫面情况下模式模拟值对照分析

3.1试验设计 本试验中模式的积分时间为1989年1月1日0：00至2004年12月31日18：00，模式的中心点取为34° N，94° E，东西方向格点数为72个，南北方向格点数为40个(模式用8个格点的缓冲区)，模式的水平分辨率取30 km(RegCM3中采用的陆面过程为次网格的BATS方案，模式中的陆面分辨率可以远高于模式分辨率本身，本研究在陆面过程采用高于三倍模式分辨率的网格，为10 km×10 km)，模式垂直方向分18层，顶层高度为100 hPa，时间积分步长为30 s。地形资料为模式自带数据。在1980年和2000年两种下垫面情况下分别进行长达16年的数值积分模拟试验。

3.2下垫面说明 本模拟试验所采用的下垫面分别为1980年和2000年的近实况下垫面。其中1980年的湿地资料是根据1980年的土地利用调查结果进行网格化提取，将其提取结果进行10 km×10 km网格化处理，并将其对应到相应的遥感地物类型，再转化为遥感解译代码，进而根据表1转化成模式代码。湿地类型主要包括河流、湖泊、沼泽3种。而2000年的湿地资料是将遥感解译结果进行10 km×10 km网格化提取，将遥感解译代码转化成模式代码。

表1 两种下垫面湿地面积对照分析 km2

4 湿地退化对三江源地区各站主要气象要素的影响

根据模式模拟的两种下垫面情况下三江源地区18个站的气温、降水量等气象要素值，求出各站15年算术平均值，将R1和R2的模拟值进行对比，得到其变化量以及变化率，进而分析湿地变化对气候变化的影响。

湿地面积减少后，三江源大部分地区月平均气温呈现增加趋势，尤其是湿地面积减少幅度较大的西部地区，其15年月平均气温值明显升高。西部的五道梁和沱沱河两站15年月平均气温分别升高了0.57和0.52℃，是18个站中气温变化幅度最大的两站。除了班玛、甘德、达日、玉树、囊谦、杂多6个站的月平均气温略有降低外，其余11个站的气温均呈上升趋势(图3a)。五道梁和沱沱河两站是三江源地区湿地退化最严重的两个地区，其气温升高也最为明显，说明气温和湿地面积的负相关性，体现出湿地具有一定的冷效应。

对降水而言，湿地退化后整个地区呈现出降水量减少趋势。18个测站中有12个站出现了降水量的负增长，只有6个站的降水量有微小的增加趋势(图3b)。降水量的增加峰值同样出现在西部湿地面积变化最大的沱沱河和五道梁两站，月降水量的15年分别减少了12.5和2.9 mm，其中沱沱河站的降水变化率达到22.4%，是整个三江源地区降水变化最剧烈的测站。西部地区的所有测站降水量均减少，这体现出湿地变化对降水量的影响，因为就模式的下垫面而言，湿地的改变主要集中在西部地区，东部地区的湿地面积变化较小，说明降水量随着湿地的退化而减少。

5 面积加权平均法计算三江源地区主要气象要素15年的平均值

5.1面积权重法 设已知某自然区域总面积为Q，它由各子区域(市、地区)构成，每个子区域面积为Qr(r=1，2，…，R)。一般在每个子区域所选站数并不相等，设为mr，则全区域内总共有站点数m，即：

第r个子区域的面积权重(ar)可定义为:

上述定义中假定了各个子区域内站点为均匀分布，这是一种近似，其误差与区域面积大小有关。区域划分愈小，其误差愈小。在一定程度上，它对于修正站点分布的非均匀性是有效的[5-7]。对某子区域记录xir，面积加权后写为:

yir=arxir；

式中，下标r表示第r个区域。不同子区域ar不同，而同一子区域中ar为相同。将三江源地区(总面积363 094 km2)划分为17个子区域，并用上述方法计算各子区域的面积权重。

按面积权重的计算方法，首先计算每一个子区域的面积权重ar(r=1，2，…，R)。18个测站(m=18)分成17个子区域，然后将月平均气温、月降水量以及气温月较差值乘以面积权重，得到面积权重值。再求出18个站月平均气温、月降水量以及气温月较差的面积权重值的算术平均值，即面积加权平均值(表2)。以下所提到的气温等资料均经过面积权重平均处理。

图3 18个气象站两种下垫面情况下气温、降水量模拟值对比

5.2湿地退化后各主要气象要素年、月值的变化 R2模拟15年平均气温比R1的模拟值有显著的增加(图4a)。15年各年平均气温均呈上升趋势，15年平均增加了0.16℃。对年降水量而言，各年则一致出现降低趋势(图4b)。15年平均降低了40 mm。说明湿地的退化加剧了三江源地区气候朝“暖干化”发展，进一步证实了湿地具有较强的冷湿效应。

R2模拟的15年月平均气温值与R1模拟值之差大部分在0线以上，其变化范围为(-0.2～0.5℃)(图5a)。说明湿地大面积退化后三江源地区绝大多数月平均气温呈现上升趋势，只有极个别月份平均气温略有降低。R2模拟月降水量值较R1模拟值发生了显著的变化。其中，大部分月份降水明显减少，月降水量的增加值总体上明显小于减少值，其变化范围为(-41～14 mm)，降水量变化最大的月份其值减少了41 mm(图5b)。说明湿地的改变对降水量有较大的影响。

表2 三江源地区各子区域面积、面积权重及站点数

图4 R1和R2模拟值(年值)对比

图5 18个站R1和R2模拟各要素差值(R2-R1)变化趋势

5.3R1和R2模拟主要气象要素差值变化趋势 R2与R1模拟的年平均气温18个站面积加权值之差均为正值，差值(R2-R1)总体上呈增大趋势(图6a)。即湿地面积减少后，年平均气温增加值是随着时间变大的，表明随着湿地的退化气温的升高在加剧。R2和R1模拟的年降水量18个站加权平均值之差(R2-R1)均为负值，降水量的模拟差值绝对值则随着时间的推移而减少(图6b)，其差值的总体变化趋势为增加，即湿地退化后降水量的减少呈减缓趋势。

图6 18个站气温和降水量模拟值差值(R2-R1)变化趋势

6 讨论与结论

冷湿效应是湿地的累积环境效应之一。由于湿地长期或季节性积水，水热容量大，消耗太阳能多，地表增温缓慢。湿地强烈蒸发导致近地层空气湿度增加，气候较周边地区冷湿[9]。三江源西部湿地面积减少迅速，区域气候环境变化剧烈，超过全球气候变化速度[9-12]。湿地在维护区域湿地“冷湿”效应中作用突出[13-14]。本研究表明湿地面积消长与气温、降水等气候因子的变化有一定联系：1)温度变化与湿地面积变化的方向是相反的：湿地面积下降，区域气温升高，湿地的“冷湿”效应减弱；反之，湿地面积增加，区域气温下降，湿地的“冷湿”效应加强。2)降水量变化与湿地面积消长变化的趋势相近：湿地面积减少后，降水量有递减的趋势;反过来如果降水量减少，湿地水源补给变少，将导致湿地面积递减。3)对四季而言，湿地大面积退化后，冬季气温增加最多，夏季增温最少。季降水量的减少主要表现在夏季，冬季降水量变化不明显。

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