华北地区极端气候事件对农作物生长的影响研究

李彦萌　刘海鹏　张冬峰　何俊琦

摘    要：利用改良的区域气候模式RegCM4.4，嵌套CSIRO-Mk3.6.0全球模式，对东亚地区当代和RCP4.5排放情景下21世纪25 km高分辨率气候变化模拟的结果进行了研究，就华北地区对全球变暖的响应进行了分析，检验了CSIRO-Mk3.6.0全球模式驱动的RegCM4.4区域模式试验对当代极端气候事件的模拟，最后分析了极端气候对山西农业的影响。研究表明，RegCM4.4区域模式模拟和温度相关的极端气候指数接近于观测值，存在冷偏差，对和降水相关的极端气候指数的模拟则存在不一致。RegCM4.4区域模式模拟试验结果表明，区域模式对观测中的气温、降水及极端气候指数具有模拟能力。

关键词：极端气候事件;农作物;生长;影响

文章编号： 1005-2690（2021）05-0003-06       中国图书分类号： S162.5       文献标志码： B

在全球变暖的大背景下，区域气候变化在各地呈现出不同特征。针对各区域气候变化呈现出明显的不同，运用全球气候模式研究未来区域气候变化已经做了很多工作，这些研究均表明全球氣候模式对区域气候变化的模拟能力差异较大。受计算机条件的限制，全球模式分辨率一般较低，难以精确地描述海岸线、中小尺度地形和地表特征及其他局地强迫因子，降低了其在区域气候及区域气候变化模拟方面的可信度[1-2]。相对于全球模式，区域气候模式具有分辨率高的优势，能够提供更为详细可靠的局地信息。对于中国区域，特别是东亚季风区的复杂地形特征，区域气候模式可以更精确地模拟大尺度季风降水的分布和东亚梅雨降水[3-4]，在使用区域气候模式进行中国地区降水等极端事件的模拟和预估方面我国也开展了许多工作。

华北地区属暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，降水偏少，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促，独特的地理位置和气候特征是造成华北区域寒潮、高温等极端气候事件多发的主要原因。

1   资料和方法

1.1   资料说明

研究使用的区域气候模式是意大利国际理论物理中心（ICTP）发展的区域气候模式RegCM4.4[5]。其不同于公开的模式版本，试验中为纠正模式模拟中国及东南亚地区偏差，引入了地表粗糙度、反照率和新的植被覆盖等[6]。试验模式模拟范围为国际联合区域气候降尺度试验（Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment）[7]第二阶段推荐的东亚区域，中心点为北纬35°和东经115°，东西方向384个格点、南北方向250个格点，模式水平分辨率为25 km，模拟范围覆盖整个中国及周边地区。垂直方向分18层，顶层高度为10 hPa。试验分析范围选取气候意义上的华北区域，即北纬34°～43°、东经110°～124°，进行华北区域气候变化的模拟分析。试验初始场和每6 h一次输入模式侧边界值来自澳大利亚全球模式CSIRO-Mk3.6.0在观测温室气体（1951—2005年）和IPCC-RCP4.5温室气体排放情景（2006—2100年）下的模拟结果。在这之前，首先完成了CSIRO-Mk3.6.0和改进后的RegCM4.4区域气候模式的嵌套工作，用于检验模式模拟性能的观测资料方面，气温和降水采用中国地区1961—2005年空间分辨率为0.25°×0.25°的日平均格点资料CN05.1[8]，变量包括平均气温、最高气温和最低气温、日降水量等。所进行的试验积分时间为1950年1月1日—2100年12月31日，共计151年，其中1950—1952年的3年作为模式初始化时段，不予分析;在连续模拟积分结果分析中，以1986—2005年代表当代。

1.2   试验模拟方案

为了完成RegCM4.4区域气候模式对华北区域气候变化的模拟研究，利用改进后的RegCM4.4区域气候模式，在CSIRO-Mk3.6.0全球模式输出结果驱动下，完成与当代观测资料进行对比试验检验模式性能，即进行模式输出结果的检验试验[9]。

（1）进行全球模式CSIRO-Mk3.6.0控制试验、RCP4.5情景气候变化预估试验输出结果的收集，即CSIRO-Mk3.6.0模式1951—2100年逐6 h模式输出。

（2）区域气候模式RegCM4.4对中国地区当代气候的模拟，使用改进后的RegCM4.4区域气候模式，在CSIRO-Mk3.6.0模式输出结果驱动下，进行中国地区当代1951—2005年水平分辨率为25 km的数值模拟。

（3）通过模拟结果与气温、降水、极端气候指数的对比，检验模式对当代华北区域气候的模拟性能。

2   结果分析

选取4个与温度相关的极端气候指数（极端最低气温、极端最高气温、生长季长度、霜冻日数）和4个与降水相关的极端气候指数（降水强度、最大5 d降水量、连续干日、连续湿日），通过观测和模拟对比，检验CSIRO-Mk3.6.0全球模式和RegCM4.4区域模式对当代极端气候事件的模拟性能。各极端气候指数定义如下。

极端最低气温：1年中日极端最低气温低于第5百分位的温度值。

极端最高气温：1年中日极端最高气温高于第95百分位的温度值。

生长季长度：1年中日平均气温大于5 ℃的连续日数，开始日期为连续6 d以上平均气温高于5 ℃的首日。

霜冻日数：1年中最低气温低于0 ℃的日数。

降水强度：1年中日降水大于1 mm降水日的平均降水量。

最大5 d降水量：1年中连续5 d最大的降水量。

连续干日：1年中日降水量小于1 mm的最大连续日数。