RegCM4对华北区域21世纪气候变化预估研究

陈 颖，张冬峰，王 林，刘月丽，王大勇

(1.山西省气候中心,山西 太原 030006; 2.山西省气象灾害防御技术中心,山西 太原 030032)

引 言

未来气候变化的预估一般通过气候系统模式数值试验来进行。政府间气候变化专门委员会第五次评估报告中，参与耦合模式比较计划第5阶段试验(coupled model inter-comparison project phase 5，CMIP5)的多个气候系统模式采用主要强调辐射强迫变化的“典型浓度路径”排放情景(representative concentration pathways，RCP)[1]，对未来全球气候变化进行预估。CMIP5中的模式对全球尺度地面气温的预估可信度很高，而对降水的大尺度空间分布模拟也较第四次评估报告有所提高[2]。然而，由于气候系统模式分辨率较低(CMIP5中模式分辨率普遍在100～300 km之间)，对小尺度区域或局地的复杂地形和下垫面特征描述较差，导致对未来气候变化预估存在较大的不确定性，其结果无法满足区域尺度气候变化评估研究需要。区域气候模式弥补了全球模式分辨率不足的问题，已成为区域尺度气候变化研究的重要工具，IPCC第六次评估报告首次增加了区域气候评估章节，并对区域气候模式的优势进行更详细的介绍[3]。

由于区域气候模式对地形强迫描述的更为真实，通常其对气温、降水分布的模拟明显优于全球模式，故对未来气候变化的预估信号更为可靠[4-7]。区域气候模式最早由GIORGI等[8]提出，随后其系列模式得到不断发展与完善，其中RegCM系列模式发展得较为成熟且应用最广。近年来，我国采用RegCM系列模式陆续开展了中国区域百年时间尺度的气候变化模拟试验[9-12]，发现RegCM3对中国地区汛期降水[13]、积雪日数和积雪深度[14]等有较强的模拟能力，且模拟的华北区域气温、降水和极端气候事件明显优于全球模式[15]；更高版本的RegCM4同样显示，区域气候模式对中国地区气温的模拟偏差小于全球模式，能够较好地再现中国地区冬季和夏季气温[16]、华西秋雨[17]等。为此，本文基于国家气候中心完成的以CMIP5全球气候模式历史试验和RCP4.5、RCP8.5两种排放情景下预估试验的输出结果作为驱动场，利用改进的区域气候模式RegCM4进行的东亚地区水平分辨率为25 km的动力降尺度试验结果，对我国华北区域21世纪气候变化进行预估分析。

1 模式、数据和方法

1.1 模式介绍

所用模式来自意大利国际理论物理中心(Abdus Salam International Center for Theoretical Physics，ICTP)发展的区域气候模式RegCM4[18]，该模式驱动场是英国气象局Hadley中心(Met Office Hadley Center)研制的全球环境地球系统模式(Hadley Centre global environmental model 2-earth system，HadGEM2-ES)气候变化试验输出结果。HadGEM2-ES是CMIP5比较计划中分辨率较高的模式，且保留了6 h间隔输出结果，能够满足水平分辨率为25 km动力降尺度数值试验，模式和试验详细信息参见文献[19-20]。

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[21]，覆盖整个中国及周边地区，模式垂直方向为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[22-23]，其中辐射传输采用NCAR CCM3方案[24]，行星边界层采用Holtslag方案[25]，大尺度降水采用SUBEX方案[26]，积云对流参数化采用Emanuel方案[27]，陆面过程采用CLM方案[28]，并引入中国高精度土地覆盖资料[29]。

1.2 数据与方法

所用资料包括：(1)1986—2005年CN05.1逐月格点资料，要素包括地面气温和降水量，水平分辨率为0.25°×0.25°[30]；(2)RegCM4区域气候模式预估的1986—2098年逐月地面气温与降水量。其中，以1986—2005年代表基准期，2021—2035年、2046—2065年、2080—2098年分别代表21世纪近期、中期、远期。

在检验模式对华北区域基准期气候模拟能力基础上，考虑到华北地处我国大陆性季风气候区，冬季寒冷干燥，夏季高温多雨，故分析华北区域未来21世纪年、冬季(12月至次年2月)和夏季(6—8月)地面气温和降水平均值变化；同时考虑到干旱和暴雨洪涝是华北区域最主要的2类气象灾害，故选取每年最长连续无降水日数(CDD)和日降水量大于95%百分位的降水量之和(R95p)2个与降水相关的极端指数分别代表干旱和暴雨洪涝[31]，分析华北区域未来21世纪极端降水事件变化，其中各时期(近、中、远期)各要素(气温、降水、极端指数)的变化均是相较于基准期而言。文中涉及的华北区域各省、市、区行政边界是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2016)2923号的标准地图制作，底图无修改。

2 RegCM4模拟能力评估

2.1 气 温

图1是华北区域基准期年、冬季和夏季平均气温观测值及模拟与观测差值。可以看出，观测[图1(a)、图1(c)和图1(e)]和模拟(图略)的华北区域年、冬季和夏季平均气温空间分布基本一致，均呈现由南向北逐渐降低的空间分布。大部分地区，年平均气温的模拟偏差较小，在-0.4～0.4 ℃之间[图1(b)]，而冬季模拟值表现为暖偏差，偏差为0～1.2 ℃，但在内蒙古阿拉善盟南部、巴彦淖尔西北部以及山西忻州东部局部地区模拟气温偏高1.2 ℃以上[图1(d)]；夏季，大部分地区模拟气温存在0～0.8 ℃的冷偏差，而在内蒙古阿拉善盟西北部、呼伦贝尔西部局部地区偏低0.8 ℃以上，但河北北部、京津地区和山西东部模拟气温略偏高[图1(f)]。总体来看，华北大部地区气温的模拟偏差在±1 ℃以内，对比以往研究成果[5,11,15]，得出RegCM4对华北区域基准期气温整体模拟效果较好。

图1 华北区域基准期年(a、b)、冬季(c、d)和夏季(e、f)平均气温观测值(a、c、e)及模拟与观测的差值(b、d、f)(单位：℃)

2.2 降水量

图2是华北区域基准期年、冬季和夏季平均降水量的观测和RegCM4模拟值。可以看出，RegCM4模式模拟的华北区域基准期年、冬季和夏季降水的空间分布格局和数值与观测基本一致。就年降水量而言，华北区域基准期观测和模拟的降水量基本呈现由东南向西北逐渐减少的空间分布，大值中心位于呼伦贝尔东北部、北京、天津、河北东北部，但模拟的降水量较观测偏多0.2 mm·d-1左右[图2(a)和图2(b)]。冬季，模拟和观测的降水量均呈现中部少、南北部多的空间分布，大值区位于京津冀、山西及内蒙古东北部，但模拟的大于0.1 mm·d-1的范围小于观测[图2(c)和图2(d)]。华北区域降水主要集中在夏季，因此观测的夏季平均降水量空间分布[图2(e)]基本与年平均降水量类似，且模拟的降水量[图2(f)]也较好地再现了观测降水量的空间分布格局和数值。

图2 华北区域基准期年(a、b)、冬季(c、d)、夏季(e、f)观测(a、c、e)和模拟的(b、d、f)平均降水量(单位：mm·d-1)

3 21世纪RegCM4气候变化预估

3.1 气温变化

基于RegCM4对华北区域基准期气温与降水较强的模拟能力，对不同情景下21世纪(2021—2098年)华北区域平均气温、降水变化进行预估(图3)。可以看出，在两种排放情景下，21世纪华北区域年、冬季和夏季升温显著(通过α=0.001的显著性检验)，RCP8.5情景下升温趋势更明显、升温幅度更大[图3(a)和图3(b)]。其中，RCP4.5情景下年平均气温距平以0.37 ℃·(10 a)-1的速率升高，冬季和夏季的增温趋势与全年较为接近，但冬季气温年际变化(振荡)幅度更大；RCP8.5情景下年平均气温距平以0.69 ℃·(10 a)-1的速率升高，增温速率略小于夏季、高于冬季，但冬季气温年际变化(振荡)幅度更大。

图3 RCP4.5(a、c)和RCP8.5(b、d)情景下RegCM4模拟的2021—2098年华北区域气温距平(a、b)和降水距平百分率 (c、d)

表1统计了21世纪各时期(近、中、远期)不同排放情景下华北区域平均气温、降水及极端降水指数变化。可以看出，3个时期两种排放情景下气温变化特征大体一致，即21世纪整个华北区域年、冬季、夏季气温将一致上升，且RCP8.5情景下升温幅度均大于RCP4.5情景。其中，近期(2021—2035年)，两种排放情景下夏季升温幅度最大达1.56 ℃(RCP4.5)和2.31 ℃(RCP8.5)，冬季升温幅度最小为0.82 ℃(RCP4.5)和0.83 ℃(RCP8.5)；中期(2046—2065年)，两种排放情景下仍然是夏季升温幅度最大(分别为2.8、3.79 ℃)，冬季升温幅度最小(分别为2.5、2.53 ℃)，且年、冬季和夏季升温幅度均大于近期；远期(2080—2098年)的升温幅度较近期和中期明显更大，升温幅度依然是夏季最大，分别对应为3.69、6.4 ℃。

表1 不同情景下RegCM4预估的21世纪各时期华北区域气温、降水和极端降水指数变化

从近期气温变化的分布预估(图略)来看，在RCP4.5情景下近期华北区域年平均气温一致升高，升温幅度在1～1.6 ℃之间，且呈现“西部和东北部两端高、中部低”的空间分布特征，而RCP8.5情景下的升温幅度大于RCP4.5情景，高值区主要在内蒙古西部和东北部呼伦贝尔地区；两种情景下，近期冬季气温变化的空间差异相对较小，仅在RCP4.5情景下内蒙古呼伦贝尔地区升温幅度较大，在1.2 ℃以上；在RCP4.5情景下，近期夏季升温幅度大致呈现“由西北部和东北部向中部递减”的分布格局，高值区在内蒙古阿拉善盟西部和呼伦贝尔市西北部，升温幅度在1.8 ℃以上，而RCP8.5情景下升温幅度则由西北部向南部、东北部递减，高值区在内蒙古西部和北部一带。

从中期气温变化的分布预估(图4)来看，两种情景下年平均气温变化的空间分布较为相似，升温幅度由南向北阶梯状递增，高值区主要在内蒙古呼伦贝尔市[图4(a)和图4(b)]；冬季，RCP8.5情景下升温幅度超过2.1 ℃的范围远大于RCP4.5情景，主要的高值区均在内蒙古东北部[图4(c)和图4(d)]；夏季，两种情景的空间分布基本类似，升温幅度都由东向西逐渐增大，大值区均在内蒙古西部，但RCP8.5情景下的升温幅度更高。

图4 RCP4.5(a、c、e)和RCP8.5(b、d、f)情景下RegCM4模拟的21世纪中期华北区域年(a、b)、冬季(c、d)及夏季(e、f)平均气温距平(单位：℃)

远期(图略)，两种情景下整个华北区域年、冬季、夏季气温将进一步上升，升温幅度均由南向北逐渐增大，内蒙古部分区域升温幅度最大，低值区主要位于山西和京津冀部分地区。

综上所述，两种情景下21世纪各时期华北区域一致升温，RCP8.5情景下的升温幅度大于RCP4.5情景，尤其是年和夏季平均气温两种情景的差异更明显，且北部内蒙古地区的升温幅度大于南部省(市)。

3.2 降水变化

从21世纪华北区域平均降水距平百分率变化[图3(c)和图3(d)]来看，两种排放情景下21世纪华北区域降水均呈现较强的年际变化，RCP8.5情景下年、冬季和夏季降水距平百分率均表现为显著增加趋势(通过α=0.01的显著性检验)，分别以2.5、8.1、2.1%·(10 a)-1的速率增加；RCP4.5情景下，华北区域平均降水变化趋势不明显。

另外，21世纪3个时期两种排放情景下，华北区域降水均逐渐增加，增加幅度自近期、中期、远期依次增大(表1)，且冬季降水增加幅度最大，RCP4.5情景下冬季降水由近期至远期分别增加5.8%、22.1%、37.7%，RCP8.5情景下分别增加20.6%、32.9%、70.4%，可见各时期RCP8.5情景下冬季降水增加幅度均大于RCP4.5情景。

从近期降水变化的分布预估(图略)来看，两种情景下华北区域降水变化空间差异较大。年降水，在RCP4.5情景下除内蒙古东部减少外，其余大部区域增加，而RCP8.5情景下整个区域均表现为增加；冬季降水，RCP4.5情景下近似呈现“北部增加、南部减少”的空间分布，而RCP8.5情景下除内蒙古西部部分区域外，其余大部分区域表现为增加；夏季降水，RCP4.5情景下降水变化的空间分布与年降水较为相似，但变化幅度更大，而RCP8.5情景下均以增加为主。

从中期降水变化的分布预估(图5)来看，两种情景下华北区域内降水都以增加为主，尤其RCP8.5情景下降水增加更为明显，增加区域范围更大。值得注意的是，RCP4.5情景下，21世纪中期河北、北京一带冬季降水将减少2.5%～25%[图5(c)]，内蒙古西部和中部及东南部(与辽宁接壤)的部分区域夏季降水将减少2.5%～25%[图5(e)]。

图5 RCP4.5(a、c、e)和RCP8.5(b、d、f)情景下RegCM4模拟的21世纪中期 华北区域年(a、b)、冬季(c、d)及夏季(e、f)平均降水距平百分率(单位：%)

远期(图略)，两种情景下，华北区域内年、冬季、夏季降水的空间分布较为相似，降水均以增加为主，但夏季降水增加的范围小于年和冬季，且在内蒙古锡林郭勒盟、通辽以及河北、天津存在降水减少2.5%～25%的区域。

3.3 极端降水事件

21世纪不同时期，华北区域CDD都表现为减少特征，在RCP4.5和RCP8.5情景下远期分别减少7 d和12 d，减少幅度大于近期和中期；华北区域R95p均表现为增加特征，且在高排放的RCP8.5情景下增加幅度更大，尤其是中期和远期R95p分别增加41.9%和69.8%(表1)。

从近期降水极端指数变化的分布预估(图略)看出，在两种情景下CDD变化的空间分布较为相似，内蒙古地区普遍减少1～5 d，山西和京津冀地区普遍增加1～5 d，但RCP8.5情景下CDD减少的范围更大；在两种情景下，华北区域R95p整体增加明显，RCP4.5情景下除内蒙古东北部和西部部分地区减少外，其余大部分区域增加10%以上，而RCP8.5情景下华北区域普遍以增加为主，大部分地区增加10%～50%。

从图6看出，中期，华北区域CDD变化的空间分布和近期较为相似，在内蒙古大部分地区减少、山西和京津冀地区增加，但减少区域的范围大于近期；在两种情景下，华北区域R95p均以增加为主，其中RCP4.5情景下除内蒙古部分地区减少外，其余大部分地区R95p增加10%以上，而RCP8.5情景下R95p增加更为明显，大部分地区增加25%以上，且增加的大值区范围大于近期。

图6 RCP4.5(a、c)和RCP8.5(b、d)情景下RegCM4模拟的21世纪中期华北区域CDD距平(a、b，单位：d)和R95p距平百分率(c、d，单位：%)

远期(图略)，在两种情景下华北区域CDD均呈现一致减少特征，减少的范围大于近期和中期，其中RCP8.5情景下减少更为明显，山西和京津冀地区减少1～5 d，内蒙古大部分地区减少15 d以上；在两种情景下华北区域R95p均以增加为主，尤其是RCP8.5情景下极端降水增加范围扩大、幅度上升，大于近期和中期，大部分地区增加50%以上，在内蒙古西部增加100%以上。

综上所述，21世纪中期(2046—2065年)，两种排放情景下内蒙古大部分地区干旱事件将减少，山西和京津冀地区干旱事件将有所增加，且在高排放的RCP8.5情景下华北区域极端降水事件显著增加；远期(2080—2098年)，华北区域普遍伴有干旱事件的减少和极端降水事件的增加，尤其是内蒙古地区。

4 结 论

(1)RegCM4对华北区域基准期年、冬季、夏季气温和降水整体模拟效果较好，大部分地区气温偏差为-1.2～1.2 ℃，降水也较好地再现了观测场的空间分布格局和数值。

(2)就区域平均而言，21世纪3个时期(近、中、远期)，两种排放情景下华北区域年、冬季、夏季气温均逐渐升高，降水逐渐增加，其中夏季升温最大、冬季降水增加最多，且RCP8.5情景下升温幅度和降水增加幅度均大于RCP4.5情景；两种排放情景下CDD都表现为减少特征，且远期减少幅度大于近期和中期，而R95p均表现为增加特征，且在高排放的RCP8.5情景下增加幅度更大，尤其是中期和远期，分别增加41.9%和69.8%。

(3)21世纪3个时期，两种排放情景下华北区域内一致升温，年、冬季、夏季气温变化的空间分布较为相似，升温幅度均在内蒙古东部和西部最大、山西和京津冀地区相对较小；降水变化整体均以增加为主，RCP8.5情景下降水增加的范围更大，且远期降水增加幅度和范围最大。两种情景下，近期和中期CDD变化的空间分布相似，均表现为内蒙古减少、山西和京津冀地区增加，而远期CDD全区一致减少，其中内蒙古减少尤为明显；3个时期R95p均以增加为主，远期RCP8.5情景下增加的范围扩大、幅度升高。未来21世纪，华北区域干旱事件逐渐减少、极端降水事件不断增加。