黄河流域未来极端气候事件变化趋势评估

王明玮，温跃修，严登华，2，荐圣淇

（1.郑州大学 黄河实验室，河南 郑州 450001；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038）

政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告显示，全球气候已明显变暖，1880—2012年全球气温上升了0.85℃。气候变化使区域极端气候事件发生频率或强度出现不同程度的变化，极端气候事件会对陆地生态系统服务功能和人类社会生活造成严重影响，洪涝灾害和干旱灾害的频繁发生使世界上大约22%的河流年径流量显著减小［1］。气候变化检测及指数联合专家组（ETCCDI）于2017年基于全球逐日气温数据和降水数据提出一套极端气候指数，已被广泛应用于全球极端气候事件调查［2－6］。目前，对极端气候事件的研究主要集中于时空变化规律和相关影响因素方面，如：Supari等［7］对印度尼西亚1983—2012年的极端气候事件进行了分析，结果表明印度尼西亚极端气温出现显著上升趋势且空间分布均匀；Sun等［8］对全球气候变暖背景下1960—2013年黄土高原极端气候事件的年际变化趋势进行了分析，结果表明黄土高原极端气温暖指数呈上升趋势，特别是在1985—2000年增幅较大，而极端气温冷指数呈现下降趋势。全球气候模式对于不同区域的适用性存在差异，针对黄河流域，目前缺少长时间序列的极端气候变化特征信息。

黄河流域干旱、高温、暴雨等极端气候事件的频发会对黄河两岸人民生命财产安全造成重大威胁，加剧社会经济用水与生态环境用水之间的矛盾，严重制约当地经济发展，因此研究黄河流域未来极端气候事件的时空分布，有助于了解极端气候事件发生频率和强度，对干旱、洪水等事件采取针对性策略，从而促进黄河流域稳步发展。本文基于GFDL、FGOALS和CCSM4这3种适合黄河流域的气候模式，采用多模式集合平均方法对RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5这3种未来情景下流域极端气候事件的变化趋势进行分析研究。

1 研究区概况、数据来源以及研究方法

1.1 研究区概况

黄河流域位于东经96°—119°、北纬32°—42°，东西长约1 900 km，南北宽约1 100 km，流域面积为79.5万km2。黄河流域幅员辽阔，山脉众多，地势西高东低，流域内降水分布不均匀，年降水量200～650 mm，呈由东南向西北递减的特征。从气候对农业生产影响的角度来看，流域内东南部属半湿润气候区，中部属半干旱气候区，西北部属干旱气候区，东亚季风导致黄河洪涝灾害频发，年平均气温4～12℃，主要表现为由东向西气温降低。

1.2 数据来源

气象数据选用1961—2005年黄河流域63个气象站点的日最高气温、日最低气温、日降水量数据，该类数据源自中国气象科学数据共享服务网。GFDL、FGOALS、CCSM4 3种CMIP5气候模式数据集源自地球系统网格联盟（ESGF），包括历史气候模拟试验数据和21世纪气候预估试验数据。在21世纪气候预估试验中设计了RCP2.6、RCP4.5、RCP6.0、RCP8.5这4种典型浓度路径（RCP）情景，这是依据对未来发展的诸多假设模拟出的未来温室气体排放情景。由于多个CMIP5气候模式没有开展RCP6.0情景的预估试验，因此本文选用RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5这3种未来情景展开研究。

1.3 研究方法

（1）多模式集合平均法（MME）。该方法被广泛应用于气候模拟与预估研究，主要包括等权集合平均法和加权集合平均法，本文选用等权集合平均法，公式如下：

式中：EE为模式集合结果；Fi为第i个模式的模拟数据；N为模式总数。

（2）极端气候指标评估方法。选取最大1 d降水量（RX1DAY）、最大5 d降水量（RX5DAY）、每年日降水量≥20 mm的天数（R20－day）、连续湿日（CWD）、每年大于99%分位点的日降水量总和（R99）、日最高气温（TXx）、日最低气温（TNn）为黄河流域极端气候指标。基于实测降水数据及CMIP5气候模式的模拟数据，利用广义极值分布法预估不同重现期的极端降水事件。

2 结果与讨论

2.1 未来气温变化趋势

采用等权集合平均法得出3种未来情景下2010—2099年黄河流域日最高气温和日最低气温的变化趋势（见图 1）。从预估结果来看，未来流域气温整体呈上升趋势，RCP2.6情景下日最高气温、日最低气温的上升速率分别为0.052、0.029℃／10 a，RCP4.5情景下日最高气温、日最低气温的上升速率都为0.170℃／10 a，RCP8.5情景下日最高气温、日最低气温的上升速率分别为0.470、0.460℃／10 a。该结果表明RCP4.5情景和RCP8.5情景下流域日最高气温和日最低气温的上升幅度基本一致，而RCP2.6情景下流域日最高气温的上升速率高于日最低气温的上升速率。

图1 2010—2099年黄河流域日最高气温、日最低气温的变化趋势

黄河流域日最高气温、日最低气温的时空分布见图2和图3。整体来说，在RCP未来情景下日最高气温与日最低气温的空间分布规律呈现出一致性，从黄河上游河源区向中下游呈上升趋势［9－11］。

图3 2010—2099年黄河流域日最低气温时空分布

2.2 未来降水变化趋势

多模式集合得到的2010—2099年黄河流域年降水量的变化趋势见图4，从MME方法预估结果来看，RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5情景下年降水量增加速率分别为0.67、5.71、12.90 mm／10 a，RCP8.5情景下年降水量增加趋势最明显。与RCP2.6情景相比，2040年之前RCP4.5情景和RCP8.5情景下表现为年降水量偏小的年份较多，这说明未来情景下黄河流域年降水量整体处于弱增加趋势，到21世纪后期，高温室气体排放情景下的年降水量增幅稍大。

图4 2010—2099年黄河流域年降水量变化趋势

2020—2099年黄河流域最大1 d降水量和最大5 d降水量的变化趋势见图5。RCP2.6情景下流域最大1 d降水量范围为30～55 mm，期间其峰值主要出现在2023年、2035年、2041年、2070年和2090年。RCP4.5情景下最大1 d降水量范围为32～65 mm，其谷值出现在2030年、峰值出现在2088年。RCP8.5情景下最大1 d降水量范围为40～60 mm，与RCP2.6情景和RCP4.5情景相比，RCP8.5情景下最大1日降水量整体呈上升趋势，说明RCP8.5情景下流域未来最大1 d降水量发生频率提高，出现极端降水事件的概率会增大［12－18］。3种未来情景下最大5 d降水量在60～170 mm范围内波动，其中：RCP2.6情景下最大5 d降水量峰值（为162 mm）出现在2040年，RCP4.5情景下最大5 d降水量峰值（为143 mm）出现在2067年，RCP8.5情景下最大5 d降水量峰值（为170 mm）出现在2068年。整体上RCP2.6情景下最大5 d降水量的波动范围最小，而RCP8.5情景下最大5 d降水量表现出强烈的波动。

图5 2020—2099年黄河流域最大1 d降水量和最大5 d降水量变化趋势

进一步分析3种情景下2020—2054年和2055—2099年极端降水指标相较于基准期（1961—2005年）的空间变化，即利用未来时期的气候模式数据减去历史实测数据，考虑数据较多且各极端降水指标的变化趋势较相似，以最大1 d降水量的空间变化作为典型（见图 6），可以看出，与基准期相比，2020—2054年和2055—2099年RCP2.6情景下流域未来最大1 d降水量整体呈现增加趋势，发生强降水事件的地区主要在黄河中下游。2020—2099年RCP2.6、RCP4.5情景下最大1 d降水量较基准期的变化幅度分别为－10～40 mm、－5～54 mm，黄河中游最大1 d降水量较基准期的增幅较大。RCP8.5情景下流域最大1 d降水量整体较基准期增加幅度最大，21世纪中期数值范围为0～33 mm，到21世纪后期增加趋势尤其明显，数值范围为20～43 mm，黄河中游地区最大1 d降水量显著增加。

图6 3种情景下2020—2054年和2055—2099年最大1 d降水量相较于基准期的空间变化

2.3 不同重现期的极端降水

对1961—2099年黄河流域不同情景和不同重现期的最大1 d降水量、最大5 d降水量变化趋势进行预估，多模式集合所得历史时期10 a、20 a、50 a一遇最大1 d降水量分别为27、30、33 mm，RCP2.6情景下10 a、20 a、50 a一遇最大1 d降水量分别为29、32、36 mm，RCP4.5情景下10 a、20 a、50 a一遇最大1 d降水量分别为30、33、37 mm，RCP8.5情景下10 a、20 a、50 a一遇最大1 d降水量分别为32、35、40 mm；历史时期10 a、20 a、50 a一遇最大5 d降水量分别为62、67、74 mm，RCP2.6情景下10 a、20 a、50 a一遇最大5 d降水量分别为68、75、83 mm，RCP4.5情景下10 a、20 a、50 a一遇最大5 d降水量分别为73、81、89 mm，RCP8.5情景下10 a、20 a、50 a一遇最大5 d降水量分别为76、83、92 mm。3种情景下黄河流域未来10 a、20 a、50 a一遇最大1 d降水量和最大5 d降水量均高于历史时期，且同一重现期内RCP8.5情景下的最大1 d降水量和最大5 d降水量均高于RCP4.5和RCP2.6情景的。

3 结 语

对RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5未来情景下黄河流域气候变化进行预估可知，RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5情景下日最高气温的上升速率分别为0.052、0.170、0.470℃／10 a，日最低气温的上升速率分别为0.029、0.170、0.460℃／10 a。日最高气温与日最低气温的空间分布规律呈现出一致性，从黄河上游河源区向中下游呈上升趋势，发生强降水事件的地区主要在黄河中下游。基于此，须对黄河流域应对气候变化的措施给予足够重视，制定水资源综合管理规划，有效预防极端气候事件，减轻其对农业生产和人民生活的不良影响，保障区域经济发展。