基于ECHAM5模型預估2050年前海河流域氣候變化時空格局

摘要：通過分析ECHAM5氣候模式輸出的海河流域2001-2050年氣溫和降水數據，得出海河流域2050年前氣候變化時空分布特征，結果表明：2050年前三種情景下海河流域全流域繼續升溫，其中A1B情景下升溫最快，相對于1961-1990年平均氣溫，2040s溫度距平值可達2.4℃；降雨時空變化都有比較明顯的特征，A2情景降雨趨于減少，A1B和B1情景降雨有增加趨勢，但主要集中在海河流域西南部，A2情景下2010s、2030s年是少雨期，A1B情景下2000s、2010s、2020s和2030s是少雨期，B1情景下從2010s開始都為多雨期。

關鍵詞：ECHAM5模式 海河流域 氣溫 降水量

氣候變化不僅影響著水文、生物和生態系統，還影響著經濟、生活，因此未來氣候變化引起的效應對地區、國家甚至全球的可持續發展具有舉足輕重的重要性[1]。國內已經進行了許多對流域氣候變化及其未來情景預估的研究[2-5]。海河流域位于東經112°-120°，北緯35°-43°之間，包括了北京、天津、河北三省市以及山西、河南、山東、內蒙和遼寧等省區的一部分[6]。流域內人口眾多，工業發達，水資源供需矛盾突出。海河流域水資源問題已進行大量研究[7，8]，但影響海河流域水資源的氣候因素尤其是未來海河流域氣候系統變化特征未見系統分析。本文采用德國馬普氣象研究所提供的ECHAM5模式輸出三種排放情景下2001-2050年溫度和降水數據分析研究了2050年前海河流域氣候變化時空特征，對未來海河流域水資源利用及管理提供一定的參考研究。

1、數據與方法

考慮到觀測和模式數據時間序列的一致性，選用了中國氣象局國家氣象信息中心提供的海河流域29個氣象站溫度與降水的月數據（1961.01-2000.12）分析已觀測的氣候變化時空特征；采用德國馬普氣象研究所提供的ECHAM5模式輸出的未來三種情景下（SRES-A2，A1B，B1）溫度和降水數據（2001.01-2050.）分析了2050年前海河流域氣候變化時空特征。

對氣溫和降水首先進行了趨勢分析，分別計算了各年代相對于1961-1990年平均值的距平，在基礎上用Mann-Kendall非參數統計檢驗方法檢驗了各季節的趨勢變化，最后對氣溫和降水空間趨勢分布進行了計算并插值成圖。

海洋環流模式（ECHAM5/MPI-OM），同時耦合海冰和陸面過程模式，采用較高的模式分辨率對地球系統的未來氣候進行預測，其中大氣模式采用T63的網格，水平網格分辨率為1.875°×1.875°，垂直分31層。新模式更新了可預報的氣溶膠模塊，對云覆蓋重新進行了參數化過程，同時對云里面的冰和水進行了不同的過程處理，大大提高了對降水過程的模擬[9，10]。

Mann-Kendall非參數統計檢驗方法分析，該方法亦稱無分布檢驗，優點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數異常值的干擾，更適用于類型變量和順序變量，計算比較簡便[11]。空間分布圖則采用ARCMAP中反距離權重法（IDW）插值成圖。

圖1 海河流域及氣象站點示意圖

Fig.1 Meteorological stations in the Haihe River basin

2、模型驗證

本文選擇ECHAM5實驗期1961年1月至2000年12月為模型驗證期，比較了同期模擬數據與觀測數據的差異，比較結果表明：ECHAM5模型對溫度把握較好，觀測到的海河流域年平均溫度為10.3℃，模式模擬海河流域年平均溫度為9.6℃，模式模擬年均溫度比實測年均溫度的標準差低0.01，說明模式很好的把握了年均溫度的年際變率；而對降雨量的模擬不是很好，觀測和模擬的海河流域年平均降水量分別為535mm和835mm，模式模擬年均降水量的標準差比實測年均降水量標準差值大68。此外，年平均溫度和年平均降水量的距平（相對于1971-1990年）符號一致率分別達到55%和52.5%。

計算1961-2000年觀測和模擬年平均溫度和降水量并插值成空間分布圖（圖2），由圖2可知，模型對溫度和降水的空間分布具有一定的模擬能力。模型能夠一定程度上把握年均溫度由南向北逐漸降低的空間分布特征，也能模擬年降水量由東南向西北逐漸減少的空間格局，但降水量模擬數值差異較大，且觀測年降水量最大值位于海河流域東部地區，而模擬年降水量最大值則位于海河流域西南地區。

可見模式具有一定的模擬能力，尤其是對溫度的模擬較好，在此基礎上分析海河流域未來氣候變化時空特征，具有一定的意義。

圖2 觀測和模擬海河流域年均溫度和降水量空間分布

（a：觀測年均溫度；b：觀測年均降水；c：模擬年均溫度；d：模擬年均降水）

Fig.2 Spatial distribution of annual average temperature and precipitation in the Haihe River basin

(a: observed temperature; b: observed precipitation; c: simulative temperature; d: simulative precipitation)

3、氣候變化時空格局

分析1961-2000年海河流域29站氣溫和降水資料可知：海河流域自1961年來氣溫呈升高趨勢，線性傾向率為0.24℃/10a，80s氣溫開始升高，90s氣溫距平值達到0.6℃；降水的呈減少趨勢，線性傾向率為-23mm/10a，80s降水開始減少，90s降水距平達到-36.7mm（表1）。

表1 1961-2005年海河流域年均溫度和降水距平（相對于1961-1990年均值）

Tab.1 Anomaly of annual temperature and precipitation in the Haihe River basin during 1961-2005 (to average level of 1961-1990)

3.1氣溫變化時空格局

分析ECHAM5模式輸出的三種情景下2001-2050年月降水量和氣溫數據，結果表明：2001年以來，海河流域年平均氣溫三種情景下均呈顯著增加趨勢，其中A1B情景下升溫幅度比較大，線性傾向率達到0.51℃/10a，A2情景下為0.32℃/10a，B1情景下為0.15℃/10a。由表2可知：A2情景下，2010s海河流域處于高溫期，2030s后升溫顯著，其中2040s年均溫度距平值達到1.8℃；A1B情景下，2030s升溫比較顯著，其中2040s年均溫度距平為2.4℃；B1情景下，溫度變化相對緩慢，直到2040s年均溫度距平才達到1.1℃（表2）。

氣溫在三種情景下四季都為升溫趨勢，除A2情景冬季和B1情景春季沒有通過90%置信水平檢驗，其余都通過置信水平檢驗。其中A2情景下，秋季升溫最顯著；A1B情景下，夏季升溫最顯著；B1情景下，夏季升溫最顯著（圖3）。

三種情景下，海河流域全流域升溫趨勢都通過99%置信度水平的MK顯著性檢驗（圖略），可見2050年前，海河流域年均溫度空間分布特征為全流域顯著升溫。

表2 2050年前海河流域年均氣溫距平（相對于1961-2000年均值，單位：℃）

Fig.2 Anomaly of annual temperature in the Haihe River basin during 2001-2050 (to average level of 1961-1990)

圖3 三種情景下2050年前海河流域四季氣溫趨勢MK檢驗（虛線分別代表99%，95%和90%置信度水平）

Fig.3 Mann-kendall test of seasonal temperature under three scenarios in the Haihe River basin during 2001-2050

3.2降水變化時空特征

2050年前海河流域年均降水在A2情景下為減少趨勢，線性傾向率為-16mm/10a，A1B和B1情景下年降水量呈增加趨勢，線性傾向率分別為12mm/10a和25mm/10a。年降水量的年際變化上，A2情景下，2010s、2030s和2040s都為少雨時期，A1B情景下2001-2040年都為少雨時期，只有2040s為多雨時期，年降水距平值為30.3mm，B1情景下，2010年以后都未多雨期，其中2040s年均降雨距平值為120mm。

表3 2050年前海河流域年均降水距平（相對于1961-2000年均值，單位：mm）

Fig.2 Anomaly of annual precipitation in the Haihe River basin during 2001-2050 (to average level of 1961-1990)

降水的季節變化上，A2情景下，只有冬季降水為上升趨勢，其他三個季節都為減少趨勢，只有夏季減少趨勢通過90%置信度檢驗；A1B情景下，春季和秋季為上升趨勢，也沒有達到置信度水平；B1情景下，四季均為上升趨勢，其中秋季和冬季分別通過95%和90%的置信度檢驗（圖4）。

圖4 三種情景下2050年前海河流域四季降水趨勢MK檢驗(虛線分別代表90%和95%置信度水平)

Fig.4 Mann-kendall test of seasonal precipitation under three scenarios in the Haihe River basin during 2001-2050

年降水量空間變化趨勢為：A2情景下，2050年前海河流域中部地區年降水量呈減少趨勢，且通過置信度檢驗；A1B情景下，海河流域大部年降水量沒有明顯變化趨勢，只有西南一部降水有增加趨勢，且通過了置信度檢驗；B1情景下，海河流域降雨增加趨勢明顯，主要集中在海河流域西南部，并有由西南向東北逐漸減弱的趨勢。

圖5 三種情景下2050年前海河流域年降水趨勢MK檢驗 （a：A2情景；b：A1B情景；c：B1情景）

Fig.5 Mann-kendall test of annual precipitation under three scenarios in the Haihe River basin during 2001-2050 (a: SRES-A2; b: SRES-A1B; c: SRES-B1)

4、結論

通過對海河流域1961-2000年觀測氣溫和降水月數據及ECHAM5模式輸出1961-2050年氣溫和降水月數據的分析，得出海河流域2050年前氣溫和降水的時空變化特征，主要結論如下：

海河流域氣溫持續觀測到的升高趨勢，未來三種情景下氣溫仍然保持升高趨勢，其中A1B情景下升溫比較顯著；季節變化上，A2情景下秋季升溫最顯著，A1B和B1情景下夏季升溫最顯著；空間變化上海河流域表現為全流域一致性的升溫趨勢，且都通過了顯著性檢驗。

A2情景下海河流域降水量變化持續觀測到的減少趨勢，但A1B和B1情景下降水量呈增加趨勢，且B1情景下增加趨勢比較明顯；季節分配上，A2情景下，只有冬季降水呈微弱增加趨勢，但沒有通過顯著性檢驗，A1B情景下春秋降水為增加趨勢，也沒有通過顯著性檢驗，B1情景下，秋季降水增加顯著，且通過了90%的顯著性檢驗，B1情景下，四季降水均為增加趨勢，其中秋冬季節通過了顯著性檢驗；空間分布上，A2情景下海河流域中部地區呈現明顯的降水減少趨勢，B1情景下西南地區降水呈明顯增加趨勢。

未來海河流域全流域升溫顯著而降雨增加并不明顯且只有在B1情景下南部區域降雨有增加，隨著海河流域人口增多，社會經濟發展，對水資源的需求越來越大，海河流域水資源供需矛盾可能進一步擴大。

參考文獻：

[1]袁飛，謝正輝，任立良等.氣候變化對海河流域水文特征的影響[J].水利學報，2005，36(3):274-279

[2]田紅，許吟隆，林而達.溫室效應引起的江淮流域氣候變化預估[J].氣候變化研究進展，2008， 4(6):357-362

[3]姜彤，蘇布達，王艷君等.四十年來長江流域氣溫、降水與徑流變化趨勢[J].氣候變化研究進展，2005， 1(2):65-68

[4]曾小凡，蘇布達，姜彤等.21世紀前半葉長江流域氣候趨勢的一種預估[J].氣候變化研究進展，2007， 3(5):293-298

[5]劉綠柳，劉兆飛，徐宗學. 21世紀黃河流域上中游地區氣候變化趨勢分析[J].氣候變化研究進展，2008， 4(3):167-172

[6]肖嗣榮.未來氣候變化及其對海河流域環境影響[J].地理學與國土研究，2005，8(1):32-35， 49

[7]劉春蓁，劉志雨，謝正輝.近50年海河流域徑流的變化趨勢研究[J].應用氣象學報，2004， 15(4):385-393

[8]王金霞，李浩，夏軍等.氣候變化條件下水資源短缺的狀況及適應性措施：海河流域的模擬分析，2008， 4(6):336-341

[9]牟林，吳德星，陳學恩，等.溫室氣體濃度增加情景下全球海洋變化主要特征分析[J].科學通報，51(19):2304-2308

[10]Arpe K.， Hagemann S.， Jacob D.， et al. The realism of the ECHAM5 models to simulate the hydrological cycle in the Arctic and North European area [J]. Nordic Hydrology. 2005 vol. 36:349-367.

[11]魏風英.現代氣候統計診斷與預測技術[M].北京：氣象出版社，2007. 69