中國(guó)氣候變化預(yù)估數(shù)據(jù)在河北地區(qū)的檢驗(yàn)分析

郝立生,向亮,張婧

(1.天津市氣象局,天津 300074;2.中國(guó)氣象局 蘭州干旱氣象研究所,甘肅 蘭州 730020;

3.中國(guó)氣象局 干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730020;4.河北省氣候中心,河北 石家莊 050021)

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中國(guó)氣候變化預(yù)估數(shù)據(jù)在河北地區(qū)的檢驗(yàn)分析

郝立生1,2,3,向亮4,張婧4

(1.天津市氣象局,天津 300074;2.中國(guó)氣象局 蘭州干旱氣象研究所,甘肅 蘭州 730020;

3.中國(guó)氣象局 干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730020;4.河北省氣候中心,河北 石家莊 050021)

摘要：應(yīng)用觀測(cè)資料對(duì)中國(guó)地區(qū)預(yù)估數(shù)據(jù)集進(jìn)行檢驗(yàn)分析。結(jié)果表明:1)7月降水量,區(qū)域模式在張家口南部桑洋河盆地和北部壩上地區(qū)的模擬值偏大,而在北京東邊興隆高山區(qū)和東南沿海地區(qū)的模擬值明顯偏小。2)7月最高氣溫,在北京東邊興隆高山區(qū)和東部平原的模擬值明顯偏高,而在張家口南部桑洋河盆地和太行山東側(cè)的模擬值偏低。3)1月最低氣溫,在北京東邊興隆高山區(qū)、太行山北段高山區(qū)和東部平原地區(qū)的模擬值偏高,而在張家口南部桑洋河盆地和太行山東側(cè)的模擬值偏低。4)無(wú)論是對(duì)降水還是氣溫,由于全球模式的空間分辨率偏低、很難描述河北地區(qū)的地形特征,所以模擬結(jié)果很差。由于區(qū)域氣候模式的分辨率提高、對(duì)河北地區(qū)地形特征的描述有了改進(jìn),所以模擬效果有明顯改善;但受分辨率所限,它對(duì)局部地形如興隆高山、桑洋河盆地、太行山北部高山等地形特征的描述不是很好,造成模擬結(jié)果在這些地區(qū)出現(xiàn)系統(tǒng)性偏差,因此應(yīng)用這些數(shù)據(jù)時(shí)需加以訂正。

關(guān)鍵詞：氣候模式;數(shù)值模擬;預(yù)估資料;河北地區(qū);檢驗(yàn)分析

0引言

全球氣候變化對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境有深遠(yuǎn)的影響,已成為21世紀(jì)各國(guó)可持續(xù)發(fā)展中面臨的重大問(wèn)題。未來(lái)氣候如何變化?對(duì)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展會(huì)造成什么影響?迫切需要對(duì)未來(lái)氣候變化進(jìn)行科學(xué)預(yù)估。為滿足氣候變化影響評(píng)估方面的科研和業(yè)務(wù)需求,中國(guó)氣象局國(guó)家氣候中心先后于2008年10月和2009年11月制作發(fā)布了“中國(guó)地區(qū)氣候變化預(yù)估數(shù)據(jù)集”(Version1.0,Version2.0)。這些數(shù)據(jù)在氣候變化影響評(píng)估中發(fā)揮了很好的作用(Gao et al.,2008;Xu et al.,2009;郝立生等,2010)。

為更好地預(yù)估未來(lái)氣候變化,政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)對(duì)第三次和第四次評(píng)估報(bào)告采用的排放情景進(jìn)行了改進(jìn)(Meinshausen et al.,2011),即“典型濃度路徑”(Representative Concentration Pathways,RCP)。這些排放情景主要包括RCP8.5、RCP6.0、RCP4.5、RCP2.6四種情景(Moss et al.,2010;王紹武等,2012)。RCP2.6情景是指輻射強(qiáng)迫在2100年之前達(dá)到峰值,到2100年下降至2.6 W/m2,全球平均溫度上升限制在2.0 ℃之內(nèi)。RCP4.5情景是指輻射強(qiáng)迫穩(wěn)定在4.5 W/m2。RCP6.0情景是指輻射強(qiáng)迫穩(wěn)定在6.0 W/m2。RCP8.5情景是指輻射強(qiáng)迫在2100年上升至8.5 W/m2。為給科研業(yè)務(wù)人員提供一套新排放情景下未來(lái)中國(guó)區(qū)域氣候變化的預(yù)估數(shù)據(jù),國(guó)家氣候中心氣候變化適應(yīng)室在2012年12月制作發(fā)布了“中國(guó)地區(qū)氣候變化預(yù)估數(shù)據(jù)集”的第三版(Version3.0),向用戶提供CMIP5(the fifth phase of the CMIP)全球氣候模式以及新版本區(qū)域氣候模式的模擬和預(yù)估數(shù)據(jù)(高學(xué)杰等,2010;石英等,2010;Gao et al.,2012a)。

為改進(jìn)氣候模擬和科學(xué)應(yīng)用模擬結(jié)果,一些學(xué)者對(duì)全球氣候模式和區(qū)域氣候模式模擬數(shù)據(jù)和預(yù)估效果作了分析評(píng)估(高學(xué)杰等,2006;許崇海等,2007;張冬峰等,2007;孫林海和劉一鳴,2008)。張宏芳和陳海山(2011)、Xu and Xu(2012)對(duì)第五次評(píng)估所用的全球模式結(jié)果作了初步評(píng)估分析,Gao et al.(2012b)評(píng)估了區(qū)域模式對(duì)季風(fēng)降水模擬存在的不確定性。無(wú)論是全球模式還是中尺度模式,下邊界地形對(duì)模擬和預(yù)測(cè)結(jié)果都有顯著影響(李書(shū)嚴(yán)和馬京津,2011;郭蕊等,2013;朱司光等,2013;敖翔宇等,2014;朱芳澤等,2014)。為更好地使用數(shù)值模式結(jié)果,對(duì)模式模擬能力和預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)估必不可少。如朱芳澤等(2014)對(duì)全球海氣耦合模式進(jìn)行評(píng)估,發(fā)現(xiàn)許多海氣耦合模式需重點(diǎn)改進(jìn)對(duì)南、北半球深對(duì)流海域物理過(guò)程的描述。徐敏等(2013)對(duì)IPCC AR4的25個(gè)全球氣候模式的模擬結(jié)果與觀測(cè)資料作對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)高分辨率模式在空間分布上模擬效果明顯要好于低分辨率模式。

如何更好地把中國(guó)地區(qū)氣候變化預(yù)估數(shù)據(jù)集(Version3.0)在河北應(yīng)用,目前還缺乏這方面的檢驗(yàn)分析。河北省地處東亞?wèn)|部,北接蒙古高原,南連黃淮平原,西倚太行山,東臨渤海(王衛(wèi)等,2012)。全省地勢(shì)西北部高,東南部低,由壩上高原、太行山燕山連成的弧形山脈、東南部的平原組成(圖1)。最北部的壩上高原是內(nèi)蒙古高原東南邊緣,平均海拔1 200～1 500 m。高原南邊是東西走向的燕山山地及東北—西南走向的太行山脈。太行山脈南北長(zhǎng)約600 km,東西寬約180 km,呈東北—西南向,平均海拔1 000～1 500 m。燕山山脈東西長(zhǎng)約330 km,南北寬約120 km,山體孤立,排列不規(guī)則,一般海拔800～1 000 m。山區(qū)東南部為河北平原,平原海拔大多在50 m以下。這種地形對(duì)河北省氣候有非常大的影響,特別是對(duì)氣溫和降水的影響非常顯著。

本文選擇較低排放情景RCP4.5時(shí)的1961—2050年的全球模式數(shù)據(jù)、區(qū)域模式數(shù)據(jù)與觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,重點(diǎn)針對(duì)河北地區(qū)的氣溫、降水的模擬、預(yù)估情況進(jìn)行檢驗(yàn)分析。一方面為更科學(xué)地應(yīng)用這套數(shù)據(jù)作氣候變化分析提供參考意見(jiàn),同時(shí)為改進(jìn)氣候模式模擬技術(shù)提供參考依據(jù)。

1資料與方法

主要用到兩種資料:1)國(guó)家氣候中心氣候變化適應(yīng)室制作發(fā)布的第三版“中國(guó)地區(qū)氣候變化預(yù)估數(shù)據(jù)集”(Version3.0),包括全球氣候模式數(shù)據(jù)和區(qū)域氣候模式數(shù)據(jù)。全球模式數(shù)據(jù)來(lái)自于PCMDI(Program for Climate Model Diagnosis and Intercomparison)公開(kāi)發(fā)布的全球23個(gè)模式組提供的全球氣候模式數(shù)值模擬結(jié)果,這些模式數(shù)據(jù)對(duì)IPCC第五次評(píng)估報(bào)告提供了重要支持。國(guó)家氣候中心將21個(gè)CMIP5全球氣候模式的模擬結(jié)果,經(jīng)過(guò)插值計(jì)算將其統(tǒng)一降尺度到1°×1°分辨率,利用簡(jiǎn)單平均方法進(jìn)行多模式集合,制作成一套包括歷史模擬數(shù)據(jù)(1901—2005年)和RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5排放情景下預(yù)估數(shù)據(jù)(2006—2100年)的月平均資料。區(qū)域模式數(shù)據(jù)是采用國(guó)際理論物理研究中心(ICTP,the Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics)的區(qū)域氣候模式RegCM4.0(Giorgi et al.,2012)單向嵌套BCC_CSM1.1(Beijing Climate Center_Climate System Model version 1.1)全球氣候系統(tǒng)模式(Wu et al.,2010;Xin et al.,2013),對(duì)中國(guó)地區(qū)進(jìn)行模擬和預(yù)估,從而得到歷史模擬數(shù)據(jù)(1961—2005年)和RCP4.5和RCP8.5排放情景下的預(yù)估數(shù)據(jù)(2006—2050年)的月平均資料,空間分辨率0.5°×0.5°(Gao et al.,2013)。本文針對(duì)低排放情景RCP4.5下的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)分析。2)河北省氣候中心整理的全省72站逐月氣溫、降水資料,時(shí)間1961年1月—2013年1月。

因?yàn)樯鐣?huì)對(duì)夏季降水量、夏季最高氣溫和冬季最低氣溫、冬季平均氣溫變化情況比較關(guān)注,這涉及到防汛、防暑、防寒、采暖工作調(diào)度和安全生產(chǎn)安排等問(wèn)題。因此,本文重點(diǎn)選擇7月降水量、7月最高氣溫、1月最低氣溫、1月平均氣溫進(jìn)行檢驗(yàn)分析。

采用的方法主要是對(duì)比檢驗(yàn)分析。作區(qū)域平均時(shí)間序列分析時(shí),首先將全球模式數(shù)據(jù)和區(qū)域模式數(shù)據(jù)插值到72個(gè)站點(diǎn)上(圖1),然后與河北實(shí)際觀測(cè)資料作對(duì)比分析。全省平均指72站平均,多年平均指1976—2005年平均值。序列分析時(shí),降水是相對(duì)于1976—2005年平均值的差值百分比變化,氣溫是相對(duì)于1976—2005年平均值的距平變化。空間分析時(shí),偏差顯著性采用t檢驗(yàn)方法。

圖1　河北省地形和氣象站分布(彩色陰影表示地形海拔高度,單位:m)Fig.1　Topography and weather stations in Hebei province(The color shadings denote terrain height with the unit of m)

2檢驗(yàn)分析

2.1　夏季(7月)降水量

2.1.1 時(shí)間變化

河北省受東亞夏季風(fēng)影響,降水高度集中在夏季。夏季(6—8月)降水量約占全年降水量的70%,其中7月降水量最多。圖2是全省平均的7月降水量距平百分比變化曲線。河北1961—2012年實(shí)際觀測(cè)到的降水距平百分比變化在-30%～40%,變化幅度較大。而全球模式模擬和預(yù)估曲線變化比較平緩,變化幅度在-10%～15%,預(yù)估的未來(lái)降水基本呈穩(wěn)定緩慢增加趨勢(shì)。模擬值和對(duì)2006—2012年預(yù)估值明顯小于實(shí)際值,不符合實(shí)際情況。因此,全球模式對(duì)河北未來(lái)降水量變化幅度的預(yù)估值偏小,可信度低。相反,區(qū)域模式模擬和對(duì)2006—2012年預(yù)估的變化幅度與觀測(cè)到的變化幅度相當(dāng),基本在-30%～40%。比較1961—2005年模擬值與實(shí)際值發(fā)現(xiàn),兩者有一致的時(shí)候,也有相反的時(shí)候,特別是20世紀(jì)90年代后期以來(lái)擬合非常接近。2006—2012年降水出現(xiàn)向增多轉(zhuǎn)折的趨勢(shì),預(yù)估結(jié)果與實(shí)際也非常一致。因此,區(qū)域模式對(duì)未來(lái)預(yù)估結(jié)果可信度高。區(qū)域模式預(yù)估未來(lái)降水總體偏多,無(wú)明顯長(zhǎng)期變化趨勢(shì),但階段性明顯,2010—2020年河北降水會(huì)偏多,之后減少,2030年前后偏多,之后減少。從變化趨勢(shì)和變化幅度看,區(qū)域模式結(jié)果更接近實(shí)際,其結(jié)果明顯優(yōu)于全球模式結(jié)果。

圖2　相對(duì)于1976—2005年平均的河北7月降水距平百分率變化(單位:%;虛線是觀測(cè)站資料,粗實(shí)線是全球模式結(jié)果,細(xì)實(shí)線是區(qū)域模式結(jié)果,均為5 a滑動(dòng)平均結(jié)果)Fig.2　Variation of July precipitation anomaly percentage(%) relative to average for 1976—2005 in Hebei(Dashed line is the observed results from station data,heavy solid line is the simulated results from the global model,and thin solid line is the simulated results from the regional model.All results are 5-yr moving average)

2.1.2空間分布

圖3是河北省1976—2005年平均的7月降水量觀測(cè)值、模式模擬值及其與觀測(cè)值之差空間分布。從圖3a看到,東西走向的燕山地區(qū)由于與東亞夏季風(fēng)風(fēng)向垂直,使得這里成為河北夏季降水量最大值中心;太行山北段東麓由于與副高外圍東南風(fēng)垂直,使這里成為河北夏季降水次大值中心;此外,河北東南部沿海地區(qū)降水量也明顯偏多。河北平原中南部由于處于山東丘陵地形雨影區(qū),成為降水量偏少中心;北部張家口和承德壩上地區(qū),由于偏南夏季風(fēng)攜帶的水汽大量在燕山、太行山迎風(fēng)坡降落,使得其到達(dá)這里時(shí)水汽來(lái)源不足,造成降水量明顯偏少。

圖3　1976—2005年7月河北降水的空間分布(單位:mm;陰影區(qū)表示通過(guò)0.05信度的顯著性檢驗(yàn))　　a.觀測(cè)結(jié)果;b.全球模式模擬結(jié)果;c.全球模式模擬結(jié)果減去觀測(cè)結(jié)果;d.區(qū)域模式模擬結(jié)果;e.區(qū)域模式模擬結(jié)果減去觀測(cè)結(jié)果Fig.3　Spatial distribution of July rainfall(mm) in Hebei during 1976—2005(Only regions with difference exceeding 0.05 significance level are shaded)　　a.observed results;b.global model simulated results;c.global model simulated results minus observed results;d.regional model simulated results;e.regional model simulated results minus observed results

全球模式模擬的降水量值空間分布差別不大(圖3b),東北部和南部平原略偏多,而燕山南麓和張家口西北降水少。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)(圖3c),對(duì)燕山南麓地區(qū)和太行山北段東麓地區(qū)模擬值明顯偏小,可能是由于全球模式空間分辨率低,不能很好地描述燕山、太行山局地地形與夏季風(fēng)的相互作用。對(duì)北部壩上地區(qū)模擬降水量值明顯偏大,通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)。可見(jiàn),全球模式模擬結(jié)果的空間分布與實(shí)際偏差很大。

區(qū)域模式模擬結(jié)果空間分布出現(xiàn)了細(xì)微結(jié)構(gòu)(圖3d),對(duì)燕山山區(qū)和太行山北段多雨區(qū)、中南部平原的少雨區(qū)基本都模擬出來(lái)了。但是,張家口南部桑洋河盆地模擬值明顯偏大,北部壩上地區(qū)模擬值也偏大(圖3e)。可見(jiàn),區(qū)域模式模擬結(jié)果與實(shí)際比較接近,但空間分布形勢(shì)整體有些北移。另外,降水量值大小有些偏差,似乎過(guò)分強(qiáng)調(diào)地形的阻擋抬升作用而忽視平原降水機(jī)制和山脈地形的雨影作用,造成壩上地區(qū)降水模擬值明顯偏大。可能由于區(qū)域氣候模式空間分辨率還比較低,不能很好描述桑洋河盆地地形,造成這里模擬值顯著偏大,通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)。

可見(jiàn),全球模式由于空間分辨率低,不能很好描述河北地形特征,模擬效果很差。區(qū)域模式由于分辨率的提高,對(duì)河北地形特征描述有了一定改進(jìn),模擬效果明顯提高。但由于分辨率的限制,對(duì)局部地形如興隆高山、桑洋河盆地、太行山北部高山等地形特征描述還不是很好,造成區(qū)域模式在張家口南部桑洋河盆地地區(qū)、北部壩上地區(qū)存在對(duì)降水量模擬值偏大的系統(tǒng)誤差,在北京東部興隆山地、東南沿海地區(qū)存在模擬值明顯偏小的系統(tǒng)誤差,應(yīng)用這些數(shù)據(jù)時(shí)需要加以訂正。

2.2　夏季(7月)最高氣溫

2.2.1時(shí)間變化

圖4是河北夏季(7月)最高氣溫變化曲線。以1976—2005年平均值為基礎(chǔ),觀測(cè)到最高氣溫距平在-1.5～2.0 ℃之間變化,總體上呈波動(dòng)上升趨勢(shì),2000年前后最高,2005年前后低,之后又升高。全球模式對(duì)1961—2005年的模擬值呈波動(dòng)變化,與實(shí)際觀測(cè)值有一致的時(shí)候也有不一致的時(shí)候,變化幅度偏小,沒(méi)有模擬出2000年前后的高溫時(shí)段,但對(duì)2006—2012年的預(yù)估比較接近實(shí)際。因此,全球模式模擬值與實(shí)際比較接近,但對(duì)極端值模擬效果差。區(qū)域模式模擬和預(yù)估變化幅度明顯大于實(shí)際變化情況,尤其模擬出的極端高溫值、極端低溫值顯著偏大。因此,區(qū)域模式預(yù)估未來(lái)氣溫呈波動(dòng)變化,無(wú)明顯長(zhǎng)期升高趨勢(shì)。全球模式和區(qū)域模式都沒(méi)有模擬出2000年前后的明顯高溫,區(qū)域模式只模擬出了一個(gè)較小的高值中心。可見(jiàn),無(wú)論全球模式還是區(qū)域模式,對(duì)7月最高氣溫的模擬和預(yù)估效果都不是很好。

2.2.2空間分布

圖5是河北省1976—2005年平均的7月最高氣溫觀測(cè)值、模式模擬值及與其觀測(cè)值之差空間分布。從圖5a看到,河北最高氣溫分布與緯度、地形分布有關(guān),高緯、高海拔地區(qū)氣溫低,低緯、低海拔氣溫高,南部平原地區(qū)最高氣溫差別不大。全省北部地區(qū)南北梯度大,中南部小,全省最高氣溫在25～32 ℃之間,南北相差僅8 ℃。

全球模式模擬的7月最高氣溫空間分布(圖5b)與觀測(cè)(圖5a)數(shù)值大小差別不大,但空間分布形勢(shì)差別較大。對(duì)北京東邊興隆高山和太行山北段高山模擬值有些偏高(圖5c);對(duì)北部壩上地區(qū)模擬值明顯偏大,通過(guò)了顯著性檢驗(yàn);而對(duì)張家口南部桑洋河盆地和太行山東麓模擬值偏低。這些分布都明顯不符合實(shí)際,可能是由于模式空間分辨率低,不能很好地描述河北地形特征,把北京東邊興隆高山和太行山北段高山考慮過(guò)低,而對(duì)張家口南部桑洋河盆地設(shè)置過(guò)高的緣故,對(duì)太行山焚風(fēng)效應(yīng)也沒(méi)有模擬出來(lái)。因此,應(yīng)用這些模式數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)根據(jù)地形加以訂正。

圖5　1976—2005年7月河北最高氣溫的空間分布(單位:℃;陰影區(qū)表示通過(guò)0.05信度的顯著性檢驗(yàn))a.觀測(cè)結(jié)果;b.全球模式模擬結(jié)果;c.全球模式模擬結(jié)果減去觀測(cè)結(jié)果;d.區(qū)域模式模擬結(jié)果;e.區(qū)域模式模擬結(jié)果減去觀測(cè)結(jié)果Fig.5　Spatial distribution of July maximum temperature(℃) in Hebei during 1976—2005(Only regions with difference exceeding 0.05 significance level are shaded)　　a.observed results;b.global model simulated results;c.global model simulated results minus observed results;d.regional model simulated results;e.regional model simulated results minus observed results

區(qū)域模式模擬的空間分布結(jié)果要好一些(圖5d),與實(shí)際氣溫空間分布特征接近。在河北北部模擬值接近實(shí)際,越往南模擬值偏高越多(圖5e)。尤其對(duì)北京東邊興隆高山和東部平原地區(qū)氣溫模擬值明顯偏高,對(duì)張家口南部桑洋河盆地和太行山東麓模擬值偏低。可見(jiàn),區(qū)域氣候模式由于分辨率的提高,對(duì)河北地形特征描述有了一定改進(jìn),模擬效果顯著提高了。但是,由于模式分辨率的限制,對(duì)局地地形如興隆高山、桑洋河盆地描述還不是很好,還需要進(jìn)一步改進(jìn)。

2.3　冬季(1月)最低氣溫和平均氣溫

2.3.1時(shí)間變化

圖6是河北冬季(1月)最低氣溫和平均氣溫變化曲線。圖6a是1月最低氣溫變化,圖6b是1月平均氣溫變化。以1976—2005年平均值為基礎(chǔ),觀測(cè)到的最低氣溫距平在-2.0～1.5 ℃之間變化,20世紀(jì)90年代、21世紀(jì)00年代偏高,2000年前后偏低,與7月最高氣溫變化趨勢(shì)相反。2010年以來(lái)顯著偏低,為近50 a來(lái)最低值。全球模式對(duì)1961—2005年的模擬值呈弱的波動(dòng)變化,幅度明顯小于實(shí)際觀測(cè)值變化,對(duì)2006—2012年的預(yù)估與實(shí)際偏差很大。因此,全球模式預(yù)估至2050年逐漸升高的趨勢(shì),可信度低。區(qū)域氣候模式對(duì)1961—2005年的模擬值呈波動(dòng)變化,與實(shí)際有些偏差,但對(duì)2006—2012年最低氣溫轉(zhuǎn)折趨勢(shì)預(yù)估接近實(shí)際,區(qū)域氣候模式模擬和預(yù)估效果較好。因此,區(qū)域模式預(yù)估未來(lái)1月最低氣溫在波動(dòng)中逐漸升高,可信度高。

圖6　相對(duì)于1976—2005年平均的河北1月最低氣溫(a)和平均氣溫(b)距平的變化(單位:℃;虛線是觀測(cè)站資料,粗實(shí)線是全球模式結(jié)果,細(xì)實(shí)線是區(qū)域模式結(jié)果,均為5 a滑動(dòng)平均結(jié)果)Fig.6　Variations of January (a)minimum temperature and (b)mean temperature anomalies(℃) relative to average for 1976—2005 in Hebei(Dashed line is the observed results from station data,heavy solid line is the simulated results from the global model,and thin solid line is the simulated results from the regional model.All results are 5-yr moving average)

1月平均氣溫觀測(cè)、模擬、預(yù)估的變化趨勢(shì)同最低氣溫變化基本一致。

2.3.2空間分布

對(duì)比河北省1976—2005年1月最低氣溫觀測(cè)值、模式模擬值及其與觀測(cè)值之差空間分布(圖略),可以看到,河北最低氣溫分布與緯度、地形分布有關(guān),高緯、高海拔地區(qū)氣溫低,低緯、低海拔氣溫高,北部山區(qū)和壩上高原最低氣溫南北梯度很大,與7月最高氣溫分布明顯不同。桑洋河盆地在7月是暖中心,而在1月為冷中心。全省最低氣溫空間分布在-5～-24 ℃之間,南北溫差達(dá)19 ℃,比夏季南北溫差大的多。

全球模式模擬1月最低氣溫空間分布無(wú)論是分布形勢(shì)還是數(shù)值大小都與實(shí)際偏差很大(圖略)。對(duì)燕山山區(qū)、太行山北段高山區(qū)和壩上高原模擬值明顯偏高,對(duì)桑洋河盆地、太行山南段及平原模擬值偏低(圖略)。造成這種偏差的原因可能是由于模式空間分辨率限制,不能很好描述河北地形特征,更無(wú)法模擬太行山的焚風(fēng)效應(yīng),結(jié)果在一些地區(qū)造成了模擬系統(tǒng)性偏差。

區(qū)域模式模擬結(jié)果要好很多,空間分布形勢(shì)和數(shù)值大小比較符合實(shí)際的空間分布特征(圖略)。但對(duì)北京東邊興隆高山、太行山北段高山和張家口壩上地區(qū)模擬值顯著偏高,對(duì)張家口南部桑洋河盆地和太行山南段模擬值偏低(圖略)。這說(shuō)明隨著區(qū)域氣候模式分辨率的提高,對(duì)河北地形描述有了明顯改進(jìn),模擬結(jié)果有了很大提高。但由于分辨率的限制,沒(méi)有很好地描述局部地形如北京東邊興隆高山、桑洋河盆地地形特征,也沒(méi)有模擬出太行山地形造成的焚風(fēng)效應(yīng),結(jié)果在這些局部地區(qū)出現(xiàn)了系統(tǒng)性偏差,應(yīng)用這些模式數(shù)據(jù)時(shí)需要根據(jù)地形特征加以訂正。

1月平均氣溫的空間分布、模擬、預(yù)估空間分布形勢(shì)和存在的問(wèn)題與最低氣溫分布形勢(shì)相似(圖略),存在的問(wèn)題也是一樣的。

3結(jié)論和討論

就整體變化,區(qū)域氣候模式對(duì)河北7月降水的模擬明顯好于全球氣候模式結(jié)果,特別是對(duì)2006—2012年降水出現(xiàn)向增多轉(zhuǎn)折的趨勢(shì)預(yù)估結(jié)果非常好。區(qū)域模式和全球模式對(duì)7月最高氣溫模擬都不是很好,區(qū)域模式數(shù)據(jù)對(duì)1月最低氣溫預(yù)估效果好一些,尤其對(duì)2006—2012年最低氣溫出現(xiàn)偏低的轉(zhuǎn)折趨勢(shì)預(yù)估結(jié)果非常好。

對(duì)于河北7月降水空間分布,區(qū)域氣候模式模擬情況明顯好于全球模式結(jié)果。由于模式空間分辨率的限制,不能很好地描述局部地形特征,造成區(qū)域模式在張家口南部桑洋河盆地地區(qū)、北部壩上地區(qū)存在模擬值偏大的系統(tǒng)偏差,在北京東邊興隆高山區(qū)、東南沿海地區(qū)存在模擬值明顯偏小的系統(tǒng)偏差。

對(duì)于河北7月最高氣溫空間分布,全球模式由于空間分辨率偏低,很難描述河北地區(qū)地形特征,模擬結(jié)果很差。區(qū)域氣候模式由于分辨率的提高,對(duì)河北地形特征描述有了一定改進(jìn),模擬效果明顯提高。但由于模式分辨率的限制,對(duì)局地地形如興隆高山區(qū)、桑洋河盆地地形描述還不是很好,在北京東邊興隆高山和東部平原地區(qū)模擬值明顯偏高、在張家口南部桑洋河盆地和太行山東麓模擬值偏低的系統(tǒng)偏差。

對(duì)于河北1月最低氣溫空間分布,區(qū)域氣候模式模擬情況明顯好于全球模式結(jié)果,但由于分辨率的限制,不能很好地描述局部地形特征,造成在北京東邊興隆高山區(qū)、太行山北段高山區(qū)和東部平原地區(qū)模擬值偏高、張家口南部桑洋河盆地和太行山東側(cè)模擬值偏低的系統(tǒng)偏差。

無(wú)論是對(duì)降水還是氣溫,全球模式由于空間分辨率偏低,很難描述河北地區(qū)地形特征,模擬結(jié)果很差。區(qū)域氣候模式由于分辨率的提高,對(duì)河北地形特征描述有了一定改進(jìn),模擬效果明顯提高。但由于分辨率的限制,對(duì)局部地形如興隆高山、桑洋河盆地、太行山北部高山等地形特征描述還不是很好,造成模擬值在這些地區(qū)出現(xiàn)系統(tǒng)偏差,應(yīng)用這些數(shù)據(jù)時(shí)需要加以訂正。

致謝:本研究所使用的全球氣候模式氣候變化預(yù)估數(shù)據(jù)是由國(guó)家氣候中心研究人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行的整理、分析和惠許使用。原始數(shù)據(jù)由各模式組提供,由WGCM(JSC/CLIVAR Working Group on Coupled Modelling)組織PCMDI(Program for Climate Model Diagnosis and Intercomparison)搜集歸類。多模式數(shù)據(jù)集的維護(hù)由美國(guó)能源部科學(xué)辦公室提供資助。感謝國(guó)家氣候中心提供了利用區(qū)域氣候模式所進(jìn)行的中國(guó)區(qū)域未來(lái)氣候變化模擬結(jié)果。

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(責(zé)任編輯：張福穎)

A test analysis on China climate change projection data in Hebei area

HAO Li-sheng1,2,3,XIANG Liang4,ZHANG Jing4

(1.Tianjin Meteorological Bureau,Tianjin 300074,China;2.Institute of Arid Meteorology,CMA,Lanzhou 730020,China; 2.Key Open Laboratory of Arid Climate Change and Disaster Redution,CMA,Lanzhou 730020,China; 4.Hebei Climate Center,Shijiazhuang 050021,China)

Abstract:Using the station data in Hebei area,a test analysis is maded on simulated results from China climate change projection data provided by National Climate Center.Results show that:1)July precipitation simulated by the regional model(RegMV) exists systematic deviation,which is larger in southern Zhangjiakou-Sangyang River basin and northern Zhangjiakou-Dam Plateau,but significantly smaller in Xinglong mountains east to Beijing and southeast coastal areas.2)July maximum temperature simulated by RegMV exists systematic deviation,which is significantly higher in Xinglong mountains east to Beijing and eastern plain region,but lower in southern Zhangjiakou-Sangyang River basin and eastern Taihang Mountains.3)January minimum temperature simulated by RegMV exists systematic deviation,which is higher in Xinglong mountains east to Beijing,North Taihang Mountains,and eastern plain region,but lower in southern Zhangjiakou-Sangyang River basin and eastern Taihang Mountains.4)The global model is difficult to describe terrain features of Hebei due to its low spatial resolution.Whether precipitation or temperature is simulated,the results are poor.The regional climate model has a certain improvement in describing terrain features of Hebei by improving the resolution,so its simulations have been improved significantly.However,due to the limit of the spatial resolution,such local terrain as Xinglong Mountains,Sangyang River basin,northern Taihang Mountains and other terrain are not well characterized,so the simulated results appear systematic deviation in these areas.It needs an improvement for the application of this set of data in Hebei area.

Key words:climate model;numerical simulation;projection data;Hebei area;test analysis

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130303002

文章編號(hào)：1674-7097(2015)03-0362-09

中圖分類號(hào)：P467

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

通信作者：郝立生,博士,正研級(jí)高工,研究方向?yàn)槿A北旱澇演變機(jī)理及預(yù)測(cè)技術(shù)研究,hls54515@163.com.

基金項(xiàng)目:中國(guó)氣象局蘭州干旱氣象研究所干旱氣象科學(xué)研究基金項(xiàng)目(IAM201201);國(guó)家氣候中心短期氣候預(yù)測(cè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)基金

收稿日期：2013-03-03；改回日期：2013-06-03

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