未來極端降水預估研究進展

陳曉 趙懿珺 紀平

摘 要：全球氣候變暖各地極端氣候事件頻發，自然環境和人類生產生活受到重大影響，極端氣候事件的變化發展及未來預估工作亟需開展，尤其是極端降水的變化與生活生產更是密切相關。該文在全球變暖大背景下基于未來各種排放情景，對極端降水的定義、預報方法以及演變趨勢的研究成果進行歸納總結，以為后續研究提供參考。

關鍵詞：極端降水 預報 全球變暖 氣候模型 極端化

中圖分類號：P463 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（a）-0020-04

Progress on Prediction of Future Extreme Precipitation

Chen Xiao Zhao Yijun Ji ping

（China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

Abstract：With global warming and the development of extreme weather events，natural environment and human life have been significantly affected，changes of extreme events and future projections must be carry out，especially the changes in extreme precipitation，which is closely related to the life and production.With the future various emission scenarios presented in this paper is a summarization of definition，prediction，and evolution of extreme precipitation，to provide references for subsequent research.

Key Words：Extreme Precipitation；Prediction；Global Warming；Climate Models；Extreme

由于化石燃料的燃燒和人類居住面積的擴張，大氣中CO2濃度日趨增加，在一系列排放情景下，預估未來20年將以每10年大約升高0.2 ℃的速率變暖，預估到21世紀末在各種排放情景球平均地面氣溫升將達到1.1～6.4 ℃[1]。在全球氣候變化的背景下，持續高溫、干旱、洪澇、極端暴雨等極端氣候事件的發生頻率、危害程度和范圍均有所增加[2，3]。40年來，由極端氣候事件所引發的經濟損失上升了近10倍[4]。近年來，極端降水事件不斷發生，對自然環境和人類社會產生了重要影響例如，2012年7月21日發生的北京特大暴雨導致數十人傷亡[5]。目前，國內外對氣候變化背景下的極端降水開展了大量工作，主要關注極端降水預報與演變規律。該文擬對極端降水的定義、預報方法以及演變趨勢的研究成果進行歸納總結，以為后續研究提供參考。

1 極端降水的定義與預報方法

1.1 定義

目前，極端氣候事件的定義尚不統一[6-9]，大致可分為兩類：一是從統計學角度來定義，通常以發生概率小于或等于第10（或大于第90）百分位數來界定；二是依據事件發生的強度。對于具體的極端天氣事件，主要從兩方面考慮：一是給定氣象要素閾值[9]，考察發生事件的氣象要素值是否超過該閾值[10]；二是分析表征極端氣候事件的代用氣候指數[11]，間接反映極端氣候事件的變化。在極端氣候指數研究方面，代表性工作包括：Frich等[12]提出了10個極端氣候指數，氣候變化探測和指標聯合專家組（ETCCDMI）提出了27個代用氣候指數[13]。上述指數中與極端降水相關的常用指數如表1所示。極端降水與溫室氣體排放密切相關。政府間氣候變化專門委員會（IPCC）給出了溫室氣體排放的六種情景，涉及一系列人口、經濟和技術驅動力以及由此產生的溫室氣體排放。如表2所示，其中A2、A1B、B1被確定為未來氣候變化的主要情景[14]。

1.2 預報方法

氣候變化預報研究主要關注不同排放情景下氣候變化的模擬[15]。該工作始于20世紀50年代，在20世紀70年代得到快速發展。目前，氣候變化的預報模式主要有大氣環流模式、海洋環流模式和海氣耦合氣候模式[16]。

海氣耦合氣候模式是預報大尺度氣候變化的重要模式，在高層大氣場、近地面溫度以及大氣環流模擬方面有諸多應用[17]。針對此模式，國內外提出了大量的數學模型，比如德國馬普實驗室的ECHAM5模型、加拿大氣候模型與分析中心的CGCM模型、美國海洋大氣局的GFDL模型、英國Hadely氣候預測與研究中心的HadCM模型、中國中科院大氣物理研究所的FGOALS模型以及中國氣象局國家氣候中心的BCC-CSM模型。

對于中小尺度極端氣候事件，全球模式的分辨率難以滿足預報要求[18]。為克服該缺點，國內外開展了大量工作，提出了四種應對途徑，即建立分辨率極高的全球模式、使用可變分辨率模式[18]、基于數理統計做降階處理[19]、采用降尺度法。上述4種方法中，降尺度法目前使用較多，主要包括動力降尺度和統計降尺度。動力降尺度方法主要利用不同尺度氣候模型之間存在的物理和動態鏈接，以低分辨率全球氣候模式結果作為強迫場和邊界條件來驅動高分辨率的區域氣候模式[20]，利用嵌套在全球氣候模式（GCM）中的高分辨率區域氣候模式（RCM），進一步預估各區域或局地不同排放方案下未來氣候變化的細節[21]。該方法有待改進的地方包括：減小全球氣候模式帶來的系統誤差影響，增強區域與全球氣候相互作用，消除實際應用過程中的內部變率等[22]。統計降尺度法主要利用原型資料建立大尺度氣候狀況與區域尺度氣候要素間的關聯來預報區域未來氣候變化情景[23]。目前隨著科技的發展，統計降尺度方法應用越來越廣泛，概括起來主要有三種：轉換函數法、天氣發生器和環流分型技術。該法的不足在于不能明確描述影響氣候的物理過程。

降尺度方法的選擇與降尺度變量、研究區域以及可用數據有關[24]。Haylock et al.[25]發現非線性人工神經網絡是研究英國西北和東南部降水指數年際變化的最成功方法。Tryhorn L& Degaetano A[20]針對美國東北部極端降水的預測研究發現，統計降尺度模型的模擬值與實測值更加匹配。此外，Jeong D.I et al.[26]等還提出了多站點統計降尺度模型。

2 極端降水演變趨勢

已有研究成果表明極端降水因氣候變化呈增加趨勢。受季節、研究區域和極端降水定義的影響，各研究結果略有差異。北半球高緯度陸地區域的降雨發生頻率、暴雨頻率分別提高5%～10%，2%～4%[27]。過去幾十年，我國極端降水變化態勢與全球態勢基本一致，但區域性差異更加突出，大部分地區的降水呈明顯增長趨勢，西部和長江中下游極端降水頻率顯著增加，長江流域及其以南地區的極端降水日數呈增加趨勢[28-30]。

未來氣候變化將對全球降水有重要影響。亞洲南部和東部20年重現期的日降水量居全球最高，并且未來的增長速率也最快。加拿大氣候模型與研究中心預測表明，本世紀全球平均降水量的增幅小于3%，重現期為20年的24小時極端降水率增幅將大于20%，類似演變規律在其它研究中也有所報道[31-33]。表3為部分地區未來極端降水變化的研究成果。

從表3可以看出：（1）降雨極值即使在平均降水量減少的地方也有增加的趨勢，未來極端降雨增幅比年際平均降雨增幅大；（2）未來降水有走向極端化的趨勢，且總降水量增大的區域，極端強降雨事件有明顯增加的趨勢。

3 結論與展望

（1）極端降雨事件的發生機理非常復雜，溫度增加值與極端降雨量變化幅度的關系有待深入研究。

（2）基于海氣耦合模式與區域化技術的綜合預報方法是未來極端氣候事件預報的重要方法。在此基礎上發展的區域化技術是解決小尺度、高分辨率模擬的重要途徑，其中動力降尺度與統計降尺度方法應用效果最好，但是也存在一定不足，動力降尺度方法由于系統誤差和參數選擇的局限性，在實際應用中效果受很大影響；隨著科技的發展統計降尺度方法會應用越來越廣泛；多站點統計降尺度模型有望提供更好的空間連續性，是將來模型開發研究的重點對象。

（3）近幾十年降水極值與短時間內降水量有增加跡象，且變化幅度與溫室氣體排放強度成正比。預估未來五十年到一百年極端降水值呈現顯著增長趨勢，與降水有關的變化有趨于極端的跡象。

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