華北地區極端氣候事件對農作物生長的影響研究

李彥萌　劉海鵬　張冬峰　何俊琦

摘 ? ?要：利用改良的區域氣候模式RegCM4.4，嵌套CSIRO-Mk3.6.0全球模式，對東亞地區當代和RCP4.5排放情景下21世紀25 km高分辨率氣候變化模擬的結果進行了研究，就華北地區對全球變暖的響應進行了分析，檢驗了CSIRO-Mk3.6.0全球模式驅動的RegCM4.4區域模式試驗對當代極端氣候事件的模擬，最后分析了極端氣候對山西農業的影響。研究表明，RegCM4.4區域模式模擬和溫度相關的極端氣候指數接近于觀測值，存在冷偏差，對和降水相關的極端氣候指數的模擬則存在不一致。RegCM4.4區域模式模擬試驗結果表明，區域模式對觀測中的氣溫、降水及極端氣候指數具有模擬能力。

關鍵詞：極端氣候事件;農作物;生長;影響

文章編號： 1005-2690（2021）05-0003-06 ? ? ? 中國圖書分類號： S162.5 ? ? ? 文獻標志碼： B

在全球變暖的大背景下，區域氣候變化在各地呈現出不同特征。針對各區域氣候變化呈現出明顯的不同，運用全球氣候模式研究未來區域氣候變化已經做了很多工作，這些研究均表明全球氣候模式對區域氣候變化的模擬能力差異較大。受計算機條件的限制，全球模式分辨率一般較低，難以精確地描述海岸線、中小尺度地形和地表特征及其他局地強迫因子，降低了其在區域氣候及區域氣候變化模擬方面的可信度[1-2]。相對于全球模式，區域氣候模式具有分辨率高的優勢，能夠提供更為詳細可靠的局地信息。對于中國區域，特別是東亞季風區的復雜地形特征，區域氣候模式可以更精確地模擬大尺度季風降水的分布和東亞梅雨降水[3-4]，在使用區域氣候模式進行中國地區降水等極端事件的模擬和預估方面我國也開展了許多工作。

華北地區屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，四季分明，降水偏少，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促，獨特的地理位置和氣候特征是造成華北區域寒潮、高溫等極端氣候事件多發的主要原因。

1 ? 資料和方法

1.1 ? 資料說明

研究使用的區域氣候模式是意大利國際理論物理中心（ICTP）發展的區域氣候模式RegCM4.4[5]。其不同于公開的模式版本，試驗中為糾正模式模擬中國及東南亞地區偏差，引入了地表粗糙度、反照率和新的植被覆蓋等[6]。試驗模式模擬范圍為國際聯合區域氣候降尺度試驗（Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment）[7]第二階段推薦的東亞區域，中心點為北緯35°和東經115°，東西方向384個格點、南北方向250個格點，模式水平分辨率為25 km，模擬范圍覆蓋整個中國及周邊地區。垂直方向分18層，頂層高度為10 hPa。試驗分析范圍選取氣候意義上的華北區域，即北緯34°～43°、東經110°～124°，進行華北區域氣候變化的模擬分析。試驗初始場和每6 h一次輸入模式側邊界值來自澳大利亞全球模式CSIRO-Mk3.6.0在觀測溫室氣體（1951—2005年）和IPCC-RCP4.5溫室氣體排放情景（2006—2100年）下的模擬結果。在這之前，首先完成了CSIRO-Mk3.6.0和改進后的RegCM4.4區域氣候模式的嵌套工作，用于檢驗模式模擬性能的觀測資料方面，氣溫和降水采用中國地區1961—2005年空間分辨率為0.25°×0.25°的日平均格點資料CN05.1[8]，變量包括平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫、日降水量等。所進行的試驗積分時間為1950年1月1日—2100年12月31日，共計151年，其中1950—1952年的3年作為模式初始化時段，不予分析;在連續模擬積分結果分析中，以1986—2005年代表當代。

1.2 ? 試驗模擬方案

為了完成RegCM4.4區域氣候模式對華北區域氣候變化的模擬研究，利用改進后的RegCM4.4區域氣候模式，在CSIRO-Mk3.6.0全球模式輸出結果驅動下，完成與當代觀測資料進行對比試驗檢驗模式性能，即進行模式輸出結果的檢驗試驗[9]。

（1）進行全球模式CSIRO-Mk3.6.0控制試驗、RCP4.5情景氣候變化預估試驗輸出結果的收集，即CSIRO-Mk3.6.0模式1951—2100年逐6 h模式輸出。

（2）區域氣候模式RegCM4.4對中國地區當代氣候的模擬，使用改進后的RegCM4.4區域氣候模式，在CSIRO-Mk3.6.0模式輸出結果驅動下，進行中國地區當代1951—2005年水平分辨率為25 km的數值模擬。

（3）通過模擬結果與氣溫、降水、極端氣候指數的對比，檢驗模式對當代華北區域氣候的模擬性能。

2 ? 結果分析

選取4個與溫度相關的極端氣候指數（極端最低氣溫、極端最高氣溫、生長季長度、霜凍日數）和4個與降水相關的極端氣候指數（降水強度、最大5 d降水量、連續干日、連續濕日），通過觀測和模擬對比，檢驗CSIRO-Mk3.6.0全球模式和RegCM4.4區域模式對當代極端氣候事件的模擬性能。各極端氣候指數定義如下。

極端最低氣溫：1年中日極端最低氣溫低于第5百分位的溫度值。

極端最高氣溫：1年中日極端最高氣溫高于第95百分位的溫度值。

生長季長度：1年中日平均氣溫大于5 ℃的連續日數，開始日期為連續6 d以上平均氣溫高于5 ℃的首日。

霜凍日數：1年中最低氣溫低于0 ℃的日數。

降水強度：1年中日降水大于1 mm降水日的平均降水量。

最大5 d降水量：1年中連續5 d最大的降水量。

連續干日：1年中日降水量小于1 mm的最大連續日數。