基于CMIP5全球氣候模式的21世紀(jì)貴州省極端降水事件預(yù)估*

張嬌艷1,2，李 揚(yáng)3，張東海1，陳貞宏4，楊 益4

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基于CMIP5全球氣候模式的21世紀(jì)貴州省極端降水事件預(yù)估

張嬌艷，李 揚(yáng)，張東海，陳貞宏，楊 益

(1.貴州省氣候中心,貴陽 550002；2.貴州省山地氣候與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴陽 550002；3.貴州省貴陽市氣象局,貴陽 550001；4.貴州省安順市氣象局,安順 561000）

利用國家氣候中心收集和整理的8個(gè)CMIP5全球氣候模式在RCP8.5、RCP4.5和RCP2.6溫室氣體排放情景下的逐日降水資料，使用泰勒?qǐng)D對(duì)2006-2016年數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，采用模擬效果最好的CCSM4和IPSL-CM5A-MR模式在等權(quán)重系數(shù)條件下的平均值，計(jì)算并分析貴州省2018-2044年、2045-2071年、2072-2098年3個(gè)階段與降水有關(guān)的極端天氣氣候事件指數(shù)，即連續(xù)干旱日數(shù)（CDD）、大于20mm的降水日數(shù)（R20mm）、連續(xù)5d最大降水量（Rx5day）和簡單日降水強(qiáng)度指數(shù)（SDII）相對(duì)于參照期（1986-2005年）的變化特征。結(jié)果表明：在3種情景下，21世紀(jì)各個(gè)階段省東部CDD均多于參照期，且排放情景越高，偏多幅度越大，因此，貴州省東部地區(qū)未來可能發(fā)展的旱情值得關(guān)注。在21世紀(jì)不同階段不同情景下，貴州省R20mm、Rx5day和SDII普遍多于參照期，且越到后期，高排放情景下（RCP8.5）增幅越大，中低排放情景下（RCP4.5和RCP2.6）增幅放緩甚至減小?？偟膩碚f，全球變暖背景下尤其是高排放情景下貴州省極端降水事件有增加的趨勢(shì)。

泰勒?qǐng)D；不同RCP情景；氣候變化預(yù)估；極端降水

第五次國際耦合模式比較計(jì)劃（簡稱CMIP5）為IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）第五次評(píng)估報(bào)告提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，其結(jié)果從溫度和降水兩要素的角度在近年來許多研究中得到了全面、詳細(xì)的釋用，且降水的模擬效果明顯差于溫度的模擬效果。雖然如此，降水偏多、偏少所導(dǎo)致相應(yīng)的洪澇災(zāi)害、干旱災(zāi)害卻與人民生命財(cái)產(chǎn)安全息息相關(guān)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)降水具有依賴性，但發(fā)生干旱時(shí)降水對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)又具有制約性，因此，對(duì)降水預(yù)估顯得尤為重要。陳活潑指出，未來中國發(fā)生中雨、大雨和暴雨等極端降水事件的頻次將明顯增加，強(qiáng)度也將增強(qiáng)，而毛毛雨發(fā)生頻次在全國明顯減少。吳蔚等的研究也給出了CMIP5模式對(duì)上海極端降水的情景預(yù)估，其結(jié)果顯示，強(qiáng)降水發(fā)生日數(shù)和強(qiáng)降水的強(qiáng)度均呈增加趨勢(shì)。同時(shí)，吳佳等的研究表明，極端降水的模擬效果好于平均降水，這為極端降水事件研究的可靠性奠定了良好的理論基礎(chǔ)?；贑MIP5模式的極端降水預(yù)估工作意義重大，尤其是對(duì)省級(jí)部門應(yīng)對(duì)氣候變化決策服務(wù)的支撐。貴州省地處中國西南地區(qū)，南接印緬槽的水汽輸送，西臨青藏高原，東受西太平洋副熱帶高壓控制，故貴州省發(fā)生的降水量級(jí)大，預(yù)報(bào)難度大，導(dǎo)致的災(zāi)害影響也大，因此，在全球變暖背景下開展對(duì)貴州省極端降水事件的研究很有必要。

1 資料與方法

模式數(shù)據(jù)來自國家氣候中心收集和整理的8個(gè)CMIP5模式（表1），由于各模式原始數(shù)據(jù)的分辨率不盡相同，為便于使用，國家氣候中心已將其統(tǒng)一插值為，其中包括1961-2005年歷史模擬和2006-2098年RCP2.6（低）、RCP4.5（中）、RCP8.5（高）3種溫室氣體排放情景下的逐日降水資料。歷史實(shí)況部分，本研究使用了貴州省2006-2016年85個(gè)氣象臺(tái)站逐日降水資料。為便于分析，本研究將CMIP5模式資料利用雙線性插值法插值至貴州省85個(gè)站點(diǎn)。另外根據(jù)國際常用做法，參照時(shí)段定為1986-2005年，并以等分為依據(jù)將未來時(shí)段劃分為2018-2044年、2045-2071年、2072-2098年，分別表示21世紀(jì)早期、中期和末期。程建剛等基于低緯高原的氣候特點(diǎn)，選取極端天氣氣候事件指數(shù)中的4個(gè)指數(shù)描述極端降水，故本研究也采取相應(yīng)的做法，具體指數(shù)定義見表2。其中Rx5day指數(shù)在張?zhí)煊畹鹊念A(yù)估工作中也得到了類似應(yīng)用。同時(shí)，目前較小區(qū)域的極端指數(shù)工作開展較多，說明極端指數(shù)具有較高的可用性。

為評(píng)估模式模擬的效果，本研究使用泰勒?qǐng)D。該圖可以利用三角轉(zhuǎn)換關(guān)系將兩個(gè)場或者兩組序列間的相關(guān)系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差以及均方根誤差這3個(gè)評(píng)估指標(biāo)放在同一張極坐標(biāo)圖上，以全面反映各模式模擬結(jié)果的優(yōu)劣。具體來講，模擬結(jié)果序列與觀測(cè)序列的空間相關(guān)系數(shù)可以表示對(duì)主要中心位置的描述能力，相對(duì)于觀測(cè)序列的標(biāo)準(zhǔn)差則表示模式對(duì)中心振幅的模擬能力，標(biāo)準(zhǔn)差越接近1，表示模擬能力越好，均方根誤差則表示模擬型態(tài)與觀測(cè)值的相似性，均方根誤差越接近0，表示模擬能力越好。

表1 8個(gè)CMIP5全球氣候模式相關(guān)信息

注：分辨率以緯向-經(jīng)向格點(diǎn)數(shù)表示。

Note: Resolution showed in latitudinal-longitudinal grid points.

表2 極端降水指數(shù)定義

2 結(jié)果與分析

2.1 8個(gè)CMIP5模式在貴州的適用性分析

本研究分析的4個(gè)極端降水指數(shù)均通過逐日降水資料計(jì)算而得，因此，對(duì)預(yù)估資料中已有可靠觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間段2006-2016年降水資料進(jìn)行適用性評(píng)估，并選出模擬效果較好的模式用于21世紀(jì)極端降水事件的預(yù)估是非常有必要的。

圖1為2006-2016年RCP8.5、RCP4.5和RCP2.6排放情景下，貴州省8個(gè)CMIP5全球氣候模式模擬場相對(duì)于實(shí)況觀測(cè)場的年平均降水量泰勒?qǐng)D，且這8個(gè)CMIP5模式在除貴州以外的其它區(qū)域得到了普遍的使用和較好的檢驗(yàn)效果。由圖1可見，在各排放情景下，BCC-CSM1-1、CSIRO-Mk3-6-0、GFDL- ESM2G、MRI-CGCM3和NorESM1-M的模擬效果較差，空間相關(guān)系數(shù)接近0或小于0，且均方根誤差均大于1。EC-EARTH模式均方根誤差大于1.0，模擬效果也較差?？傮w上看，CCSM4和IPSL- CM5A-MR的模擬效果最好，在3種排放情景下，空間相關(guān)系數(shù)大于0.4，均方根誤差相對(duì)于其它模式較小，介于0.75～1.0，而標(biāo)準(zhǔn)差介于0.5～1.0。王麟等指出，對(duì)于大部分單個(gè)模式結(jié)果，多個(gè)模式集合模擬的平均值效果更好，因此，本研究對(duì)極端降水事件的預(yù)估分析采用泰勒?qǐng)D評(píng)估效果較好的CCSM4和IPSL-CM5A-MR模式在等權(quán)重系數(shù)條件下平均的結(jié)果。

具體方法為，首先根據(jù)CCSM4和IPSL-CM5A- MR模式歷史模擬結(jié)果計(jì)算貴州省85站1986-2005年4個(gè)與降水相關(guān)的極端指數(shù)平均值，作為參照期數(shù)據(jù)；然后計(jì)算CCSM4和IPSL-CM5A-MR模式在預(yù)估時(shí)段2018-2098年RCP8.5、RCP4.5和RCP2.6排放情景下貴州省與降水相關(guān)的極端指數(shù)CDD（連續(xù)干旱日數(shù)）、R20mm（大于20mm的降水日數(shù)）、Rx5day（連續(xù)5d最大降水量）和SDII（簡單日降水強(qiáng)度指數(shù)）相對(duì)于參照期的變化量；最后將CCSM4和IPSL-CM5A-MR模式的變化量進(jìn)行平均得到最終結(jié)果。

2.2 不同階段貴州省極端降水事件變化的空間分析

2.2.1 連續(xù)干旱日數(shù)（CDD）

由圖2貴州省21世紀(jì)各階段不同情景下極端天氣氣候事件指數(shù)CDD相對(duì)于1986-2005年的變化分布可見，21世紀(jì)早期，在RCP8.5、RCP4.5和RCP2.6情景下，貴州省連續(xù)干旱日數(shù)CDD除東部地區(qū)外，其余大部分地區(qū)CDD普遍少于參照期，差值約在-5d的范圍內(nèi)；21世紀(jì)中期，在RCP4.5和RCP2.6情景下差值基本與21世紀(jì)早期持平，但RCP8.5情景下全省CDD值均多于參照期，差值在1～7d范圍內(nèi)，且東部偏多幅度大于西部；21世紀(jì)末期，RCP2.6情景下CDD值仍維持前期特征，而在RCP8.5和RCP4.5情景下此值相對(duì)于參照期均表現(xiàn)為偏多，且變化幅度較前期增多，差值在1～11d，東部偏多幅度仍大于西部?？偟膩碚f，21世紀(jì)貴州省連續(xù)干旱日數(shù)CDD表現(xiàn)為前期變幅相對(duì)較小、后期變幅相對(duì)較大，在3種情景下21世紀(jì)各個(gè)階段貴州省東部均多于參照期，差值在2～11d，且排放情景越高，偏多幅度越大。

2.2.2 大于20mm的降水日數(shù)（R20mm）

由圖3可見，貴州省21世紀(jì)各階段不同情景下極端天氣氣候事件指數(shù)R20mm普遍多于參照期，偏多幅度不超過4d，且越到后期，高排放情景（RCP8.5）增幅越大，中低排放情景（RCP4.5和RCP2.6）增幅放緩甚至減小。具體來看，RCP8.5情景下，全省R20mm值相對(duì)于參照期由21世紀(jì)早期偏多不足1d，到21世紀(jì)中期偏多0～2d，最后到21世紀(jì)末期偏多1～4d；RCP4.5情景下，21世紀(jì)全省R20mm值相對(duì)于參照期偏多較為穩(wěn)定，始終維持在0～2d；RCP2.6情景下，全省R20mm值相對(duì)于參照期從21世紀(jì)早期偏多0～2d到21世紀(jì)末期緩慢增至0～3d。

2.2.3 連續(xù)5d最大降水量（Rx5day）

由圖4可見，貴州省21世紀(jì)各階段不同情景下連續(xù)5d最大降水量Rx5day普遍多于參照期，且越到后期，高排放情景（RCP8.5）增幅越大，中低排放情景（RCP4.5和RCP2.6）增幅放緩甚至減小。具體來看，RCP8.5情景下，全省Rx5day值相對(duì)于參照期由21世紀(jì)早期偏多0～12mm，到21世紀(jì)中期偏多7～44mm，最后到21世紀(jì)末期偏多12～45mm；RCP4.5情景下，全省Rx5day值相對(duì)于參照期由21世紀(jì)早期偏多5～29mm，到21世紀(jì)中期偏多3～21mm，最后到21世紀(jì)末期偏多1～13mm；RCP2.6情景下，全省Rx5day值相對(duì)于參照期由21世紀(jì)早期偏多0～16mm，到21世紀(jì)中期偏多0～20mm，最后到21世紀(jì)末期偏多0～25mm。

2.2.4 簡單日降水強(qiáng)度指數(shù)（SDII）

由圖5可見，貴州省21世紀(jì)各階段不同情景下簡單日降水強(qiáng)度指數(shù)SDII普遍多于參照期，且越到后期，高排放情景（RCP8.5）增幅越大，中低排放情景（RCP4.5和RCP2.6）增幅放緩甚至減小。具體來看，RCP8.5情景下，全省SDII值相對(duì)于參照期由21世紀(jì)早期偏多0.2～2.6mm·d，到21世紀(jì)中期增至偏多4.2～12.8mm·d，最后到21世紀(jì)末期偏多6.7～16.6mm·d；RCP4.5情景下，全省SDII值相對(duì)于參照期由21世OP紀(jì)早期偏多4.3～8.9mm·d，到21世紀(jì)中期減至偏多2.0～8.2mm·d，最后到21世紀(jì)末期偏多2.8～7.2mm·d；RCP2.6情景下，全省SDII值相對(duì)于參照期由21世紀(jì)早期偏多1.1～7.6mm·d，到21世紀(jì)中期偏多0.5～8.3mm·d，最后到21世紀(jì)末期偏多1.7～12.2mm·d。

3 結(jié)論與討論

（1）利用泰勒?qǐng)D對(duì)2006-2016年8個(gè)CMIP5模式數(shù)據(jù)檢驗(yàn)可知，CCSM4和IPSL-CM5A-MR的模擬效果最好，因此，本研究對(duì)極端降水事件的預(yù)估分析采用這兩個(gè)模式在等權(quán)重系數(shù)條件下平均的結(jié)果。研究表明，檢驗(yàn)對(duì)比是使用預(yù)估數(shù)據(jù)時(shí)不可缺少的環(huán)節(jié)。

（2）21世紀(jì)各個(gè)階段貴州省連續(xù)干旱日數(shù)CDD在3種情景下均表現(xiàn)為東部多于參照期，且排放情景越高，偏多幅度越大，因此，貴州省東部地區(qū)未來可能發(fā)展的旱情值得關(guān)注，同時(shí)上述地區(qū)未來在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)采取相應(yīng)的適應(yīng)政策。另外，貴州省大于20mm的降水日數(shù)R20mm、連續(xù)5d最大降水量Rx5day和簡單日降水強(qiáng)度指數(shù)SDII在21世紀(jì)不同階段不同情景下普遍多于參照期，且越到后期，高排放情景（RCP8.5）增幅越大，中低排放情景（RCP4.5和RCP2.6）增幅放緩甚至減小。總的來說，全球變暖背景下尤其是高排放情景下貴州省極端降水事件有增加的趨勢(shì)。從大氣環(huán)流的角度來講，東亞夏季風(fēng)環(huán)流增強(qiáng)，而且大氣層結(jié)不穩(wěn)定性的增加，都為極端降水事件的增加提供了有利的背景條件。

全球氣候模式的分辨率較低，對(duì)于較小空間尺度的未來預(yù)估存在一定的不確定性，今后的研究可采用動(dòng)力降尺度（區(qū)域氣候模式）或統(tǒng)計(jì)降尺度進(jìn)行更進(jìn)一步的分析，以減少未來預(yù)估的不確定性，因此，相關(guān)研究還有待進(jìn)一步深入。

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)，由國家氣候中心研究人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、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)由美國能源部科學(xué)辦公室提供資助。

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Projected Changes in Extreme Precipitation Events in Guizhou Based on CMIP5 Simulations over the 21st Century

ZHANG Jiao-yan，LI Yang，ZHANG Dong-hai，CHEN Zhen-hong，YANG Yi

(1. Guizhou Climate Center, Guiyang 550002, China; 2. Guizhou Key Lab of Mountainous Climate and Resources, Guiyang 550002; 3.Guiyang Meteorological Bureau, Guiyang 550001; 4.Anshun Meteorological Bureau, Anshun 561000)

Under three different scenarios of greenhouse gas emission including RCP8.5, 4.5 and 2.5, the daily precipitation data in Guizhou, covering the period of 2006-2016 from 8 CMIP5 models provided by the National Climate Center, were examined in this study by using the Taylor diagrams. The data from two models (CCSM4 and IPSL-CM5A-MR) with the best simulation results were selected to calculate the extreme precipitation indices during three periods of 2018-2044, 2045-2071 and 2072-2098 subsequently. The indices included maximum number of consecutive dry days(CDD), numbers of days with precipitation ≥20mm·d(R20mm), maximum 5 day precipitation total(Rx5day) and simple daily intensity index(SDII), respectively, in comparison to those during the period 1986-2005. It was indicated that the CDD over the eastern regions grew during the 21st century under the three RCPs scenarios and the increase was proportional to the emission scenario. This described that more attention should be paid on the potential drought over the eastern Guizhou in future. Besides, the increases in R20mm, Rx5day and SDII were also detected in Guizhou during the 21st century. In the late 21st century, the increment of the extreme precipitation was more obvious under high emission(RCP8.5) than those under lower emission (RCP4.5 and 2.6). Overall, it was suggested that extreme precipitation events over Guizhou showed an uprising trend with more gas emission, under the background of the global warming.

Taylor diagrams; RCPs scenarios; Projected climate change; Extreme precipitation events

10.3969/j.issn.1000-6362.2017.10.004

張嬌艷,李揚(yáng),張東海,等.基于CMIP5全球氣候模式的21世紀(jì)貴州省極端降水事件預(yù)估[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2017,38(10):655-662

2017-02-28

中國清潔發(fā)展機(jī)制基金贈(zèng)款項(xiàng)目（2013031）；貴州省氣象局青年科技基金資助項(xiàng)目（黔氣科合QN[2015]15號(hào)）

張嬌艷（1986-），碩士，主要從事氣候變化研究工作。E-mail：mylove813jiaojiao@163.com