基于ECHAM5模型预估2050年前海河流域气候变化时空格局
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作者: 李曼 翟建青
摘要：通过分析ECHAM5气候模式输出的海河流域2001-2050年气温和降水数据，得出海河流域2050年前气候变化时空分布特征，结果表明：2050年前三种情景下海河流域全流域继续升温，其中A1B情景下升温最快，相对于1961-1990年平均气温，2040s温度距平值可达2.4℃；降雨时空变化都有比较明显的特征，A2情景降雨趋于减少，A1B和B1情景降雨有增加趋势，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情景下从2010s开始都为多雨期。
关键词：ECHAM5模式 海河流域 气温 降水量
气候变化不仅影响着水文、生物和生态系统，还影响着经济、生活，因此未来气候变化引起的效应对地区、国家甚至全球的可持续发展具有举足轻重的重要性[1]。国内已经进行了许多对流域气候变化及其未来情景预估的研究[2-5]。海河流域位于东经112°-120°，北纬35°-43°之间，包括了北京、天津、河北三省市以及山西、河南、山东、内蒙和辽宁等省区的一部分[6]。流域内人口众多，工业发达，水资源供需矛盾突出。海河流域水资源问题已进行大量研究[7，8]，但影响海河流域水资源的气候因素尤其是未来海河流域气候系统变化特征未见系统分析。本文采用德国马普气象研究所提供的ECHAM5模式输出三种排放情景下2001-2050年温度和降水数据分析研究了2050年前海河流域气候变化时空特征，对未来海河流域水资源利用及管理提供一定的参考研究。
1、数据与方法
考虑到观测和模式数据时间序列的一致性，选用了中国气象局国家气象信息中心提供的海河流域29个气象站温度与降水的月数据（1961.01-2000.12）分析已观测的气候变化时空特征；采用德国马普气象研究所提供的ECHAM5模式输出的未来三种情景下（SRES-A2，A1B，B1）温度和降水数据（2001.01-2050.）分析了2050年前海河流域气候变化时空特征。
对气温和降水首先进行了趋势分析，分别计算了各年代相对于1961-1990年平均值的距平，在基础上用Mann-Kendall非参数统计检验方法检验了各季节的趋势变化，最后对气温和降水空间趋势分布进行了计算并插值成图。
海洋环流模式（ECHAM5/MPI-OM），同时耦合海冰和陆面过程模式，采用较高的模式分辨率对地球系统的未来气候进行预测，其中大气模式采用T63的网格，水平网格分辨率为1.875°×1.875°,垂直分31层。新模式更新了可预报的气溶胶模块，对云覆盖重新进行了参数化过程，同时对云里面的冰和水进行了不同的过程处理，大大提高了对降水过程的模拟[9,10]。
Mann-Kendall非参数统计检验方法分析，该方法亦称无分布检验，优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，更适用于类型变量和顺序变量，计算比较简便[11]。空间分布图则采用ARCMAP中反距离权重法（IDW）插值成图。
图1 海河流域及气象站点示意图
Fig.1 Meteorological stations in the Haihe River basin
2、模型验证
本文选择ECHAM5实验期1961年1月至2000年12月为模型验证期，比较了同期模拟数据与观测数据的差异，比较结果表明：ECHAM5模型对温度把握较好，观测到的海河流域年平均温度为10.3℃，模式模拟海河流域年平均温度为9.6℃，模式模拟年均温度比实测年均温度的标准差低0.01，说明模式很好的把握了年均温度的年际变率；而对降雨量的模拟不是很好，观测和模拟的海河流域年平均降水量分别为535mm和835mm，模式模拟年均降水量的标准差比实测年均降水量标准差值大68。此外，年平均温度和年平均降水量的距平（相对于1971-1990年）符号一致率分别达到55%和52.5%。
计算1961-2000年观测和模拟年平均温度和降水量并插值成空间分布图（图2）,由图2可知，模型对温度和降水的空间分布具有一定的模拟能力。模型能够一定程度上把握年均温度由南向北逐渐降低的空间分布特征，也能模拟年降水量由东南向西北逐渐减少的空间格局，但降水量模拟数值差异较大，且观测年降水量最大值位于海河流域东部地区，而模拟年降水量最大值则位于海河流域西南地区。
可见模式具有一定的模拟能力，尤其是对温度的模拟较好，在此基础上分析海河流域未来气候变化时空特征，具有一定的意义。
图2 观测和模拟海河流域年均温度和降水量空间分布
（a：观测年均温度；b：观测年均降水；c：模拟年均温度；d：模拟年均降水）
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、气候变化时空格局
分析1961-2000年海河流域29站气温和降水资料可知：海河流域自1961年来气温呈升高趋势，线性倾向率为0.24℃/10a，80s气温开始升高，90s气温距平值达到0.6℃；降水的呈减少趋势，线性倾向率为-23mm/10a，80s降水开始减少，90s降水距平达到-36.7mm（表1）。
表1 1961-2005年海河流域年均温度和降水距平（相对于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气温变化时空格局
分析ECHAM5模式输出的三种情景下2001-2050年月降水量和气温数据，结果表明：2001年以来，海河流域年平均气温三种情景下均呈显著增加趋势，其中A1B情景下升温幅度比较大，线性倾向率达到0.51℃/10a，A2情景下为0.32℃/10a，B1情景下为0.15℃/10a。由表2可知：A2情景下，2010s海河流域处于高温期，2030s后升温显著，其中2040s年均温度距平值达到1.8℃；A1B情景下，2030s升温比较显著，其中2040s年均温度距平为2.4℃；B1情景下，温度变化相对缓慢，直到2040s年均温度距平才达到1.1℃（表2）。
气温在三种情景下四季都为升温趋势，除A2情景冬季和B1情景春季没有通过90%置信水平检验，其余都通过置信水平检验。其中A2情景下，秋季升温最显著；A1B情景下，夏季升温最显著；B1情景下，夏季升温最显著（图3）。
三种情景下，海河流域全流域升温趋势都通过99%置信度水平的MK显著性检验（图略），可见2050年前，海河流域年均温度空间分布特征为全流域显著升温。
表2 2050年前海河流域年均气温距平（相对于1961-2000年均值，单位：℃）
Fig.2 Anomaly of annual temperature in the Haihe River basin during 2001-2050 (to average level of 1961-1990)
图3 三种情景下2050年前海河流域四季气温趋势MK检验（虚线分别代表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降水变化时空特征
2050年前海河流域年均降水在A2情景下为减少趋势，线性倾向率为-16mm/10a，A1B和B1情景下年降水量呈增加趋势，线性倾向率分别为12mm/10a和25mm/10a。年降水量的年际变化上，A2情景下，2010s、2030s和2040s都为少雨时期，A1B情景下2001-2040年都为少雨时期，只有2040s为多雨时期，年降水距平值为30.3mm，B1情景下，2010年以后都未多雨期，其中2040s年均降雨距平值为120mm。
表3 2050年前海河流域年均降水距平（相对于1961-2000年均值，单位：mm）
Fig.2 Anomaly of annual precipitation in the Haihe River basin during 2001-2050 (to average level of 1961-1990)
降水的季节变化上，A2情景下，只有冬季降水为上升趋势，其他三个季节都为减少趋势，只有夏季减少趋势通过90%置信度检验；A1B情景下，春季和秋季为上升趋势，也没有达到置信度水平；B1情景下，四季均为上升趋势，其中秋季和冬季分别通过95%和90%的置信度检验（图4）。
图4 三种情景下2050年前海河流域四季降水趋势MK检验(虚线分别代表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
年降水量空间变化趋势为：A2情景下，2050年前海河流域中部地区年降水量呈减少趋势，且通过置信度检验；A1B情景下，海河流域大部年降水量没有明显变化趋势，只有西南一部降水有增加趋势，且通过了置信度检验；B1情景下，海河流域降雨增加趋势明显，主要集中在海河流域西南部，并有由西南向东北逐渐减弱的趋势。
图5 三种情景下2050年前海河流域年降水趋势MK检验 （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、结论
通过对海河流域1961-2000年观测气温和降水月数据及ECHAM5模式输出1961-2050年气温和降水月数据的分析，得出海河流域2050年前气温和降水的时空变化特征，主要结论如下：
海河流域气温持续观测到的升高趋势，未来三种情景下气温仍然保持升高趋势，其中A1B情景下升温比较显著；季节变化上，A2情景下秋季升温最显著，A1B和B1情景下夏季升温最显著；空间变化上海河流域表现为全流域一致性的升温趋势，且都通过了显著性检验。
A2情景下海河流域降水量变化持续观测到的减少趋势，但A1B和B1情景下降水量呈增加趋势，且B1情景下增加趋势比较明显；季节分配上，A2情景下，只有冬季降水呈微弱增加趋势，但没有通过显著性检验，A1B情景下春秋降水为增加趋势，也没有通过显著性检验，B1情景下，秋季降水增加显著，且通过了90%的显著性检验，B1情景下，四季降水均为增加趋势，其中秋冬季节通过了显著性检验；空间分布上，A2情景下海河流域中部地区呈现明显的降水减少趋势，B1情景下西南地区降水呈明显增加趋势。
未来海河流域全流域升温显著而降雨增加并不明显且只有在B1情景下南部区域降雨有增加，随着海河流域人口增多，社会经济发展，对水资源的需求越来越大，海河流域水资源供需矛盾可能进一步扩大。
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