RegCM3對三江源地區氣候的模擬

紀玲玲,郭安紅,申雙和,王蘭寧,劉文泉

(1.吉林省氣象局，吉林 長春 130061； 2.中國氣象科學研究院，北京 100081； 3.南京信息工程大學，江蘇 南京 210044)

濕地與氣候變化之間的關系是相互影響、相互作用的。保護好濕地的健康，確保淡水資源和大量食物來源的安全，這是保持全球可持續發展的關鍵之一。研究濕地的冷濕效應有助于從水熱角度來進一步揭示沼澤濕地的生態環境效應，為濕地的保護及合理利用提供依據。中國地處東亞季風區，地形復雜，氣候多變。全球模式對這里的氣候模擬經常出現偏差，近年來，區域氣候模式(RegCM3)已經成為區域氣候研究的一個重要手段，與大氣環流模式相比，高分辨率的區域氣候模式能夠更好地描述復雜地形下的主要氣候特征，對于濕地變化引起的氣候變化的物理機理的解釋方面，利用RegCM3進行模擬不失為一種有效的手段[1]。RegCM3模式在中國也得到了應用，先后有人[2-4]利用RegCM3模式對中國氣溫和降水進行模擬，模擬效果比較理想。本研究利用RegCM3模式，通過改變三江源地區下墊面來定量地模擬濕地變化與氣候變化的關系，以期更準確系統地分析濕地變化的區域氣候效應，對濕地和區域氣候變化的相互作用和相互影響進行綜合分析研究,以期對濕地在減緩氣候變化方面的物理作用的機理分析，和對RegCM3的應用研究，以及濕地生態功能的評價等方面起一定的參考作用和理論意義。

1 RegCM3模擬三江源地區氣候的可行性分析

利用RegCM3模擬三江源地區1990-2004年氣溫、降水量、最高氣溫、最低氣溫等氣象要素，將模擬結果插值到18個測站上從而進行分析。將得出的模擬值跟實測值進行對比，結果表明，模式對各站的氣溫模擬較好，氣溫的年變化趨勢與實況一致(圖1)。 18個站的觀測和模擬兩者的距平相關系數均在0.98以上，達到0.001的顯著性水平，屬于高度相關。其中距平相關系數最高的為位于源區東北部的興海，其值達到0.997。RegCM3對瑪多站月平均氣溫的變化趨勢、極值點位置以及具體數值模擬均比較理想，具備模擬該地區氣溫的能力。

相對氣溫而言，模式對降水的模擬能力要差一些，除了位于源區西北部的五道梁外，其他站模擬值與實測值的距平相關系數均達到0.8以上。其中，大武站的模擬效果最好，相關系數為0.91。模式對大武站降水的變化趨勢模擬也比較理想，基本模擬出了月降水量的時空分布特征以及主要峰值，但對降水分布的一些細節分布特征描述不好。總體來說，RegCM3具備模擬該地區氣溫和降水的能力。

2 RegCM3模擬三江源地區氣候的敏感性試驗

本試驗改變了地表特征參數，將原來的地表覆蓋類型用沙漠、草地、沼澤和湖泊4種類型代替。結果表明，改變地表特征后，模式對18個氣象站模擬的月平均氣溫、降水量、最高、最低氣溫等氣象要素均發生較明顯的變化。其中，瑪多站月平均氣溫模擬值差值變化范圍為(-5.1～-1.6℃)，總體月平均值降低了3.5℃(圖2)。由此說明RegCM3對下墊面的變化是敏感的。

圖1 瑪多站模式模擬月平均氣溫值及月降水量值與實測值對比

圖2 瑪多站改變地表特征后月平均氣溫及月降水量模擬值的變化

3 兩種下墊面情況下模式模擬值對照分析

3.1試驗設計 本試驗中模式的積分時間為1989年1月1日0：00至2004年12月31日18：00，模式的中心點取為34° N，94° E，東西方向格點數為72個，南北方向格點數為40個(模式用8個格點的緩沖區)，模式的水平分辨率取30 km(RegCM3中采用的陸面過程為次網格的BATS方案，模式中的陸面分辨率可以遠高于模式分辨率本身，本研究在陸面過程采用高于三倍模式分辨率的網格，為10 km×10 km)，模式垂直方向分18層，頂層高度為100 hPa，時間積分步長為30 s。地形資料為模式自帶數據。在1980年和2000年兩種下墊面情況下分別進行長達16年的數值積分模擬試驗。

3.2下墊面說明 本模擬試驗所采用的下墊面分別為1980年和2000年的近實況下墊面。其中1980年的濕地資料是根據1980年的土地利用調查結果進行網格化提取，將其提取結果進行10 km×10 km網格化處理，并將其對應到相應的遙感地物類型，再轉化為遙感解譯代碼，進而根據表1轉化成模式代碼。濕地類型主要包括河流、湖泊、沼澤3種。而2000年的濕地資料是將遙感解譯結果進行10 km×10 km網格化提取，將遙感解譯代碼轉化成模式代碼。

表1 兩種下墊面濕地面積對照分析 km2

4 濕地退化對三江源地區各站主要氣象要素的影響

根據模式模擬的兩種下墊面情況下三江源地區18個站的氣溫、降水量等氣象要素值，求出各站15年算術平均值，將R1和R2的模擬值進行對比，得到其變化量以及變化率，進而分析濕地變化對氣候變化的影響。

濕地面積減少后，三江源大部分地區月平均氣溫呈現增加趨勢，尤其是濕地面積減少幅度較大的西部地區，其15年月平均氣溫值明顯升高。西部的五道梁和沱沱河兩站15年月平均氣溫分別升高了0.57和0.52℃，是18個站中氣溫變化幅度最大的兩站。除了班瑪、甘德、達日、玉樹、囊謙、雜多6個站的月平均氣溫略有降低外，其余11個站的氣溫均呈上升趨勢(圖3a)。五道梁和沱沱河兩站是三江源地區濕地退化最嚴重的兩個地區，其氣溫升高也最為明顯，說明氣溫和濕地面積的負相關性，體現出濕地具有一定的冷效應。

對降水而言，濕地退化后整個地區呈現出降水量減少趨勢。18個測站中有12個站出現了降水量的負增長，只有6個站的降水量有微小的增加趨勢(圖3b)。降水量的增加峰值同樣出現在西部濕地面積變化最大的沱沱河和五道梁兩站，月降水量的15年分別減少了12.5和2.9 mm，其中沱沱河站的降水變化率達到22.4%，是整個三江源地區降水變化最劇烈的測站。西部地區的所有測站降水量均減少，這體現出濕地變化對降水量的影響，因為就模式的下墊面而言，濕地的改變主要集中在西部地區，東部地區的濕地面積變化較小，說明降水量隨著濕地的退化而減少。

5 面積加權平均法計算三江源地區主要氣象要素15年的平均值

5.1面積權重法 設已知某自然區域總面積為Q，它由各子區域(市、地區)構成，每個子區域面積為Qr(r=1，2，…，R)。一般在每個子區域所選站數并不相等，設為mr，則全區域內總共有站點數m，即：

第r個子區域的面積權重(ar)可定義為:

上述定義中假定了各個子區域內站點為均勻分布，這是一種近似，其誤差與區域面積大小有關。區域劃分愈小，其誤差愈小。在一定程度上，它對于修正站點分布的非均勻性是有效的[5-7]。對某子區域記錄xir，面積加權后寫為:

yir=arxir；

式中，下標r表示第r個區域。不同子區域ar不同，而同一子區域中ar為相同。將三江源地區(總面積363 094 km2)劃分為17個子區域，并用上述方法計算各子區域的面積權重。

按面積權重的計算方法，首先計算每一個子區域的面積權重ar(r=1，2，…，R)。18個測站(m=18)分成17個子區域，然后將月平均氣溫、月降水量以及氣溫月較差值乘以面積權重，得到面積權重值。再求出18個站月平均氣溫、月降水量以及氣溫月較差的面積權重值的算術平均值，即面積加權平均值(表2)。以下所提到的氣溫等資料均經過面積權重平均處理。

圖3 18個氣象站兩種下墊面情況下氣溫、降水量模擬值對比

5.2濕地退化后各主要氣象要素年、月值的變化 R2模擬15年平均氣溫比R1的模擬值有顯著的增加(圖4a)。15年各年平均氣溫均呈上升趨勢，15年平均增加了0.16℃。對年降水量而言，各年則一致出現降低趨勢(圖4b)。15年平均降低了40 mm。說明濕地的退化加劇了三江源地區氣候朝“暖干化”發展，進一步證實了濕地具有較強的冷濕效應。

R2模擬的15年月平均氣溫值與R1模擬值之差大部分在0線以上，其變化范圍為(-0.2～0.5℃)(圖5a)。說明濕地大面積退化后三江源地區絕大多數月平均氣溫呈現上升趨勢，只有極個別月份平均氣溫略有降低。R2模擬月降水量值較R1模擬值發生了顯著的變化。其中，大部分月份降水明顯減少，月降水量的增加值總體上明顯小于減少值，其變化范圍為(-41～14 mm)，降水量變化最大的月份其值減少了41 mm(圖5b)。說明濕地的改變對降水量有較大的影響。

表2 三江源地區各子區域面積、面積權重及站點數

圖4 R1和R2模擬值(年值)對比

圖5 18個站R1和R2模擬各要素差值(R2-R1)變化趨勢

5.3R1和R2模擬主要氣象要素差值變化趨勢 R2與R1模擬的年平均氣溫18個站面積加權值之差均為正值，差值(R2-R1)總體上呈增大趨勢(圖6a)。即濕地面積減少后，年平均氣溫增加值是隨著時間變大的，表明隨著濕地的退化氣溫的升高在加劇。R2和R1模擬的年降水量18個站加權平均值之差(R2-R1)均為負值，降水量的模擬差值絕對值則隨著時間的推移而減少(圖6b)，其差值的總體變化趨勢為增加，即濕地退化后降水量的減少呈減緩趨勢。

圖6 18個站氣溫和降水量模擬值差值(R2-R1)變化趨勢

6 討論與結論

冷濕效應是濕地的累積環境效應之一。由于濕地長期或季節性積水，水熱容量大，消耗太陽能多，地表增溫緩慢。濕地強烈蒸發導致近地層空氣濕度增加，氣候較周邊地區冷濕[9]。三江源西部濕地面積減少迅速，區域氣候環境變化劇烈，超過全球氣候變化速度[9-12]。濕地在維護區域濕地“冷濕”效應中作用突出[13-14]。本研究表明濕地面積消長與氣溫、降水等氣候因子的變化有一定聯系：1)溫度變化與濕地面積變化的方向是相反的：濕地面積下降，區域氣溫升高，濕地的“冷濕”效應減弱；反之，濕地面積增加，區域氣溫下降，濕地的“冷濕”效應加強。2)降水量變化與濕地面積消長變化的趨勢相近：濕地面積減少后，降水量有遞減的趨勢;反過來如果降水量減少，濕地水源補給變少，將導致濕地面積遞減。3)對四季而言，濕地大面積退化后，冬季氣溫增加最多，夏季增溫最少。季降水量的減少主要表現在夏季，冬季降水量變化不明顯。

[1] 馬柱國,魏和林,符淙斌，等．土壤濕度與氣候變化關系的研究進展與展望[J]．地球科學進展，1999，14(3)：299-303.

[2] 張冬峰，高學杰，趙宗慈,等．RegCM3區域氣候模式對中國氣候的模擬[J]．氣候變化研究進展，2005，1(3)：119-121.

[3] 劉曉東,江志紅,羅樹如，等．RegCM3模式對中國東部夏季降水的模擬試驗[J]．南京氣象學院學報，2005，28(3)：351-358.

[4] 梁玲，李躍清，胡豪然，等．RegCM3模式對青藏高原溫度和降水的模擬及檢驗[J]．氣象科學，2009,29(5):611-617.

[5] 李靜，孫虎，邢東興，等.西北干旱半干旱區濕地特征與保護[J].中國沙漠，2003，23(6):670-674.

[6] 丁裕國，江志紅.非均勻站網EOFs展開的失真性及其修正[J].氣象學報，1995，53(5):247-253.

[7] 趙慶云，張武，王式功，等．西北地區東部干旱半干旱區極端降水事件的變化[J].中國沙漠，2005，25(6)：905-909.

[8] 劉興土，馬學慧.三江平原自然環境變化與生態保育[M].北京:科學出版社，2002:59-173.

[9] 丁一匯，戴曉蘇.中國近百年來的溫度變化[J].氣象，1994，20(12)：19-26.

[10] 陳隆勛，朱文琴，王文.中國近45年來氣候變化的研究[J].氣象學報，1998，56(3)：257-271.

[11] 郭安紅，劉玲，李鳳霞，等.三江源地區濕地及其區域氣候的變化[A].三江源區生態保護可持續發展高級學術研討論文摘要匯編[C].西寧:三江源區生態保護與可持續發展高級學術研究會,2005.

[12] 閆敏華，鄧偉，馬學慧，等.大面積開荒擾動下的三江平原近45年氣候變化[J].地理學報，2001，56(2)：160-165.

[13] 普宗朝，張山清.氣候變化對新疆天山山區自然植被凈第一性生產力的影響[J].草業科學，2009，26(2)：11-18.

[14] 郭連云，丁生祥，吳讓，等.氣候變化對三江源區興海縣天然牧草的影響[J].草業科學，2009，26(6)：90-95.