基于CMIP5和RegCM4模式的內蒙古氣候變化模擬評估及未來RCPs情景預估

孟玉婧

（內蒙古氣候中心，內蒙古 呼和浩特 010051）

引言

近年來，隨著經濟的快速發展及人類活動的影響，全球氣候變暖有加重的趨勢。在政府間氣候變化專門委員會（IPCC）歷屆評估報告的推動下，氣候變化是當今社會普遍關注的全球性問題。中國氣候變化綠皮書指出中國是氣候變化敏感區和影響顯著區之一，20 世紀中葉以來其升溫速率明顯高于全球同期水平，且氣候變化對我國的總體影響弊大于利[1]。同時，氣候變化對陸地水循環過程[2]、水資源[3-5]、洪水[6]、干旱[7]、農業生產穩定性和可持續性[4]等具有深遠影響[8]。氣候變化預估工作是制定應對氣候變化相關政策的重要理論依據之一，因此開展未來氣候變化的可能演變規律研究，對研究不同地區相應的減緩和適應措施有著重要的科學意義[9]。

當前，全球氣候模式和區域氣候模式是研究區域或流域未來氣候變化的重要工具，已得到廣泛應用。IPCC第五次評估報告采用了一套新排放情景，即典型濃度路徑（Representative Concentration Pathways，RCPs），RCPs情景是用單位面積的輻射強迫表示未來100年溫室氣體穩定濃度[10]。由于不同區域對全球氣候變化的響應存在顯著差異，在利用氣候模式預估區域氣候變化時，需要對氣候模式模擬區域氣候的能力進行可行性評估和驗證[11]。目前有不少學者利用CMIP5 模式或RegCM4模式對中國各區域進行了對比評估和未來氣候變化預估分析[12-15]。如林慧等[8]檢驗CMIP5中6 個全球氣候模式對淮河流域降水量和氣溫的模擬能力并選擇較優的3種模式用于分析未來RCP4.5和RCP8.5情景下流域氣候要素的變化趨勢。張嬌艷等[16]從空間分布、時間演變和泰勒圖對比評估了CMIP5模式和RegCM4模式對貴州省降水量和氣溫的模擬能力，得出RegCM4模式的模擬效果優于CMIP5模式，并利用RegCM4模式預估分析了2018—2050年貴州省年降水量、年平均氣溫、年平均最高氣溫和年平均最低氣溫的可能變化特征。內蒙古作為對氣候變化響應最為敏感的地區之一，目前還尚未有相關研究。因此本文利用CMIP5模式和RegCM4模式，通過對內蒙古平均氣溫和降水量的觀測數據與氣候模式模擬數據進行對比分析，綜合評估2 個氣候模式對內蒙古平均氣溫和降水量的模擬能力，并預估分析RCPs情景下內蒙古未來平均氣溫和降水量的可能變化趨勢，以期為內蒙古氣候變化影響評估和氣候變化適應性措施的制定提供科學依據，對內蒙古未來生態資源保護、農業生產布局、水資源管理和水旱災害管理等具有重要參考意義。

1 研究數據和方法

1.1 模式與數據

本文所使用的全球氣候模式和區域氣候模式數據來源于國家氣候中心收集和整理的《中國地區氣候變化預估數據集（3.0版本）》。該數據集包含CMIP5全球氣候模式1901—2100年和RegCM4區域氣候模式1901—2050年的月平均資料，其中1901—2005年為歷史模擬試驗期（Historical），2006年以后為預估期。CMIP5模式是由21 個CMIP5全球氣候模式的模擬結果，經過插值計算將其統一降尺度到同一分辨率下，利用簡單平均方法進行多模式集合，共RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5三種排放情景，空間分辨率為1 °×1 °。RegCM4模式是使用國際理論物理研究中心的區域氣候模式RegCM4.0單向嵌套 BCC_CSM1.1全球氣候模式輸出結果，對中國地區進行連續積分模擬，共RCP4.5和RCP8.5兩種排放情景，空間分辨率為0.5 °×0.5 °。

在此基礎上，本研究分別提取了內蒙古區域內CMIP5模 式1961—2100年 和RegCM4模 式1961—2050年降水量和平均氣溫的逐月格點數據，其中內蒙古范圍內共128 個CMIP5模式格點和518 個RegCM4模式格點。為保證觀測數據的完整性和連續性，剔除部分缺測較多或者觀測年限較短的站點，經整理后用于對比分析的觀測數據為內蒙古116 個國家氣象站1961—2005年降水量和平均氣溫的逐月數據（圖1）。

圖1 內蒙古氣象站點（a）及CMIP5模式（b）和RegCM4模式（c）格點分布

1.2 方法

基于1961—2005年2個氣候模式的模擬值與同期的降水量和平均氣溫觀測數據，分別計算每個格點和站點的年降水量和年平均氣溫，采用算術平均法計算區域均值。四季劃分為春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月—次年2月）。

采用多年平均值差值、氣候傾向率、均方根誤差、距平符號一致率和皮爾森空間相關系數（PCOR）5個評價指標，分別評估2 個氣候模式對內蒙古降水量和平均氣溫的模擬能力。其中前4 個指標主要評價模式與觀測數據在時間變化特征上是否一致，第5個指標用來評價模式與觀測數據在空間分布特征上是否一致。

距平符號一致率[17]是指兩個具有相同樣本數n的序列X(x1,…,xn)和Y(y1,…,yn)，兩者的距平序列為△X(△x1,…,△xn)和△Y(△y1,…,△yn)。比較△X和△Y序列中對應變量的正負符號，有m個變量的符號相同時，距平符號一致率S為：

PCOR[17]是觀測和模擬兩個序列的協方差除以其標準差的乘積，可通過ArcGIS的空間分析功能計算，用于衡量兩個柵格圖層的相關性，即：

式中：Covij為兩序列間的協方差，δi為i序列標準差，δj為j序列標準差。PCOR的值越接近1，說明觀測值與模擬值的空間相關性越強，大于0.5表明相關性較強。

氣候基準期選擇1986—2005年，采用線性趨勢法和相關系數顯著性檢驗的統計方法，預估分析內蒙古未來近80年（2021—2100年）降水量和平均氣溫分別在年、季和年代尺度上的可能變化趨勢。其中為了更好地對比分析季和年代尺度下不同時段的氣候變化特征，在計算四季和各年代的降水量距平百分率和平均氣溫距平數值時均保留兩位有效小數。

2 結果與分析

2.1 氣候模式模擬能力評估

從CMIP5模式和RegCM4模式對1961—2005年歷史試驗期模擬結果來看（表1），在多年平均值差值和均方根誤差兩個指標上，2種氣候模式模擬的年降水量均高于歷史觀測值，而年平均氣溫則均低于觀測值，其中CMIP5模式對年降水量的模擬更接近觀測值，而RegCM4模式對年平均氣溫的模擬更接近觀測值；在氣候傾向率上，RegCM4模式模擬的年降水量氣候傾向率與觀測變化趨勢一致，而全球模式則與觀測相反，2種氣候模式對年平均氣溫的模擬趨勢均與觀測一致；在距平符號一致率上，RegCM4模式對年降水量的模擬要高于CMIP5模式，但CMIP5模式對年平均氣溫的模擬要高于RegCM4模式；在PCOR值上，2種氣候模式模擬結果與觀測值空間相關性均很高，達到0.94以上，且RegCM4模式的相關性更高一些，但差距不大。

表1 CMIP5模式和RegCM4模式對內蒙古年降水量和年平均氣溫的模擬能力評估

圖2為CMIP5模式和RegCM4模式對1961—2005年內蒙古年降水量和年平均氣溫的模擬值和觀測值的空間分布。從年降水量看，2種氣候模式模擬的年降水量空間分布格局與觀測基本一致，均呈從東南向西北地區逐漸減少趨勢，且CMIP5模式模擬結果與實況更為符合，但總的趨勢仍為2種模式模擬值高于實際觀測值。從年平均氣溫看，2種氣候模式模擬的年平均氣溫空間分布特征與實況基本相似，均呈從東北向西南地區逐漸增溫趨勢，其中RegCM4模式模擬結果對空間分布特征的呈現更為精細，但總的趨勢仍為2種模式模擬值低于實際觀測值。同時，2種氣候模式模擬結果與觀測值的空間相關性均很高，達到0.94～0.98之間。

圖2 1961—2005年內蒙古年降水量（a,c,e）和年平均氣溫（b,d,f）的觀測值和氣候模式模擬值的空間分布

綜上所述，CMIP5全球氣候模式模擬結果與年降水量實況更為接近，2種氣候模式模擬結果在年平均氣溫模擬中均與觀測數據較吻合，其中RegCM4區域氣候模式對氣溫分布特征細節的模擬更好。整體而言，CMIP5模式均能較好地模擬內蒙古平均氣溫和降水量的分布特征，因此本文選擇CMIP5模式預估內蒙古未來氣候變化特征。

2.2 CMIP5模式對內蒙古未來氣候變化預估

2.2.1 未來年降水量和年平均氣溫變化

相對基準期（1986—2005年），在3種RCPs情景下，2021—2100年內蒙古年降水量和年平均氣溫整體呈增加趨勢，年降水量距平百分率和年平均氣溫距平分別在-0.9%～25.9%和0.7～6.1 ℃之間波動，且年降水量的年際變化波動幅度較大。其中RCP4.5和RCP8.5情景下年降水量和年平均氣溫的增加趨勢顯著（P＜0.01），且RCP8.5情景下增幅最大，未來80年間年降水量和年平均氣溫分別增加了21.6%和5.3 ℃，RCP4.5情景次之，80年間分別增加8.8%和1.8 ℃，而RCP2.6情景下增加趨勢均不明顯，80年間僅分別增加0.8%和0.2 ℃（圖3）。

圖3 3種RCPs情景下2021—2100年內蒙古年降水量距平百分率和年平均氣溫距平變化（相對于1986—2005年）

2.2.2 未來季節降水和平均氣溫變化

從季節上看（表2），相對基準期（1986—2005年），在3種RCPs情景下2021—2100年內蒙古四季降水量均呈增加趨勢，其中RCP8.5情景下降水量增加幅度最顯著，春、夏、秋、冬的增幅分別為12.20%、10.13%、17.39%和22.15%，RCP4.5情景下次之，RCP2.6情景下最小。在季節分配上，冬季降水量的增幅均為最大，最大增幅可達22.15%，為3種情景下4 個季節降水量增加幅度之最；其次為秋季，除RCP4.5情景下的春季降水量增幅最小外，其他情景下的夏季降水量增幅均最小。

表2 3種RCPs情景下2021—2100年內蒙古四季的降水量和平均氣溫變化（相對于1986—2005年）

相對基準期（1986—2005年），在3種RCPs情景下2021—2100年內蒙古四季平均氣溫均有明顯的升溫趨勢。其中RCP8.5情景下平均氣溫的升溫幅度最明顯，春、夏、秋、冬的升幅分別為3.00、3.37、3.60 ℃和3.67 ℃，其次是RCP4.5情景，RCP2.6情景下最小。在季節分配上，RCP2.6情景和RCP4.5情景下秋季升溫幅度均最大，分別為1.50 ℃和2.22 ℃，其次是冬季和夏季，春季最小；RCP8.5情景下冬季升溫幅度最大，可達3.67 ℃，為3種情景下4 個季節平均氣溫升高幅度之最，其次是秋季和夏季，春季最小。

2.2.3 未來各年代的年降水量和年平均氣溫變化

從年代上看（表3），相對基準期（1986—2005年），在3種RCPs情景下2021—2100年內蒙古各年代的年降水量和年平均氣溫均呈增加態勢。從年降水量看，RCP2.6情景下，各年代的年降水量增幅在21 世紀60年代之前呈增加趨勢，到21 世紀60年代達到最大，為8.12%，之后增幅有所降低；RCP4.5和RCP8.5情景下，各年代的年降水量增幅均呈持續增加趨勢，最大增幅可達18.52%，出現在RCP8.5情景下的21 世紀90年代，是3種情景下各年代年降水量增加幅度之最。從年平均氣溫看，RCP2.6情景下，各年代的年平均氣溫增幅在21 世紀40年代之前呈升溫趨勢，至21 世紀40年代達到最大，為1.57 ℃，之后增幅略有降低；RCP4.5和RCP8.5情景下，各年代的年平均氣溫增幅均呈持續升溫趨勢，最大增幅可達5.80 ℃，出現在RCP8.5情景下的21 世紀90年代，是3種情景下各年代年平均氣溫升溫幅度之最。

表3 3種RCPs情景下2021—2100年內蒙古各年代的年降水量和年平均氣溫變化（相對于1986—2005年）

3 結論與討論

(1)CMIP5全球氣候模式和RegCM4區域氣候模式在內蒙古均具有一定的適用性，其中CMIP5模式對年降水量模擬效果優于RegCM4模式，而RegCM4模式對年平均氣溫的細節模擬更具有優勢。總體上CMIP5模式對內蒙古降水量和平均氣溫均具有較好的模擬能力。

(2)未來80年內蒙古年降水量和年平均氣溫整體均呈增加趨勢，即氣候呈暖濕變化趨勢。其中RCP4.5和RCP8.5情景下增加趨勢顯著（P＜0.01），且RCP8.5情景下增幅最大，未來80年內蒙古年降水量和年平均氣溫分別增加了21.6%和5.3 ℃，RCP4.5情景下次之，RCP2.6情景下增加趨勢不明顯。

(3)未來80年內蒙古四季的降水量和平均氣溫均呈增加趨勢，其中RCP8.5情景下增幅最顯著。四季降水量中冬季降水量增幅均為最大，最大增幅可達22.15%，為3種情景下四季降水量增加幅度之最；四季平均氣溫中秋季在RCP2.6和RCP4.5情景下增幅最大，分別為1.50 ℃和2.22 ℃，冬季在RCP8.5情景下增幅最大，為3.67 ℃，為3種情景下四季平均氣溫升高幅度之最。

(4)未來80年內蒙古各年代的年降水量和年平均氣溫均處于不斷增加和升溫階段。RCP2.6情景下，年降水量和年平均氣溫分別在21 世紀60年代和40年代增幅最大，分別為8.12%和1.57 ℃；RCP4.5和RCP8.5情景下，年降水量和年平均氣溫均在21 世紀90年代增加幅度最大，最大分別可達18.52%和5.80 ℃，為3種情景下各年代年降水量和年平均氣溫增加幅度之最。