CMIP5模式中未来干旱半干旱区气候变化模拟

CMIP5模式中未来干旱半干旱区气候变化模拟

基于参加CMIP5的17个全球气候模式数值模拟的结果，在RCP4.5情景下，对未来降水及蒸发相对于历史实验的变化做出了预测与分析，分析的数据包括1990-2000时间段的历史实验以及2030-2040、2060-2070、2090-2100的未来模拟数据。通过对历史和未来的比较，并对气温以及降水进行全球性的计算、分析与评估。结果表明，全球气温至本世纪末均在持续升高；同时，在干旱半干旱区温度的升高更加显著，中国西北干旱半干旱区是温度升高最为显著的干旱半干旱区之一。对于全球降水的变化，则具有明显的地域性差异。全球降水的变化总体趋势是降水增加的地方仍旧持续增加；而降水减少的地方，则会保持降水减少的态势。这将导致全球降水的区域差异性变化更大，湿的地方会越来越湿，而干的地方则会越来越干。在干旱半干旱区，这种降水的区域性差异更加显著。在典型的干旱半干旱区域，中国西北、北美中西部以及北非撒哈拉地区的降水都在持续增加，而在澳大利亚中西部的降水则呈现出了持续减少的态势，可以看出的是南半球的干旱半干旱区的降水都在减少，而北半球的干旱半干旱区的降水均在增加。其中，中国西北内陆干旱半干旱区亦是全球降水增加最多的区域之一。综上所述，在未来，中国干旱半干旱区可能是气温升高、降水增多最为显著的区域之一。对于中国西北内陆干旱半干旱区的气温升高，降水增多的情况，当地特殊的生态环境和人类活动都将作出敏感的反应，所以干旱半干旱区域需要做出相应的有益的科学发展规划，这也是对未来气温和降水模拟与预估的意义所在。通过对未来的精准把握，制定出符合区域的科学发展战略。在RCP4.5情景下，未来的降水与气温变化都将对地球的生态环境及人类生活带来影响。

干旱半干旱区是全球生态最脆弱的区之一域，其对于全球气候的变化有着极其敏锐的响应。干旱半干旱区的特点是其脆弱性的一种表现，降水稀少，水资源匮乏，蒸发量巨大。其面积约占全球陆地面积的45%，与此同时在如此脆弱的环境下，却生活着全球38%的人口。可以说，干旱半干旱区是生态系统最为脆弱的地区，也是降水变率最大的区域。干旱半干旱区脆弱的生态也导致了荒漠化的不断发张以及人类生存环境的恶化。干旱化已经成为一个全球性的重大环境和气候问题[1]。自20世纪以来，干旱区面积逐渐变大，其主要原因就是全球自然气候变化和人类活动的影响。全球自然气候的变化最组要的特点便是气候变暖，温室效应。全球气候变化是指在全球范围内，气候平均状态统计学意义上的巨大改变或者持续较长一段时间（典型的为10年或更长）的气候变动。干旱化的形成是一个复杂过程，是地球系统多圈层相互作用和人类活动影响共同作用的结果。

干旱半干旱区作为对全球变化最敏感的地区, 温室气体、气溶胶、大尺度土地利用/覆盖变化对其年代尺度干旱的作用不可忽视, 估算它们的相对贡献是全面认识干旱年代际变化机理的重要组成部分, 也是预测未来几十年的干旱半干旱地区的年代尺度气候变化的关键环节.[2]由于近期气候变动属于温度上升阶段，干旱半干旱区受到全球变暖的影响会做出极其敏感的反应，包括干旱化加剧，沙漠化迅速发展，水资源的减少。当然与此同时，在干旱半干旱区的一些特定区域，也有可能因为温度的升高而变得湿润，从而导致产生相应的有益或者不良的影响，其中包括洪水等。而干旱化的另一个重要原因就是人类活动。人类活动降水减少和温度升高是形成当前我国北方大部分地区显著干旱化的主要原因。人类活动引起的自然植被的减少以及水资源减少导致干旱化的加剧，干旱半干旱区面积扩大以及沙尘暴的频发，这同时也影响了人类的生活。特别是在与我们息息相关的中国北方地区。近30 年, 我国干旱半干旱区发生了严重的干旱化倾向,尤其是在东北、华北和西北东部, 持续的干旱化已严重威胁这些地区的生存环境, 导致当地水资源严重匮乏、生态环境退化和荒漠化等一系列环境问题。[3]但是，未来情况并不可知。在地球系统相互作用以及人类活动的共同影响下，如今的世界正处于干旱化沙漠化加剧的状态下，人类正为干旱化所导致的各种负面结果付出代价，已经无可避免。我们需要关注未来，并作出相应的准备。随着全球气候的不断变化，未来干旱半干旱区可能发生变化的情况有两种，一是干旱半干旱区转变为较湿的区域，另一种便是干旱半干旱区面积的扩大以及干旱的程度加深。在第一种的情况下，可能出现的结果有，有些地区植物的生存环境变好，有些地区变得更加湿润，导致城市内涝或者突发洪水。在第二种情况下，则出现的是植物的生存环境变差，农作物减产，以及水资源的匮乏，沙漠化的发展。因此，未来的变化需要我们警醒。在全球气候变化背景下，典型干旱半干旱区气候未来如何变化、区域可持续发展战略如何选择，都依赖于对干旱半干旱区气候变化规律和机理的深刻理解。[4]

因此，深入认识和研究干旱半干旱区的气候变化特征以及对未来干旱半干旱区情况的预测具有很重要的理论价值和现实意义。然而，迄今为止，对干旱问题的研究仍缺乏全球层面的研究、预测和评估，特别是与区域可持续发展的相关的干旱半干旱问题的研究仍旧不尽人意，对于未来干旱半干旱区气候变化机理的数值模拟研究并不充足，进而导致我们对于自变化和人类活动等因素的相对所占比重仍旧不能定量区分，对于未来气候将会如何变化没有一个在数值模拟基础上的清醒认识。在全球气候变化的大环境下，未来干旱半干旱区气候的变化和区域可持续发展战略的选择，都依赖于对干旱半干旱区气候变化机理和规律的研究认识。我们需要对未来的干旱半干旱区的气候变化做出一个基于气候模式和气候变

化机理的预测。

世界气候研究计划（WCRP ）组织实施的第五阶段耦合模式比较计划（CMIP5)为认识全球干旱半干旱区气候变化的机理和对未来全球干旱半干旱区的变化趋势提供了一个非常完美的研究平台。CMIP5多模式实验基本能够模拟出全球干旱的时空分布特征。CMIP5长期模拟实验主要分为历史实验和未来情景预估实验全球气候模式已经成为进行过去和未来气候变化研究的重要工具。[5]气候模式是对全球干旱半干旱区的未来气候变化预测独一无二的工具。历史上的研究证明，气候模式对未来气候变化的预测具有一定的模拟和预测能力。

本文将主要利用CMIP5长期模拟实验中的未来情景预估实验，有助于我们对全球各地干旱半干旱区未来气候变化进行一次基于模式的预测，从而为干旱半干旱区生态系统的变化及风险的评估提供依据，并未全球各地干旱半干旱区人类的可持续发展规划提供科学依据。

第二章 资料与方法 在CMIP5中共有50多个气候模式参与了全球气候变化的数值模拟实验，本文选取了17个模式在RCP4.5情境下的降水和温度数据。RCP 译成中文意思是辐射增温，单位是每平方公尺瓦特，也就是太阳对于地表的加热作用并被温室气体滞留所产生的热能量，这样就能以一个变数来更精确的表示温室气体造成的地表加热作用造成的地球环境影响。利用服务器，对RCP4.5情景下17个模式的大量数据进行系统的运算和处理，可以得到大量的具有重要价值的数据。

表1 RCP 的定义

通过对数据进行评估和分析，将会得到全球干旱半干旱区在未来的气候变化情况，并依据其变化情况作出对未来气候变化的不同后果作出相应的准备，并未全球干旱半干旱区的可持续健康发展规划提供相应的理论预测依据。

表1 17个CMIP5耦合模式的基本信息

气候模式 所属国家 模式分辨率（经度*纬度） RCP 定义 2.6 4.5

6 8.5 到2100年辐射能 2.6W/㎡ 4.5W/㎡ 6W/㎡

8.5W/㎡ 模拟的2co 浓度 421ppmppm 538ppm

970ppm 936ppm