气候变化对长江中下游降雨影响研究

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摘要：气候变化引起的极端降水，使得长江流域中下游洪水灾害频频发生。为了探求气候变化下，长江中下游降雨的变化，基于1998年长江历史特大暴雨历史气候情景，采用RegCM4区域气候模式，模拟气温升高1.9和5.5，其它气候条件与历史气候条件一致的情况下，长江中下游降雨的变化。结果表明：气候变化一方面增加长江中下游降雨量，另一方面加剧降雨的时空分配不均匀性，增加降雨极端化趋势。

关键词：气候变化；极端降雨；RegCM；长江

Abstract: Extreme precipitation caused by climate change, the lower reaches of the Yangtze River in flood disasters occurred frequently. In order to explore the climate changes, changes in the middle and lower Yangtze River of the Yangtze River in 1998 rainfall, rainstorm climate scenarios based on the history of history, using the RegCM4 regional climate model, simulation of temperature increase of 1.9 and 5.5, consistent with other climate conditions and historical climate conditions, changes in the middle and lower Yangtze River rainfall. The results show that: on the one hand, climate change, increased rainfall in the middle and lower Yangtze River, aggravate the temporal and spatial distribution of rainfall inhomogeneity on the other hand, increased rainfall extreme tendency.

Key words: climate change; extreme precipitation; RegCM; Yangtze River

中国分类号：TU71 文献标识码：A 文章标号：2095-2104（2013）03-0001-02

1 引言

政府间气候变化专门委员会（IPCC）于2007年编写完成了《气候变化2007：联合国政府间气候变化专门委员会第四次评估报告》（Climate Change 2007, the Fourth Assessment Report (AR4) of the United Nations Intergovernmental Panel on Climate Change），报告中指出，最近100年来全球年平均气温上升0.74℃，而近100年来的全球平均地面气温曲线表明，气温呈急剧上升趋势，气温上升，主要是由于人类活动引起的温室气体（CO2、CH4和N2O)排放造成。对于未来全球和区域气候变化需要构建未来社会经济变化的情景，从而给出相应温室气体排放情景，为此，IPCC对各种可能的发展状况加以定性或定量的描述，组织各国专家先后给出了不同的温室气体排放情景。基于IPCC研究的基础上，江志红利用7个IPCC AR4模式对中国地区极端降水指数模拟能力的评估及其未来情景预估，研究得出：21世纪与降水有关的事件都有趋于极端化的趋势，极端降水强度可能增强，干旱也将加重，且变化幅度与排放强度成正比。2011年中国长江中下游特大旱灾急转洪涝灾害又一次印证了上述结论，长江中下游旱灾是开始于2011年4月，是自1959至1961年的旱灾后50年来最严重的一次，受灾人口达三千四百万，大量牲畜饮水困难，直接经济损失149亿元人民币。而6月8日起，湖南、湖北、贵州、江西、浙江、安徽、福建、重庆多个省市出现较大范围的强降雨天气，强降雨在缓解旱情的同时，也引发的严重水灾，截止本文完稿时，洪涝灾害仍再继续。

长江流域特别是中下游地区人口密集，经济发达，是我国非常重要的工农业基地和商业基地。同时，受梅雨、台风雨和西南暖湿气流影响，长江流域洪涝灾害频繁发生，而长江流域洪涝灾害主要由极端降雨造成，因此，研究气候变化对长江中下游地区极端降雨的影响具有极其重要的意义。本文研究的长江中下游地区所涉地理范围大致包贵州、湖南、湖北、江西、安徽、江苏、浙江、重庆、上海七省两市。

1998年长江流域6月至8月，长江流域极端降雨引起特大洪水灾害，是继1954年以来的最大的一次洪水，长江中下游干流沙市至螺山、武穴至九江共计359km的河段水位超过了历史最高水位。为了研究气候变化下，长江中下游降雨的变化，本研究针对1998年极端降雨，对比历史条件和两种气温升高情景，采用区域模式RegCM4模拟长江中下游降雨，分析全球变暖对长江中下游降雨的影响。

2 RegCM区域气候模式

2.1 模式发展

RegCM于二十世纪八十年代晚期，在中尺度模式MM4的基础上建立起来，其动力框架源于MM4，为可压的、静力平衡的有限差分模式，垂直方向采用σ坐标。经过不断的扩充和改进，在1993年产生第二代区域气候模式RegCM2，RegCM2的物理过程是基于新版中尺度模式MM5和CCM2，应用新版陆面过程方案BATS 1E，另外非局部边界层方案取代了旧的局部行星边界层方案，质量通量积云方案也作为可选方案加入模式中。而至2003~2004年间，形成了新版的RegCM3，RegCM3使用了CCM3辐射传输方案，改进了大尺度云和降雨的参数化方案使其可以解决次网格尺度云的变化问题，利用马赛克型参数化方案对次网格尺度上地表高程和土壤类型不均匀进行处理，同时改进了输入数据，使用USGS全球陆地覆盖特征化数据（GLCC）和全球高分辨率全球陆地地形数据GTOPO30产生地表文件，使用NCEP和ECMWF全球再分析数据作为初始和边界条件。2010年末，推出了RegCM4，RegCM4耦合了最新的CLM3.5陆面模式，增加了Zeng海洋格式可以预报海洋表面温度，SST边界引进了海洋浮冰，并且改进了RegCM3化学过程模拟包，同时格式的模拟空间尺度从20km提高到了10km。

2.2 模式结构

RegCM模拟系统包括四个部分：地表（Terrain），初始/侧边界（ICBC），RegCM模拟和后处理（Postprocessor）。Terrain和ICBC是RegCM预处理阶段的两部分，Terrain过程定义模拟区域和网格间距，并把陆地类型（land use）和高程数据内插到模型网格点上；ICBC过程把表层海温（SST）和全球再分析数据内插到模式网格上，用作模拟的初始条件和边界条件。预处理后，生成模拟的输入数据文件，即可进行模拟，模拟结果输出包括大气模型输出、陆面模型输出、辐射模型输出和化学模型输出，输出变量包括温度、湿度、降雨、风速风向、蒸发量、太阳辐射等64个变量结果。

2.3 模式运用

区域气候模式RegCM一经推出，就受到各国气象工作者的高度关注，并在美国、欧洲、非洲、东亚等地区进行过许多方面模拟研究。目前，国际上利用 RegCM进行的模拟主要在以下几个方面：1）对区域气候模拟能力的检验；2）模式对未来气候的模拟能力；3）模式对气候变化影响因子的敏感性；4）模式嵌套研究。

3 研究区域及资料

本研究区域为长江中下游地区，模拟区域中心坐标位于29.5°N, 115°E，图1为模拟范围和地形图。东西方向格点数为105个,南北方向格点数为75个,模式的水平分辨率取 20 km，模式垂直方向分18层。

模式的参数化方案：侧边界选择指数松弛方案，缓冲区12圈，辐射采用NCAR CCM3方案，海表通量参数化选择Zeng方案，行星边界使用Holtslag方案，积云对流参数方案选用Kuo方案，压力梯度方案选择流体静力递推方案，时间积分步长为180s。

模拟积分时间为1998年1月1日～12月31日。运行模式所用地形资料为美国地质勘测局(USGS)，分辨率为10′的GTOP030地形资料；陆地覆盖资料为USGS基于卫星观测反演的分辨率为10′的全球陆地覆盖特征(GLCC)数据库资料(植被和土地利用)；海洋表面温度资料利用美国国家海洋大气管理局(NOAA)提供的1°分辨率的最优内插海洋表面温度的周分析资料；初、边值采用美国国家环境保护中心(NCEP/NCAR)每日4次2.5°×2.5°分辨率的再分析数据NNRP2。

模拟气温增加情景设计根据赵宗慈使用IPCC AR4提供的气候模式集合，综合大约80个气候模式方案，考虑各种人类排放情景，分析中国未来气温变化预估，到21世纪后期气温升高最佳估计为1.9-5.5℃。本研究设计气温增加分别取最低气温升高情景1.9℃和最高气温增加情景5.5℃。本研究模拟情景综合为如下三种： 1998年历史气候条件情景；气温升高1.9℃，其它气候条件不变情景；气温升高5.5℃，其它气候条件不变情景。

图1 模拟区域及地形

4 降雨变化

4.1 区域极端降雨变化情况

长江中下游地区的洪涝灾害一般发生在夏季6至8月份，而且根据1998年特大暴雨实况，暴雨主要集中6至8月，因此区域极端降雨变化趋势主要分析夏季极端降雨变化情况。图2-图7分别给出了6、7、8月份在1998年气候条件下，气温升高1.9℃和5.5℃，区域降雨变化的平面分布，图中数字单位为%。

根据区域降雨变化图分析，气温升高1.9℃时，在6月份，大部分区域降雨增加在20%左右，湖北和湖南南部小部分中心点降雨增加会在30%左右，7月份，降雨增加趋于不均匀性，降雨增加的幅度大部分在15%到30%之间，其中在湖南湖北部分交界处出现降雨减少15%的情况，降雨增加较多的区域集中在江西及安徽大部分区域，基本增加降雨在30%左右，8月份，降雨增加在区域分布上也较为不均匀，增加较多区域为湖北东南部和江西西北部，增加降雨在30%到45%之间，而在浙江西北部和安徽东南部出现降雨负增长15%。气温升高5.5℃时，降雨增加的幅度出现大幅上升，在空间上，降雨增加的空间差异性更为明显，6月份，区域降雨的增加在30%到70%之间，湖南、湖北东部、贵州东部以及浙江降雨的增加较多，在50%到70%之间，7月份，降雨增加范围在15%到75%之间，空间降雨的差异性更为严重，湖南、贵州大部以、浙江北部及安徽南部降雨增加都超过45%，儿湖北西北及湖南湖北交界出现降雨出现负增长，8月份，降雨增加在15%至75之间，增加较大区域为湖南北部和湖北南部，降雨增加在50%以上，而浙江东部江苏中部，降雨为负增长。

图2 气温升高1.9℃下6月份区域降雨变化图3 气温升高5.5℃下6月份区域降雨变化

图4 气温升高1.9℃下7月份区域降雨变化图5 气温升高5.5℃下7月份区域降雨变化

图6 气温升高1.9℃下8月份区域降雨变化图7 气温升高5.5℃下8月份区域降雨变化

4.2 区域月降雨变化情况

图8给出了1998年历史条件下，及相同气候条件，温度升高1.9℃和5.5℃下，1至12月月降雨对比。根据图中分析，秋季、冬季的降雨增加幅度会比较小，而春季、夏季，特别是夏季的降雨增加幅度会比较大，而长江的雨季也基本集中在夏季，气温升高，将会使得雨季的降雨更为集中。因此，气候变化，温度升高，在时间上，会加剧降雨的时间分布不均匀性，使得雨季的降雨更为集中。

图8 历史条件与气温升高月累计降雨图

4.3 区域年降雨变化情况

图9和图10给出了长江中下游区域降雨变化区域分布，图中数字单位为%。从图中可以看出气温升高1.9℃时，大部分区域降雨增加在20%左右，而气温升高5.5℃时，大部分区域降雨增加在50%左右。在气温升高1.9℃时，降雨增加在空间分布上相对均匀，而到气温升高5.5℃时，降雨增加出现较大的地区差异性，加剧了降雨空间分布的不均匀性。总体来看，气温升高时，湖南、湖北、贵州东部、江西、浙江以及江苏南部降雨增加的幅度比起其他区域要大。

图9 气温升高1.9℃下区域年降雨变化图10 气温升高5.5℃下区域年降雨变化

5 结论

使用长江流域1998年特大暴雨气候条件，构建气温升高1.9℃和5.5℃气候变化情景，利用区域气候模式RegCM4，模拟长江中下游区域降雨，并给出了区域极端降雨、月降雨及年降雨变化情况。

试验结果表明，在6、7、8月份，气温升高1.9℃时，降雨增加幅度在15%-45%之间，气温升高5.5℃时，降雨增加幅度在15%-75%之间，并且伴随气温升高幅度的增大，降雨增加的空间分布差异更加严重，部分区域还出现降雨负增长情况，因此，气候变化将使得长江中下游区域极端降雨增强，同时，空间分布差异的加剧，也会加剧极端降雨的强度。

月降雨变化的比较结果显示，在时间上，降雨的时间分配不均匀性将会因为气候变化，温度升高而更严重，在雨季，降雨的增加幅度远超过其它时间段。

因此，气候变化，温度升高，对长江中下游降雨的影响，一方面使得整个区域的降雨整体上出现增加的现象，另一方面，会加剧降雨时间、空间分布的均匀性，增加极端降雨的发生频率，长江流域中下游洪水灾害形势更加严峻。

由于气候变化的复杂性、未来气候变化情景的不确定性及区域气候模式的许多不确定性，今后还需要进行大量长期的研究和试验，才能得到更可靠的结果。