1、第 41 卷 第 1 期2023 年 2 月Vol.41 No.1February，2023干旱气象Journal of Arid Meteorology基于CMIP6模式的黄河流域宁夏段未来气温变化预估研究马阳1，2，崔洋1，2，张雯1，2，李欣1，2（1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏 银川 750002；2.宁夏气象防灾减灾重点实验室，宁夏 银川 750002）摘要：为预估黄河流域宁夏段不同地区未来气候特征及其变化趋势，利用宁夏区内19个国家气象站观测资料和CMIP6（Coupled Model Intercomparison Project 6）模式数
2、据，在检验CMIP6模式对宁夏气温模拟能力的基础上，对不同情景下宁夏引黄灌区、中部干旱带和南部山区未来气温变化进行预估。结果表明：（1）CMIP6 大部分模式对黄河流域宁夏段年平均气温模拟能力较好，空间相关系数为0.6030.930，时间相关系数为0.3810.782，多模式集合优于单个模式模拟效果。（2）在SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0、SSP5-8.5 4种情景下，预计20212099年黄河流域宁夏段年平均气温均呈明显增温趋势，增温速率为0.090.68 （10 a）-1。不同情景下增温速率差异明显，SSP1-2.6情景下呈减小趋势，SSP2-4.5情景下先增后减，S
3、SP3-7.0情景下呈“增大、减小、增大”特征，SSP5-8.5情景下呈增大趋势。（3）预计4种情景下21世纪30年代引黄灌区、中部干旱带和南部山区年平均气温分别达10.9111.29、9.489.87、7.477.84，21世纪60年代分别达11.4613.21、10.0011.75、7.979.66。关键词：CMIP6；情景模式比较计划；模式评估；多模式集合；气候预估；黄河流域宁夏段文章编号：1006-7639（2023）01-0043-11 DOI：10.11755/j.issn.1006-7639（2023）-01-0043中图分类号：P467；P423 文献标志码：A引 言政府间气候
4、变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第六次评估报告第一工作组报告 气候变化2021：自然科学基础（翟盘茂等，2021；周天军等，2021；IPCC，2021）指出，20112020 年全球平均地表温度比工业革命前（18501900年）高1.09，预计全球平均地表温度将在未来 20 a内达到或超过 1.50。大量研究表明，气候变暖加剧了干旱与高温事件的并发频率（姜大膀和王晓欣，2021；武新英等，2021；Wu et al.，2021），在改变区域水热资源分配的同时，对粮食生产（张强等，2012；赵鸿等，2016）、人体健
5、康（冯雷和李旭东，2016；Cai et al.，2020）、生态环境（马守存等，2018；周国逸等，2020）等产生了十分明显的影响，并且将在未来进一步加剧这些领域的风险（吴绍洪和赵东升，2020）。气温是气候变化中的基础要素，合理预估未来气温对区域维持生态系统稳定及保证社会经济稳定发展具有重要意义（李纯等，2022）。黄河流域是中国生态安全战略格局的重要组成部分，亦属于气候变化敏感区和生态环境脆弱区（赵东升和吴绍洪，2013）。在气候变暖背景下，黄河流域气温呈持续上升趋势，极端天气气候事件的强度增强、频率增多，自然灾害加剧，给流域内各省（区）社会经济可持续发展带来不利影响（王有恒等，202
6、1；张镭等，2020）。气候模式是预测未来潜在气候变化的重要工具（周天军等，2020），国际耦马 阳，崔 洋，张 雯，等.基于CMIP6模式的黄河流域宁夏段未来气温变化预估研究 J.干旱气象，2023，41（1）：43-53，MA Yang，CUI Yang，ZHANG Wen，et al.Projection of the future temperature changes of Yellow River Basin Ningxia section based on CMIP6 models J.Journal of Arid Meteorology，2023，41（1）：43-53，DO
7、I：10.11755/j.issn.1006-7639（2023）-01-0043收稿日期：2022-02-16；改回日期：2022-03-20基金项目：宁夏自然科学优秀青年基金项目（2022AAC05065）、宁夏重点研发计划项目（2018BEG03067）及中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室指令性科研项目（CAMP-201906、CAMP-202002）共同资助作者简介：马阳（1990），男，宁夏灵武人，工程师，主要从事气候变化与预测业务科研工作。E-mail:。通信作者：崔洋（1982），男，宁夏吴忠人，正高级工程师，主要从事气候与气候变化业务科研工作。E-mai
8、l:。41 卷干旱气象合 模 式 比 较 计 划（Coupled Model Intercomparison Project，CMIP）是迄今为止内容最丰富的气候模式资料库，支撑了 IPCC评估报告的撰写（王澄海等，2009；周天军等，2019）。为厘清黄河流域未来气候变化状况，利用CMIP5模式数据已开展了一系列的预估研究工作，发现CMIP5多模式集合平均对黄河流域气温季节循环、长期趋势的模拟效果较好，而对降水模拟效果较差（周文翀和韩振宇，2018）；黄河流域未来气温增温速率在RCP8.5情景下最明显 0.50 （10 a）-1，RCP4.5情景下次之 0.20 （10 a）-1，RCP2.
9、6情景下最缓慢 0.10 （10 a）-1，另外21世纪严重干旱发生概率呈先增大后减小趋势（杨肖丽等，2017）；黄河流域在 RCP4.5 和 RCP8.5 情景下20202090年日最高（低）气温、气温日较差、冷（暖）夜温度等极端气温呈上升趋势，且冬季相较其他季节上升趋势更显著，未来整个流域暖极端事件将会更加频发（李佳瑞等，2020）。总体而言，目前对黄河流域未来气候预估的研究主要集中在大尺度及宏观变化方面，针对流域分段的精细化研究相对较少。宁夏地处中国西北内陆，是唯一全境属于黄河流域的省区，也是北方防沙带和黄土高原川滇生态屏障交汇区（王晓峰等，2019）。气候监测结果（王胜杰等，2021；
10、杨兴国等，2021）显示，宁夏近60 a来平均气温增温速率为0.36 （10 a）-1，高于整个黄河流域 0.33 （10 a）-1、全国 0.23 （10 a）-1及全球 0.12 （10 a）-1。肖国举等（2010）研究指出，气温增加0.53.0 会造成土壤水分蒸发加剧，从而导致宁夏引黄灌区盐化土壤农业灌水量增加8.2%9.1%，总灌水量需增加1.291.40亿m3。按照21世纪以来气温变化趋势，未来宁夏水资源短缺矛盾会更加突出。此外，受地形地貌影响，宁夏年平均气温呈“北高南低”分布，与黄河流域年平均气温总体呈“东南高、西北低”分布不同（张镭等，2020）。在以往针对黄河流域未来气候预估
11、中，由于宁夏仅占黄河流域总面积的8.8%，气候模式对宁夏气温的模拟能力经常被忽视，增加了预估结果在宁夏的不确定性。相较于CMIP5，CMIP6基于不同共享社会经济路径（Shared Socioeconomic Pathways，SSPs）下的人为排放及土地利用变化，设计了一系列新的未来情景预估试验，能更好地反映土地利用变化对区域气候的影响，能够为流域分段气候预估以及减缓适应研究提供更加合理的模拟结果（李纯等，2022；姜 彤 等，2020；张 丽 霞 等，2019；O Neill et al.，2016）。因此，本文利用历史观测和 CMIP6模式数据，在检验评估模式对宁夏气温模拟性能的基础上，
12、分析预估不同情景下黄河流域宁夏段不同区域未来气温时空分布特征及其变化趋势，以期为政府适应未来气候变化提供科学依据，对提升宁夏应对区域气候变化、做好碳达峰碳中和工作具有重要指导意义。1数据和方法1.1资料及研究区划分所用资料主要包括：宁夏区内19个国家基本气象站 19612020 年逐月气温观测数据（图 1），CMIP6公布的16个全球气候系统模式模拟试验资料（表1）。CMIP6模式资料包括历史气候模拟实验（19612014年）和情景模式比较计划（20152099年）两大类模式逐月气温模拟数据。其中，所用情景模式比较计划中的气候预估数据是不同共享社会经济路径（SSPs）与辐射强迫的矩形组合，主要
13、包括：2100年辐射强迫稳定在2.6、4.5、7.0、8.5 Wm-2的模拟预估数据，分别代表低（SSP1-2.6）、中等（SSP2-4.5）、中等至高（SSP3-7.0）及高（SSP5-8.5）强迫情景。为分析比较黄河流域宁夏段不同区域未来气温变化特征及其趋势，以年干燥度和降水量为指标（Allen et al.，1998），根据宁夏多年平均200 mm和400 mm等降水量线分布状况，结合农牧业分布、生态环境状况（王连喜等，2008），把研究区划分为引黄灌区、中部干旱带、南部山区3个区域（图1）。文中附图涉及的宁夏回族自治区行政边界基于审图号为宁（2016）10号的标准地图制作，底图无修改。
14、图1宁夏分区及气象站点分布Fig.1The division and meteorological stations distribution in Ningxia44第 1 期马阳等：基于CMIP6模式的黄河流域宁夏段未来气温变化预估研究1.2方 法首先对宁夏19个气象站气温观测数据进行质量控制，保证观测资料的完整和可靠。其次，通过双线性插值方法（杨肖丽等，2017；周文翀和韩振宇，2018）将CMIP6中16个模式历史模拟和未来预估结果插值到宁夏19个气象站所在位置，以保证分析研究在同一地点的观测和模拟资料之间进行。采用空间相关系数（Spatial Correlation Coeffici
15、ent，SCC）和偏差，检验 CMIP6中 16个模式对气温气候态空间分布的模拟能力。之后通过扰动法（杨绚等，2014）对模式预测结果进行订正，降低模式系统性偏差造成的不确定性。采用时间相关系数（Temporal Correlation Coefficient，TCC）、均方根误差、标准差之比（模式模拟标准差除以观测标准差），检验模式对宁夏年平均气温时间变化趋势的模拟能力。最后基于CMIP6各模式在宁夏模拟能力分析结果，筛选出其中性能较好的13个模式，通过等权重算数平均方法（陈炜等，2021；孙侦等，2015）进行多模式集合，进而分析预估20212099年4种不同情景下黄河流域宁夏段气温时空分
16、布特征及其变化趋势。CMIP6模式性能检验中SCC和TCC具体计算公式（魏凤英，2007）如下：R=i=1M(Xi-X)(Fi-F)i=1M(Xi-X)2i=1M(Fi-F)2（1）在计算空间相关系数时，式中：M（i1，2，3，M）为研究区域内站点数；Xi、Fi分别为站点i观测值、模拟值多年平均；-X、-F分别为Xi、Fi的空间区域平均值；R 为 SCC。在计算时间相关系数时，式中：M为数据时间序列长度；Xi、Fi分别为第i年观测值、模拟值的全区平均；-X、-F分别为Xi、Fi的时间平均值；R为TCC。2模式模拟能力评估2.1单个模式模拟能力评估表 2 列出 CMIP6 各模式对 19612014 年宁夏年平均气温模拟能力检验统计结果。可以看出，16个模式中，除了3个模式（BCC-CSM2-MR、FGOALS-f3-L、FGOALS-g3）的 空 间 相 关 系 数 绝 对 值 低 于0.456，未通过 0.05的显著性检验，另外 13个模式的空间相关系数在0.6030.930之间，均通过0.01 的显著性检验，其中 CNRM-CM6-1-HR 模式的空间相关系数最高，其次为 ACCE