基于區(qū)域氣候模型的溫室規(guī)劃水平年氣候變化模擬分析

基于區(qū)域氣候模型的溫室規(guī)劃水平年氣候變化模擬分析

1區(qū)域氣候變化研究溫室內(nèi)氣體的增加是世界進(jìn)化趨勢的驅(qū)動(dòng)因素。由于人類活動(dòng)燃燒石化燃料，向大氣排放大量溫室氣體，導(dǎo)致大氣層輻射失衡，引發(fā)全球規(guī)模的氣候變化。為了應(yīng)對(duì)氣候變化對(duì)人類和自然產(chǎn)生影響，科學(xué)家們開展了廣泛研究并預(yù)測氣候變化可能產(chǎn)生的影響。根據(jù)政府間氣候變化專委會(huì)（IPCC）報(bào)告，在研究氣候變化影響、預(yù)測未來氣候變化過程中，涉及主要內(nèi)容包括：溫室氣體排放模式、溫室氣體濃度、全球氣候變化、區(qū)域氣候變化及產(chǎn)生的影響。其中，研究全球氣候變化是通過建立數(shù)學(xué)模型模擬氣候系統(tǒng)中氣溫、降水、海平面等氣候要素物理特征以及這些要素之間的相互作用和響應(yīng)過程，通常稱之為全球氣候模型（GCM），模擬的空間范圍較大。而區(qū)域氣候變化研究是通過建立區(qū)域氣候模型（RCM）在考慮區(qū)域地貌特征和極端氣象條件下，研究該區(qū)域氣候要素變化情況，一般空間尺度局限在地區(qū)、國家、流域范圍。本次研究選在大凌河流域，選定基準(zhǔn)年為1961～1990年，規(guī)劃水平年為2020s(2011～2040年）、2050s(2041～2070年）、2080s(2071～2100年），利用區(qū)域氣候模型PRECISRCM模擬得出在SRESA2溫室氣體排放模式下規(guī)劃水平年P(guān)RECIS系列數(shù)據(jù)，包括降水、蒸發(fā)、風(fēng)速、相對(duì)濕度、太陽輻射等系列數(shù)據(jù)。再將PRECIS模擬的降水、蒸發(fā)數(shù)據(jù)輸入到降雨-徑流模型NAM中，模擬出不同規(guī)劃水平年的徑流量，分析大凌河流域在氣候變化條件下的徑流變化趨勢。2全球氣候模型區(qū)域氣候模型是將小尺度氣候變化信息添加到大尺度全球氣候模型模擬結(jié)果的一種數(shù)學(xué)工具。區(qū)域氣候模型主要模擬全球氣候模型中各氣候要素在區(qū)域范圍內(nèi)相互作用、響應(yīng)等詳細(xì)物理變化過程。由于區(qū)域氣候模型是以全球氣候模型結(jié)果作為邊界條件，因此，其模擬結(jié)果一般與全球氣候模型模擬結(jié)果保持一致。區(qū)域氣候模型是從低分辨率的全球氣候模型中提取數(shù)據(jù)，利用時(shí)空尺度更加精準(zhǔn)的信息，模擬出區(qū)域范圍內(nèi)分辨率更高的結(jié)果。2.1氣象預(yù)報(bào)模型構(gòu)建的背景PRECISRCM是由英國氣象中心研發(fā)的區(qū)域氣候模型，適用于全球任何地方，用于描述動(dòng)力氣流、大氣中硫循環(huán)、云層、降水、輻射變化過程，還對(duì)陸地地表、深層土壤進(jìn)行描述，模型本身會(huì)對(duì)各種信息作出診斷。PRECISRCM模型主要描述了3個(gè)部分：大氣動(dòng)力學(xué)、大氣中硫循環(huán)、物理特征參數(shù)。大氣動(dòng)力學(xué)用于掌握各種氣象變化中大氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)規(guī)律（要求提供側(cè)邊界條件），需要對(duì)云層、降水、輻射、邊界層、表面交換、重力波阻等特征物理參數(shù)進(jìn)行一致性修正。大氣中硫循環(huán)也是一個(gè)特征物理參數(shù)，氣態(tài)硫或硫化物作為示蹤劑參與大氣對(duì)流運(yùn)動(dòng)，其在大氣中化學(xué)濃度變化可以被視為氣候變化的征兆。在PRECISRCM模型中需要指定模擬地表范圍和側(cè)向邊界條件。要求的地表邊界條件有地表溫度時(shí)間序列、冰范圍。側(cè)向邊界條件要求提供模擬范圍邊界所在的經(jīng)度和緯度大氣動(dòng)力信息。模型對(duì)上邊界無限制要求。側(cè)向邊界條件需要標(biāo)準(zhǔn)化氣息要素：地表氣壓、大氣水平運(yùn)動(dòng)風(fēng)、氣溫和濕度觀測值。PRECISRCM用于研究大氣硫循環(huán)需要提供的邊界條件是二氧化硫、氣化硫、以及相關(guān)化學(xué)物質(zhì)在大氣中濃度。一般將PRECISRCM模型輸出數(shù)據(jù)稱為PRECIS數(shù)據(jù)。氣體排放模式是指影響太陽對(duì)地球輻射的溫室氣體未來排放情景描述。政府間氣候變化專委會(huì)根據(jù)影響溫室氣體排放驅(qū)動(dòng)因素未來變化和相互作用，對(duì)為溫室氣體排放做出理性推斷，提出SRES排放模式。影響溫室氣體排放的驅(qū)動(dòng)因素有人口、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和技術(shù)變革等。SRES排放模式分為4類，被廣泛用于氣候變化適應(yīng)性研究。A1排放模式：未來經(jīng)濟(jì)快速增長，全球人口增長數(shù)量在21世紀(jì)中期達(dá)到高峰，之后逐漸減少，科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展。A1在能源應(yīng)用技術(shù)方面又分為3種，主要指消耗能源類型差別。A1FI是大量消耗礦石燃料排放模式；A1T是消耗非礦石燃料能源排放模式；A1B是能源平衡消耗的排放模式,即綜合應(yīng)用所有可供能源和技術(shù)保持同樣水平發(fā)展速度。A2排放模式：經(jīng)濟(jì)發(fā)展以區(qū)域?yàn)橹?，人均?jīng)濟(jì)增長速度和技術(shù)變革比其他幾種模式要緩慢、不協(xié)調(diào)。B1排放模式：世界人口同A1中描述相同。經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)變化快速，朝著服務(wù)型和信息型經(jīng)濟(jì)發(fā)展。原材料消耗減少，研發(fā)清潔能源，引入提高能源利用效率技術(shù)。不會(huì)出現(xiàn)其他更多有關(guān)氣候變化問題。B2排放模式：全球人口數(shù)量持續(xù)增長，但增長速度小于A2。經(jīng)濟(jì)發(fā)展處于中游水平。技術(shù)變革速度慢于B1，技術(shù)變革方式要多于A1。該模式是朝著保護(hù)環(huán)境、社會(huì)平等方向發(fā)展，發(fā)展重點(diǎn)在本國和本地區(qū)層面上。YuYL和JonesRG于2004年利用歐洲氣象洲中心研發(fā)的中度范圍氣象預(yù)報(bào)模型ECMWF，將重新分析數(shù)據(jù)作為運(yùn)行PRECIS準(zhǔn)觀測邊界，評(píng)估模型對(duì)中國現(xiàn)狀氣候的模擬能力。他們利用覆蓋全國的740座氣象觀測站資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)PRECIS模型可以較好模擬全國地面氣溫極值分布情況。他們還發(fā)現(xiàn)PRECIS對(duì)降水模擬偏大，但能很好模擬出極端降水事件。2.2根區(qū)儲(chǔ)水層蒸發(fā)的氣象方程模型NAM是一個(gè)集總式概念性降雨-徑流模型，內(nèi)置于MikeBasin模型。它總共可分為4個(gè)儲(chǔ)水層，分別是積雪層、地表層、根區(qū)、地下水層。NAM模型所需要的數(shù)據(jù)主要為降雨、蒸發(fā)、溫度時(shí)間序列等。根據(jù)輸入的氣象數(shù)據(jù)，NAM模型可以模擬出流域徑流時(shí)間序列、水文循環(huán)中陸地其它水文要素。模擬出的流域徑流結(jié)果根據(jù)徑流形成概念被分成坡面流、壤中流、基流三部分。(1）蒸發(fā)計(jì)算。地表儲(chǔ)水層按潛在蒸發(fā)能力計(jì)算蒸發(fā)量。當(dāng)?shù)乇韮?chǔ)水層的含水量小于潛在蒸發(fā)能力時(shí)，發(fā)生根區(qū)儲(chǔ)水層的蒸發(fā)。根區(qū)儲(chǔ)水層的蒸發(fā)量按下式計(jì)算：式中：Ep為地表儲(chǔ)水層蒸發(fā)量；Ea為根區(qū)儲(chǔ)水層蒸發(fā)量；U為地表儲(chǔ)水層含水量；L為根區(qū)儲(chǔ)水層含水量；Lmax為根區(qū)儲(chǔ)水層最大含水量。(2）坡面流計(jì)算式中：QOF為坡面徑流；Lmax為根區(qū)儲(chǔ)水庫中最大含水量；L為根區(qū)儲(chǔ)水庫實(shí)際含水量；CQOF為坡面徑流系數(shù)；TOF為坡面流的根區(qū)臨界值；PN為凈雨量。坡面流通過兩個(gè)串聯(lián)的線性水庫演進(jìn)，線性水庫的時(shí)間常數(shù)為CK1、CK2。通常設(shè)CK1=CK2。(3）壤中流計(jì)算式中：QIF為壤中流；CKIF為壤中流時(shí)間常數(shù)；CKIF-1為是每小時(shí)地表儲(chǔ)水層中轉(zhuǎn)化為壤中流的水量；TIF為壤中流的根區(qū)臨界值。壤中流通過時(shí)間常數(shù)CKIF來調(diào)節(jié)其演進(jìn)過程。(4）地下徑流計(jì)算式中：G為基流；PN為凈雨量；TG為根區(qū)臨界值；DL為增加的土壤含水量。地下徑流的演進(jìn)也主要由時(shí)間常數(shù)CKBF來進(jìn)行。地下水位的計(jì)算要考慮地下水補(bǔ)給量、毛管通量、地下水取水量、基流因素。毛管通量和地下水取水量為可選項(xiàng)。NAM模型考慮流域不同物理要素，通過連續(xù)計(jì)算4～5個(gè)不同類別、彼此相關(guān)蓄水層的含水量，模擬降雨～徑流過程。NAM模型是由一系列標(biāo)準(zhǔn)的組件及其相應(yīng)屬性構(gòu)成。通過ArcGIS操作平臺(tái)，可以快速添加組件，修改其相應(yīng)的屬性信息，這些組件包括：流域、河流、渠道等。NAM模型是在子流域一級(jí)上集總的。除了為水量分配模型生成必要的入流過程線之外，NAM模型還能夠生成流域還原后徑流時(shí)間序列，并在這個(gè)過程中分離地表徑流和對(duì)地下水的補(bǔ)給。3遼寧：權(quán)力集中在遼寧大凌河流域大部分地區(qū)位于遼寧省西部，地理位置為：東經(jīng)118°46′～121°50′，北緯40°28′～42°38′，流域面積23837km2。其中，在遼寧省的面積20285km2，占全流域85%；大凌河上游還流經(jīng)內(nèi)蒙古自治區(qū)、河北省。3.1模式3模擬結(jié)果對(duì)比本次研究基于JonesR.G.等人研究成果所提供SRESA2和B2排放模式下規(guī)劃水平年為2080s的原始PRECIS數(shù)據(jù)。為了分析氣候變化對(duì)大凌河流域影響，本次研究對(duì)原始PRECIS數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差調(diào)整和降尺度網(wǎng)格處理。利用UniversityofEastAnglia給出的名為氣候研究單元（CRU）系列數(shù)據(jù)對(duì)PRECIS在A2和B2排放情景下規(guī)劃水平年降水、溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行了偏差調(diào)整。對(duì)溫度處理方法是，利用月平均CRU數(shù)據(jù)與月平均PRECIS數(shù)據(jù)差值調(diào)整A2和B2排放情景下PRECIS模擬溫度。對(duì)降水處理方法是，利用CRU與PRECIS月平均值比值調(diào)整A2和B2排放情景下PRECIS模擬降水?dāng)?shù)據(jù)。利用雙線性插值法可以實(shí)現(xiàn)PRECIS數(shù)據(jù)降尺度，本次研究是將大凌河流域50km網(wǎng)格PRECIS數(shù)據(jù)降尺度為25km網(wǎng)格數(shù)據(jù)。為了利用2080sPRECIS數(shù)據(jù)獲得2020s和2050s數(shù)據(jù)，采用圖形縮放技術(shù)，以模擬區(qū)域每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)全球變暖單位度數(shù)2080s模擬結(jié)果為基礎(chǔ)，修改參數(shù)。CRU網(wǎng)格數(shù)據(jù)是全球化系列數(shù)據(jù)，可能無法完全反應(yīng)地形影響。在數(shù)據(jù)插值時(shí)會(huì)受到比例縮放影響，50km或25km網(wǎng)格模擬值與內(nèi)插得到值不能完全吻合。圖1為大凌河流域A2和B2排放模式下2080sPRECIS模擬年平均溫度。大凌河流域A2排放模式下2080sPRECIS模擬年平均溫度提高4.2℃，年平均溫度在空間上變化不大。圖2為大凌河流域A2和B2排放模式下2080sPRECIS模擬年平均降水量。大凌河流域降水量增幅較大，在A2排放模式下2080sPRECIS模擬增幅竟達(dá)到28%。本次研究利用PRECIS模擬輸出數(shù)據(jù)有溫度、風(fēng)速、相對(duì)濕度、太陽輻射、最大可能蒸發(fā)量、降水量。表1匯總PRECIS模型模擬結(jié)果，預(yù)測了大凌河未來氣候變化情況。3.2雙程式氣候變化模型大凌河流域NAM模型在搭建過程中，使用美國國家航空和航天局（NASA）開發(fā)的90m×90m數(shù)字高程模型，收集、處理大凌河流域Dem高程圖。將整個(gè)流域分為11個(gè)子流域，選取了大凌河流域及相近流域資料系列較長、代表性較好的長年雨量觀測資料共78站，現(xiàn)有水文站11個(gè)，蒸發(fā)站8個(gè)，經(jīng)參數(shù)率定達(dá)到精度要求后，模擬流域徑流。本次研究中，NAM模型需要的降水、蒸發(fā)時(shí)間系列數(shù)據(jù)，由PRECIS模型模擬結(jié)果提供，包括基準(zhǔn)期和水平規(guī)劃期2020s、2050s、2080s，每個(gè)時(shí)期均為30a。每個(gè)子流域的日降水量由對(duì)PRECIS網(wǎng)格數(shù)據(jù)加權(quán)平均計(jì)算而得。采用調(diào)整因子法和直接輸入法分析氣候變化對(duì)流域徑流影響。(1）調(diào)整因子法。調(diào)整因子法是利用調(diào)整因子對(duì)PRECIS降水、蒸發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，輸入NAM中。將基準(zhǔn)期逐月平均PRECIS降水（蒸發(fā)）量除以各水平規(guī)劃期逐月平均PRECIS降水（蒸發(fā)）量，得到各規(guī)劃水平期PRECIS降水（蒸發(fā)）調(diào)整因子，見表2。在每個(gè)PRECIS網(wǎng)格，都利用調(diào)整因子對(duì)A2、B2排放模式下2020、2050、2080年降雨、蒸發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。流域邊界處網(wǎng)格點(diǎn)的調(diào)整因子用權(quán)重平均法計(jì)算。將各子流域控制站1976～2005年實(shí)測逐月平均降水、蒸發(fā)時(shí)間系列數(shù)據(jù)乘以基準(zhǔn)期和各水平規(guī)劃期逐月PRECIS降水、蒸發(fā)調(diào)整因子，得到降水、蒸發(fā)時(shí)間系列數(shù)據(jù)輸入NAM模型中，模擬得到各子流域徑流時(shí)間系列。表3為調(diào)整因子法模擬大凌河流域內(nèi)各子流域A2排放模式下基準(zhǔn)期、規(guī)劃水平期平均徑流深及相對(duì)變化。(2）直接輸入法。將基準(zhǔn)期和各規(guī)劃水平期逐月平均PRECIS降水、蒸發(fā)數(shù)據(jù)直接輸入NAM模型中，得到子流域徑流時(shí)間系列數(shù)據(jù)。表4為直接輸入法模擬大凌河流域內(nèi)各子流域A2排放模式下基準(zhǔn)期和各規(guī)劃水平期平均徑流深及變化情況。通過對(duì)調(diào)整因子法和直接輸入法得到各規(guī)劃水平期徑流時(shí)間系列分析，A2氣候變化情景下大凌河流域徑流量會(huì)增加，模擬結(jié)果顯示出現(xiàn)干旱頻率不會(huì)增加，但徑流量增加會(huì)導(dǎo)致洪水量和頻率增大（多）的風(fēng)險(xiǎn)。4徑流預(yù)測結(jié)果分析氣候變化通過影響降水、蒸發(fā)、溫度等氣候因素使流域徑流發(fā)生變化，徑流量會(huì)顯著增加。通過本次研究可得出如下結(jié)論：(1)A2排放模式下，PRECIS對(duì)大凌河流域降雨量模擬結(jié)果時(shí)，增加幅度較大月份是7～9月，冬季降水較少。到2080年，預(yù)測流域大部分地方年降水量將增加約30%，蒸發(fā)量增加約為150mm。(2）由于降水量和蒸發(fā)量增加導(dǎo)致流域內(nèi)徑流量增加，增加幅度最大是7～9月