孟雅麗， 段克勤， 尚 溦， 李雙雙， 邢 莉， 石培宏

（陜西師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，陜西西安 710119）

0 引言

青藏高原作為第三極，其獨(dú)特的冰凍圈地貌對全球變暖極其敏感，近50年來青藏高原氣溫以0.3~0.4 ℃·（10a）-1的速率上升，其增溫速率是全球平均的2 倍[1-2］，即 使 在1998—2012 年 全 球 變 暖 停 滯期[3］，青藏高原地表氣溫仍持續(xù)升高[4-5］。受高原變暖影響，出現(xiàn)了冰川退縮、凍土消融、湖泊擴(kuò)張、極端天氣氣候事件頻發(fā)、高原物種減少等現(xiàn)象[6-8］。為進(jìn)一步評估未來青藏高原氣候環(huán)境的變化趨勢，亟需對青藏高原未來的地表氣溫變化進(jìn)行研究。

已有研究利用觀測數(shù)據(jù)、再分析資料等從不同角度研究了青藏高原過去的地表氣溫變化[9-11］，發(fā)現(xiàn)青藏高原不同區(qū)域、不同海拔的升溫速率和升溫幅度差異明顯[12-13］。同時，基于模式模擬也對青藏高原地表氣溫在不同情景下的變化進(jìn)行了大量研究[14-18］。1995 年發(fā)起的國際耦合模式比較計(jì)劃（Coupled Model Intercomparison Project，CMIP）提供了歷史時期以及不同碳排放情景下未來氣候變化的模擬結(jié)果，這為全球氣候變化研究提供了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[19-20］。分析2012 年發(fā)布的CMIP5 模式數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，CMIP5 模式對青藏高原地表氣溫的模擬存在不同程度的冷偏差，并且多模式集合平均的模擬效果要優(yōu)于大多數(shù)單個模式[18，21-22］；同時也對青藏高原未來的地表氣溫變化進(jìn)行了預(yù)估[23-25］，研究表明青藏高原區(qū)域平均地表氣溫在21 世紀(jì)早期（2016—2035 年）、中期（2046—2065 年）和末期（2081—2100 年）在典型濃度路徑（representative concentration pathway，RCP）4.5 情景下，相對于1986—2005年，將分別升高1.1 ℃、2.1 ℃和2.7 ℃。受復(fù)雜的升溫機(jī)制影響，在全球平均溫度較工業(yè)化前升溫1.5 ℃和2 ℃的情況下，青藏高原受變暖影響的時間將比全球平均提早約10年，即高原升溫幅度要大于全球平均水平[12］。

相比于CMIP5，2019年發(fā)布的CMIP6模式模擬效果有了顯著提高[26-28］。CMIP6最大的特色在于其包含了23 個由世界各國專家自行組織和設(shè)計(jì)的模式比較子計(jì)劃（CMIP6-endorsed MIPs），其中情景模式比較計(jì)劃（ScenarioMIP）是CMIP6 最重要的子計(jì)劃之一[29］，該子計(jì)劃延續(xù)了CMIP5 的典型濃度路徑（RCP）情景，在不同共享社會經(jīng)濟(jì)路徑（shared so?cioeconomic pathway，SSP）可能發(fā)生的能源結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的人為排放及土地利用變化的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了不同SSP 與輻射強(qiáng)迫組合的新情景預(yù)估試驗(yàn)，以此來預(yù)估在不同排放情景與不同政策措施控制下未來全球氣候所發(fā)生的不同變化[26，30-32］。因此，無論從模式的改進(jìn)，還是對未來情景的設(shè)計(jì)上，CMIP6模擬結(jié)果更符合實(shí)際。

目前利用CMIP6 模式數(shù)據(jù)對青藏高原氣候變化的相關(guān)研究還處于起步階段[33-34］，缺乏在不同SSP 情景下CMIP6 數(shù)據(jù)所表征的青藏高原未來地表氣溫時空變化的研究。為此，本文采用已發(fā)布的CMIP6 情景模式比較計(jì)劃中的22 個地球/氣候系統(tǒng)模式數(shù)據(jù)，首先對青藏高原歷史時期（1961—2014年）年均地表氣溫變化的模擬效果進(jìn)行評估，然后對整個青藏高原在21 世紀(jì)中期（2041—2060 年）和末期（2081—2100 年）的升溫速率和升溫幅度進(jìn)行預(yù)估，并研究其未來地表氣溫變化的空間規(guī)律，為制定減緩策略提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

青藏高原地勢高，地形復(fù)雜，平均海拔在4 000 m以上，為體現(xiàn)高原的高海拔特性，本文選取在25°~40°N、70°~105°E 范圍內(nèi)，海拔2 500 m 以上的區(qū)域作為研究區(qū)（圖1）。

圖1 青藏高原海拔2 500 m以上地形圖Fig.1 Topography of the Tibetan Plateau with an elevation above 2 500 m

1.1 數(shù)據(jù)資料

本研究采用CMIP6 中的22 個地球/氣候系統(tǒng)模式（表1，詳見https：//esgf-node. llnl. gov/projects/cmip6/）模擬的距離地面2 m 的氣溫（near-surface air temperature，簡稱地表氣溫）逐月數(shù)據(jù)，模式評估時間段為1961—2014年，未來模擬時間段為2015—2100 年。未來時段的研究選取情景模式比較計(jì)劃中的Tier-1 核心試驗(yàn)，包括SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0 和SSP5-8.5 四種不同的共享社會經(jīng)濟(jì)路徑預(yù)估情景，不同情景代表著不同共享社會經(jīng)濟(jì)路徑與不同輻射強(qiáng)迫的組合（表2）[29，35］。

表1 第六次國際耦合模式比較計(jì)劃（CMIP6）中22個地球/氣候系統(tǒng)模式的基本信息Table 1 Basic information of the 22 earth-climate system models in the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6（CMIP6）

表2 情景模式比較計(jì)劃中未來時段情景試驗(yàn)描述（據(jù)參考文獻(xiàn)[29，35］修改）Table 2 Description of scenario experiments in the future in ScenarioMIP（modified from References[29，35］）

作為模式評估參考的觀測數(shù)據(jù)，通過對比我國氣象站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)與地面氣溫月值0.5°×0.5°格點(diǎn)數(shù)據(jù)集（V2.0），對CMIP6模式數(shù)據(jù)的評估效果較為一致。另外，考慮到我國格點(diǎn)化氣象數(shù)據(jù)集在青藏高原西部存在的較大不確定性[36］，以及本文所選研究區(qū)范圍超出了國界，因此，本研究采用國家氣象信息中心提供的地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集（https：//data. cma. cn/），從中選取青藏高原范圍內(nèi)1961—2014 年數(shù)據(jù)完整的66 個氣象站月平均地表氣溫?cái)?shù)據(jù)（以下簡稱觀測數(shù)據(jù)），以此來評估CMIP6 歷史時期的模擬性能。

1.2 研究方法

在對CMIP6 模式模擬的青藏高原歷史時期（1961—2014 年）地表氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行評估時，采用雙線性插值法將各模式數(shù)據(jù)插值到氣象站所在經(jīng)緯度站點(diǎn)上，比較模式數(shù)據(jù)與觀測數(shù)據(jù)，以評估其模擬能力。具體是在標(biāo)準(zhǔn)化的泰勒圖[22，37］上，繪出模式模擬數(shù)據(jù)與觀測數(shù)據(jù)在時間和空間尺度上的標(biāo)準(zhǔn)差、均方根誤差和相關(guān)系數(shù)，以此直觀反映模式對青藏高原歷史時期年均地表氣溫時空變化的模擬能力。

在對未來時段的研究中，由于不同模式分辨率不同，為了直觀展現(xiàn)青藏高原地表氣溫的空間分布情況，同時為便于對各模式之間的相互比較，以及進(jìn)行多模式集合平均，采用雙線性插值法將各模式數(shù)據(jù)統(tǒng)一插值到0.5°×0.5°的經(jīng)緯網(wǎng)格上，共計(jì)1 214 個格點(diǎn)。然后采用一元線性回歸方法計(jì)算不同時段的空間升溫趨勢和升溫幅度，并運(yùn)用t檢驗(yàn)法對升溫趨勢進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。此外，為對比不同時段的變化幅度，綜合青藏高原氣候變化的特點(diǎn)，以及現(xiàn)有CMIP6 的相關(guān)研究[38-39］，本文選取1995—2014年作為參考時間段。

2 結(jié)果與分析

2.1 CMIP6模式對青藏高原地表氣溫的模擬能力評估

從泰勒圖[圖2（a）］看，盡管不同模式由于分辨率和模型參數(shù)化方案的差異，模擬效果差異較大，但大多數(shù)模式都能較好地模擬青藏高原歷史時期年均地表氣溫隨時間的變化趨勢，相關(guān)系數(shù)集中在0.32~0.85之間，平均值為0.61，模式模擬標(biāo)準(zhǔn)差與觀測的標(biāo)準(zhǔn)差之比在0.63~1.57 之間，標(biāo)準(zhǔn)化后的均方根誤差在0.55~1.09之間。模擬效果較好的模式有CESM2-WACCM、CESM2、ACCESS-CM2 和KACE-1.0-G，模擬效果較差的模式有CAMS-CSM 1.0、CanESM5、EC-Earth3 和MIROC6。與單個模式模擬結(jié)果相比，多模式集合平均（MME）效果優(yōu)于全部單個模式，其相關(guān)系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化后標(biāo)準(zhǔn)差、標(biāo)準(zhǔn)化后的均方根誤差分別為0.85、0.69和0.55。

從泰勒圖[圖2（b）］看出，22個模式模擬的空間尺度相關(guān)系數(shù)在0.54~0.69之間，平均值為0.64，與時間尺度泰勒圖相比，相關(guān)系數(shù)略高。模擬效果較好的模式有CESM2-WACCM、CESM2、AWI-CM 1.1 MR 和MPI-ESM1.2-HR，模擬效果較差的模式有 FGOALS-g3、MIROC6、IPSL-CM6A-LR 和CanESM5。MME 模擬效果優(yōu)于大多數(shù)單個模式，其相關(guān)系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化后標(biāo)準(zhǔn)差、標(biāo)準(zhǔn)化后的均方根誤差分別為0.67、0.94和0.79。

圖2 CMIP6模式模擬的青藏高原1961—2014年年均地表氣溫相對于觀測數(shù)據(jù)的泰勒圖Fig.2 Taylor diagrams for annual mean near-surface air temperature over the Tibetan Plateau between CMIP6 models and observations for 1961—2014：temporal scale（a），and spatial scale（b）（Each letter represents a model，see Table 1；W represents the multi-model ensemble mean simulated results，and REF represents the observations）

綜合[圖2（a）］和[圖2（b）］，不論從時間尺度，還是空間尺度上，多模式集合平均結(jié)果比單個模式模擬結(jié)果更優(yōu)。圖3進(jìn)一步比較了青藏高原1961—2014 年期間66 個氣象站點(diǎn)平均地表氣溫和多模式集合平均相對于1995—2014 年的變化。22 個模式的氣溫升高速率在0.12~0.48 ℃·（10a）-1之間，不同模式模擬結(jié)果差異較大，而66個氣象站觀測的平均地表氣溫升溫速率為0.31 ℃·（10a）-1?；诖耍疚囊?2 個模式的集合平均模擬結(jié)果來研究青藏高原21世紀(jì)的地表氣溫變化。

2.2 2015—2100 年青藏高原地表氣溫變化趨勢的時空分布

2.2.1 時間變化

圖3 是2015—2100 年間，4 種SSP 情景下，多模式集合平均的青藏高原年均地表氣溫變化趨勢。4種情景預(yù)估結(jié)果在21 世紀(jì)前期受輻射強(qiáng)迫差異的影響較小，其升溫的幅度差距不明顯。自2040年開始，4 種情景模擬的升溫趨勢開始出現(xiàn)明顯的差異。SSP1-2.6 情景下青藏高原的年均地表氣溫在2050年后基本保持穩(wěn)定并略呈下降趨勢，2100 年地表氣溫比參考時段（1995—2014 年）要高1.37 ℃。而在SSP2-4.5、SSP3-7.0 和SSP5-8.5 三種情景下，高原平均地表氣溫均呈逐年上升趨勢，相對于1995—2014年參考時段，到2100年高原平均地表氣溫分別升高2.81 ℃、5.04 ℃和6.21 ℃。

圖3 不同情景下22個CMIP6模式及其集合平均模擬的青藏高原1961—2100年年均地表氣溫相對于1995—2014年的變化Fig.3 Changes of annual mean near-surface air temperature over the Tibetan Plateau for 1961—2100 relative to 1995—2014 by 22 CMIP6 models and the multi-model ensemble mean under different SSP scenarios

2.2.2 空間分布

在不同情景下，2015—2100 年青藏高原多模式集合平均的增溫趨勢在空間上差別較大（圖4），在SSP1-2.6 情景下，升溫趨勢最大處于高原東部，而其余三種情景下高原地表氣溫變化趨勢空間分布格局相似，都存在三個升溫中心，分別為帕米爾高原、藏北高原中西部和巴顏喀拉山區(qū)，而增溫趨勢最小的區(qū)域都集中于藏東南地區(qū)。

圖4 不同情景下青藏高原2015—2100年多模式集合平均年均地表氣溫的線性變化趨勢Fig.4 Linear trend of annual mean near-surface air temperature by multi-model ensemble mean over the Tibetan Plateau during 2015—2100 under different SSP scenarios（All regions passed the 0.01 significance test）

在SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0 和SSP5-8.5情景下，在空間上高原增溫趨勢分別為0.07~0.11 ℃·（10a）-1[平均為0.10 ℃·（10a）-1］、0.24~0.32 ℃·（10a）-1[平均為0.29 ℃·（10a）-1］、0.40~0.58 ℃·（10a）-1[平均為0.53 ℃·（10a）-1］和0.55~0.75 ℃·（10a）-1[平均為0.69 ℃·（10a）-1］之間。可以看出，隨著排放情景從低到高，一方面增溫速率不斷加大，另一方面增溫速率的空間差異也逐漸加大。如帕米爾地區(qū)的平均增溫速率從SSP1-2.6 情景下的0.08 ℃·（10a）-1加速到SSP5-8.5 情景下的0.72 ℃·（10a）-1。藏東南地區(qū)從SSP1-2.6情景下低于0.10 ℃·（10a）-1的增溫速率增加到SSP5-8.5 情景下的大約0.56 ℃·（10a）-1。在SSP2-4.5 情景下，增溫速率在唐古拉山地區(qū)與藏東南之間的差值為0.04 ℃·（10a）-1，而在SSP5-8.5 情景下，則達(dá)到了0.15 ℃·（10a）-1。

2.3 21 世紀(jì)中期和末期青藏高原地表氣溫的變化幅度

本世紀(jì)中期和末期是評估21 世紀(jì)全球地表氣溫變化非常重要的兩個節(jié)點(diǎn)。相對于1995—2014年參考時段，多模式集合平均模擬的青藏高原在21世紀(jì)中期（2041—2060 年）和21 世紀(jì)末期（2081—2100 年）兩個時間段，分別在不同SSP 情景下，表現(xiàn)出不同的增溫速率和增溫幅度（圖5），但其空間分布在四種情景下基本相似。增溫高值區(qū)都集中分布在高原西端帕米爾高原、藏北高原中西部和巴顏喀拉山區(qū)，尤以高原最西端帕米爾地區(qū)增溫最顯著，而藏東南增溫幅度最小。

圖5 不同情景下青藏高原2041—2060年（a）、2081—2100年（b）年均地表氣溫相對于1995—2014年的變化Fig.5 Changes of annual mean near-surface air temperature over the Tibetan Plateau for 2041—2060（a），and for 2081—2100（b）relative to 1995—2014 under different SSP scenarios

在SSP1-2.6 情景下，2041—2060 年和2081—2100 年兩時段的平均地表氣溫比參考時段在空間上分別升高1.09~1.54 ℃（平均為1.37 ℃）和1.17~1.66 ℃（平均為1.42 ℃）。21 世紀(jì)末期與中期相比，增溫幅度較小，可見在低輻射強(qiáng)迫、可持續(xù)發(fā)展情景下，青藏高原到21世紀(jì)末期的增溫將得到有效的 控 制。在SSP2-4.5 情 景 下，2041—2060 年 和2081—2100 年兩時段的平均地表氣溫比參考時段分別升高1.33~1.93 ℃（平均為1.72 ℃）和2.12~2.96 ℃（平均為2.65 ℃）。在SSP3-7.0 情景下，2041—2060 年和2081—2100 年兩時段的平均地表氣溫比參考時段分別升高1.41~2.22 ℃和3.21~4.73 ℃，對應(yīng)的整個高原平均變暖值為1.98 ℃和4.28 ℃，在該情景下末期增溫速率較中期有所加快，說明在高社會脆弱性與相對高的人為輻射強(qiáng)迫情景下，未來增溫速率逐漸加快。SSP5-8.5 情景下，2041—2060年和2081—2100年兩時段的平均地表氣溫比參考時段分別升高1.75~2.58 ℃和4.19~5.94 ℃，相對應(yīng)的整個高原平均變暖值為2.30 ℃和5.38 ℃，該情景模擬了常規(guī)發(fā)展路徑下青藏高原未來的地表氣溫變化，到21世紀(jì)末期增溫速率和增溫幅度明顯提高。

3 討論與結(jié)論

為評估青藏高原地表氣溫在21世紀(jì)的變化，本文分析了最新發(fā)布的22 個CMIP6 模式模擬的地表氣溫?cái)?shù)據(jù)。首先由青藏高原1961—2014 年觀測數(shù)據(jù)對22個模式模擬結(jié)果進(jìn)行了評估，發(fā)現(xiàn)多模式集合平均的模擬效果優(yōu)于大多數(shù)單個模式。

利用多模式集合平均模擬結(jié)果，分析了2015—2100 年青藏高原年均地表氣溫的時空變化，得出在4 種SSP 情景下地表氣溫均呈增溫趨勢，且排放情景越高，增溫幅度越大。由于各情景模擬的排放和輻射強(qiáng)迫不同，2015—2100 年間青藏高原在不同情景下的線性增溫趨勢差異較大，在SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5情景下，增溫趨勢分別為0.10 ℃·（10a）-1、0.29 ℃·（10a）-1、0.53 ℃·（10a）-1和0.69 ℃·（10a）-1。除SSP1-2.6 情景外，其余情景下青藏高原的升溫速率均要高于IPCC 全球升溫1.5 ℃特別報(bào)告指出的全球目前近0.2 ℃每10 年的升溫幅度[40］。相對于1995—2014 年參考時段，到本世紀(jì)中期（2041—2060 年），青藏高原區(qū)域年平均地表氣溫將分別增加1.37 ℃、1.72 ℃、1.98 ℃和2.30 ℃，而到本世紀(jì)末期（2081—2100 年），平均氣溫將分別增加1.42 ℃、2.65 ℃、4.28 ℃和5.38 ℃。不同情景下高原增溫趨勢和增溫幅度存在明顯的差異，但帕米爾高原、藏北高原中西部和巴顏喀拉山區(qū)都為三個升溫中心，且增溫趨勢最小的區(qū)域都集中于藏東南地區(qū)。目前認(rèn)為出現(xiàn)三個升溫中心的原因可能與復(fù)雜地形、海拔高度、冰雪覆蓋率有關(guān)，另外巴顏喀拉山區(qū)出現(xiàn)升溫中心可能還與人類活動影響有關(guān)，已有研究也表明高原西北部和南部高海拔地區(qū)增溫明顯[12，41］。今后將對升溫原因與機(jī)制進(jìn)行詳細(xì)探究。

CMIP6 模擬的青藏高原未來地表氣溫變化空間特征，與CMIP5模擬結(jié)果相似[41］。CMIP5 模擬的青藏高原區(qū)域平均地表氣溫在RCP4.5情景下到21世紀(jì)中期和末期（相對于1986—2005 年）將分別升溫2.1 ℃（2046—2065 年）和2.7 ℃（2081—2100年）[23］。SSP2-4.5作為RCP4.5情景的延續(xù)，與此對應(yīng)在SSP2-4.5 情景下，相對于1986—2005 年，到2046—2065 年 和2081—2100 年 間 將 分 別 升 溫2.25 ℃和3.02 ℃，分別比CMIP5 在RCP4.5 情景下的模擬結(jié)果高出約0.15 ℃和約0.32 ℃。說明CMIP6 模式基于人為排放和土地利用變化基礎(chǔ)上新的共享社會經(jīng)濟(jì)路徑情景較CMIP5 典型濃度路徑情景，在分辨率提高、物理參數(shù)化方案改進(jìn)后，盡管對青藏高原的氣溫模擬仍存在一定的偏差[27，34］，但對青藏高原未來升溫趨勢的模擬更加精細(xì)，同時青藏高原在CMIP6 情景較CMIP5 情景的未來升溫趨勢將加大。目前本文還并未能從物理機(jī)制角度詳細(xì)探究原因。另外，IPCC 報(bào)告指出1986—2005年期間的全球平均溫度比工業(yè)革命前（1850—1900年）已經(jīng)高出約0.61 ℃[42］，要想實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》提出的與工業(yè)革命前相比將全球平均升溫幅度控制在2 ℃以內(nèi)，并爭取限定在1.5 ℃以內(nèi)[43］的目標(biāo)，從目前到本世紀(jì)末只剩約1.39 ℃和約0.89 ℃的升溫空間。從目前研究的升溫趨勢（圖4）來看，CMIP6模擬的青藏高原地表氣溫在SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0 和SSP5-8.5 情景下，相對于1986—2005年，在2041—2060 年和2081—2100 年兩個時間段，將分別升高1.73 ℃、2.09 ℃、2.35 ℃、2.67 ℃和1.78 ℃、3.02 ℃、4.65 ℃、5.75 ℃，遠(yuǎn)超大約1.39 ℃和0.89 ℃升溫空間。因此，無論在哪種情景下，到本世紀(jì)中期青藏高原溫度都將較工業(yè)革命前超過2 ℃升溫閾值，這對以冰凍圈為主要地貌特征的青藏高原而言，勢必造成冰川的加速融化[44-45］，以及更頻繁的極端天氣氣候事件[46］。