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基于CMIP6气候模式的新疆积雪深度时空格局研究.docx
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基于CMIP6气候模式的新疆积雪深度时空格局研究.docx
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积雪是冰冻圈最重要的组成部分,对全球和区域的辐射平衡和大气环流有
着重要的影响
[ 1]
。积雪也是一个对全球环境变化敏感的参数,积雪的变化与
气候环境变化有着密切的关系,其动态变化对气候环境和人类生活产生重要影
响
[ 2-3]
。积雪深度、积雪密度、雪水当量等积雪相关变量的变化通过改变地表
和大气之间的能量和水平衡,对水文、生态系统和农业产生深远影响
[ 4-6]
。
中国最主要的积雪分布地区主要为北疆积雪带、天山积雪地区、青藏高原
雪区以及内蒙古-东北地区,其中新疆为我国陆地上最大的积雪分布区
[ 7]
。季
节性积雪作为临时水库,冬季积雪决定了春季和夏季的河流变化
[ 8-9 ]
。1960
年以来,新疆的气候总体上呈现出暖湿化的趋势
[ 10]
。气候变化背景下的水资
源供给是生态安全和社会经济发展的制约因素,如何应对全球变暖一直是关注
的热点
[ 11]
,开展气候变化背景下积雪的变化研究具有非常重要研究意义。
近年来,国内外众多学者关于积雪的时空变化特征等方面展开了较多的研
究工作。比利牛斯山脉(欧洲西南部)在 1958—2017 年间的积雪持续时间和
平均深度均呈下降趋势
[ 12]
。由积雪模型模拟的波兰地区的季节性积雪深度无
论是在近期还是远期,都会普遍下降
[ 13]
。北美地区冬季积雪在 1930—1980
年呈现出增加的趋势,在 1980 年后开始趋于减小
[ 14]
。在大多数地区年平均
降雪随着气候变暖而减少,但在地表温度较低的地区增加
[ 15-17]
。近 60 年新疆
区域尤其是北疆、天山山区的冬季最大积雪深度均呈增加趋势,北疆和天山山
区年际变化波动较大,南疆略有增加,但趋势不明显
[ 18]
。新疆的平均积雪日
数在 2001—2015 年呈非显著下降趋势,新疆各地区平均积雪日数的分布具有
明显的空间异质性
[ 19]
。随着明显的增温增湿变化,新疆地区的积雪呈现出缓
慢的增长趋势,并且积雪日数和厚度与冬季降水量呈正相关
[ 20]
。乌鲁木齐市
年际上冬季积雪量在 1990—2004 年呈现出比较缓慢的波动上升趋势
[ 21]
。在
积雪深度变化的影响因素方面,当前研究认为积雪深度的变化主要受近地面气
温和降水量变化的之间相互作用影响
[ 22-23]
,并且在不同地区积雪深度的变化
受气温、降水等不同的气象要素的影响大小也存在一定的差异性
[ 24-25]
。
地球系统模式是理解历史气候与环境演变机理并预估未来气候变化的重
要工具
[ 26]
。为此,世界气候研究计划(WCRP)于 1995 年组织了众多学者
和研究机构共同发起了国际耦合模式比较计划(CMIP)。CMIP 计划主要开展
气候模式模拟能力评估以及未来气候变化的情景预估等方面的研究,该计划得
出的研究结果是历次 IPCC 科学评估的重要组成部分,同时 CMIP 计划在促进
气候模拟、诊断以及归因研究等领域的国际合作和交流方面也起到了重要作用。
迄今为止,国际耦合模式比较计划的第六阶段(CMIP6)已经进行了一套新的
协调气候模式实验,已被应用于预估积雪、气温、降水、风速等气象要素的变
化
[ 27 ]
。 CMIP6 继 承 了 CMIP5 中 的 4 种 RCP 情 景 ( RCP2.6 、 RCP4.5 、
RCP6.0 、 RCP8.5 ) , 此 外 还 增 加 了 3 种 排 放 路 径 ( RCP1.9 、 RCP3.4 、
RCP7.0)。情景模式比较计划(ScenarioMIP)作为 CMIP6 重要的子计划之
一,为气候变化机理、减缓和适应研究提供了关键数据支撑。相比于 CMIP5
中的 RCPs 路径,CMIP6 融合了共享社会经济路径,使减缓的成本与效益评
估更加容易。此外,ScenarioMIP 的 SSP 情景包含针对 21 世纪末不同温控目
标的路径(如 SSP1-1.9 和 SSP1-2.6),可以更加合理地评估 1.5 ℃和 2.0 ℃
温升目标
[ 28]
。
目前对积雪的研究一般是对历史时期积雪的时空变化及其影响因素的研
究,缺乏积雪变化的预估研究
[ 18-23]
。当前利用全球气候模式来预估积雪变化
的相关研究还比较少。因此,本研究将利用全球气候模式数据并结合中国雪深
长时间序列数据集等观测数据,开展新疆地区未来积雪时空特征演变的研究。
首先基于中国雪深长时间序列数据集(1979—2014 年),评估五个全球气候
模式的区域适用性;其次预估未来新疆地区不同情景下积雪深度的时空变化特
征。研究结果将促进我们更加深刻的认识积雪对气候的响应,同时也将会对未
来新疆地区的水资源的合理利用奠定相关的理论基础。
1 研究区概况、数据与方法
1.1 研 究 区 概 况
新疆地处欧亚大陆腹地,是中国最大的省级行政区,并且是古代丝绸之路
的重要通道。新疆东西长 1 950 km,南北宽 1 550 km,面积达 166 万 km
2
,
占中国大约 1/6 的区域。北部为阿尔泰山脉,南部为昆仑山,中部为天山山脉。
新疆最显著的地貌特征是山和盆地交替分布,形成山-盆地体系。新疆地处西
风带,具有典型的温带大陆性气候特征。作为一个被高山环抱的内陆地区,其
位置远离海洋,不容易受到海洋水分的影响。新疆是中亚地区典型的干旱半干
旱区,淡水资源严重匮乏,地表径流主要由山地冰川和积雪融水供给。但该地
区的季节性积雪水资源比较丰富,占全国积雪水资源总量的 1/3
[ 29]
。
图 1
图 1 新疆地形和气象格点分布图
Fig.1 Xinjiang topography and meteorological grid distribution map
1.2 数 据
1.2.1 观 测 数 据
本研究选取了中国雪深长时间序列数据集中新疆地区的雪深数据作为积
雪观测数据,中国雪深长时间序列数据集提供了 1979 年 1 月 1 日至 2020 年
12 月 31 日逐日的中国范围的积雪厚度分布数据,其空间分辨率为 25 km(来
源:时空三极环境大数据平台)。反演该雪深数据集的原始数据来自美国国家
雪冰数据中心处理的逐日被动微波亮温数据。然后在 Chang 算法基础上针对
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