未来百年宁夏气候变化对农业影响的预估

第四节　未来百年宁夏气候变化对农业影响的预估

一、未来气候变化情景

宁夏气象局借鉴中英气候变化合作项目的研究结论，选取了4种情景下GCM模拟的结果，分别为CO₂浓度逐年递增1%的只考虑温室气体效应的IS92a GG情景和考虑温室气体效应同时考虑硫化物气溶胶辐射效应的IS92a GS情景以及SRES A₂（中—高排放）、B₂（中—低排放）情景。

4种温室气体排放情景下GCM模拟21世纪宁夏平均气温和降水相对于气候基准时段（1961～1990年）的变化，宁夏区域年平均气温2011～2040年升高1.4℃～1.9℃，冬春两季升温较明显；2041～2070年平均气温升高2.5℃～3.4℃，各季节温度都明显上升；2071～2100年平均气温升高4.0℃～5.6℃，春、夏、秋、冬四季温度分别升高4.2℃～5.9℃、3.2℃～4.7℃、3.3℃～5.2℃和4.8℃～6.6℃。模拟的宁夏区域21世纪三个时段的增温幅度与全国平均水平接近，冬季升温最为显著。

宁夏年平均降水量2020年增加1.2%～9.8%，冬、春季增加较大，夏、秋季降水在IS92a GS情景下减少，其他情景下略增；2050年增加7.2%～16.6%，依然是冬春两季增幅较大，夏、秋季也有所增加；2080年增加13.6%～28.2%，春、夏、秋、冬四季降水量变化比率分别为30.7%～38.2%、-1.3%～7.4%、2.0%～14.8%和26.7%～62.1%。宁夏21世纪3个时段的降水增加量除IS92a GS情景外，其他情景均高于全国平均水平，冬季降水增加最大，夏、秋季降水增加不明显甚至可能减少。

4种温室气体排放情景下各GCM对1961～2100年中国及宁夏区域温度和降水模拟结果相对于气候基准时段的平均变化趋势可以看出，21世纪宁夏区域地面气温和降水量随温室气体浓度增加而增加，和全国的趋势一致。21世纪前期4种情景下地面气温增幅差别不明显；但21世纪中期以后温室气体高排放情景下宁夏气温明显升高，降水随之也明显增加。至21世纪末，宁夏区域在IS92a GS和SRES B₂情景下气温增幅约为4℃，而在IS92a GG和SRES A₂情景下气温增幅可达6℃，和全国平均变化水平大致相当。GCM模拟的宁夏区域降水变化趋势在4种情景下波动很大，至21世纪末降水增加幅度大致为10%～40%，明显高于全国平均水平。

二、未来气候变化对农业的影响

IPCC为未来设计了4种可能的社会经济发展框架：A₁假定全球性合作，迅速使用高新技术，全球人口趋于稳定；A₂反映区域性合作，对新技术的适应较慢，人口继续增长；B₁生态环境得到改善，全球人口趋于稳定；B₂假定生态环境的改善具有区域性。经过国家气候中心对IPCC SRES情景的降尺度分析，认为与中国未来发展最接近的是B₂，即区域可持续情景；而A₂与中国的发展状况差异最大，但作为一种假设的高排放情景，可以帮助评估在最坏的发展状况下气候变化的影响。选用Hadley中心开发的区域气候模式进行不同CO₂排放情景下未来气候变化的模拟。在不同CO₂浓度下模拟出50km×50km网格的逐日温度、降水、辐射，通过降尺度技术获得宁夏25km×25km格点的逐日温度、降水、辐射等。

表1-3　GCM模拟21世纪宁夏气温和降水量情景（相对于气候基准时段）

采用DSSAT作物模型中的水稻、小麦、玉米、马铃薯生长模型模拟气候变化对宁夏玉米、水稻、小麦和马铃薯的影响。首先通过试验资料对每种作物模拟模型（CERES–maize、rice、wheat、SUBSTOR）进行校准，在对模型进行验证的基础上，假定品种、种植方式、田间管理措施都保持不变，利用未来气候变化情景下宁夏25km×25km网格的逐日温度、降水、辐射等资料，对未来100年在A₂、B₂排放情景下生长发育和产量变化趋势进行了数值模拟。结果表明，灌区水稻单产适度增加，玉米单产短期内增产，21世纪50年代后在一定程度上下降，春小麦单产在一定程度上大幅度下降。所有情况下马铃薯单产均表现出减产趋势。从作物生长发育进程来看，作物生育期均普遍提前，全生育期日数缩短；作物需水总量有所增加，但增加幅度不大。

表1-4　未来100年宁夏主要作物产量变化趋势数值模拟

作物生长发育面临高温、干旱、霜冻的威胁，有些年份甚至绝产。高温和干旱是宁夏未来作物生育期内面临的最主要的问题。以马铃薯为例，生育期内降雨量需300～500mm，且要均匀分布。现蕾开花阶段，需水量激增，结薯中后期和淀粉积累初期是马铃薯的水分敏感期，若遇干旱可造成严重减产。从气候情景预估结果来看，无论是A₂还是B₂情景下，未来2020年、2050年、2080年宁夏南部山区马铃薯需水量较基准年（1961～1990年）增加6.4%～26.3%，中部干旱带增加5.3%～21.6%，但生育期内降水量却是减少的，缺水量增加是影响马铃薯产量的最主要原因。

马铃薯块茎膨大要求较低温度，最适土温为16℃～18℃。而当土温为20℃时，马铃薯块茎生长缓慢，25℃时块茎几乎停止生长膨大。马铃薯茎叶生长对气温要求也较高，以20℃左右为最适宜。气温达到30℃时，会变细，叶面积缩小，不利于块茎积累养分。宁夏中部干旱带和南部山区马铃薯块茎膨大期主要在7～8月，此时段平均气温在20℃左右，有利于马铃薯块茎积累养分，但从气候情景预估结果来看，未来2020年、2050年、2080年，无论是A₂还是B₂情景下，7～8月平均气温升温幅度在1.7℃以上，最高气温＞30℃的日数增加5天以上，到2080年增加天数甚至达40天以上，对马铃薯块茎膨大十分不利，是造成马铃薯减产的最主要原因。如何使马铃薯块茎膨大期避开高温天气的影响也是应对气候变化提高马铃薯产量的重要方向。

三、风险与不确定性

利用10个GCM在IPCC第二次评估报告中提出的只考虑温室气体效应的IS92a GG情景和同时考虑温室气体效应和硫化物气溶胶辐射效应的IS92a GS情景，以及IPCC 2000年发布的《排放情景特别报告》（SRES）中提出的A₂、B₂情景下全球气候变化情景模拟结果，分析GCM在宁夏情景预测的不确定性。比较分析时所用的GCM有：日本的CCSR/NIES，加拿大的CGCM1和CMCM2，澳大利亚的CSIRO_MK2，德国的ECHAM3/LSG和ECHAM4/OPYC3（以下简称ECHAM4），美国的GFDL_R15和GFDL_R30，英国的HadCM2和HadCM3。

表1-5　马铃薯生育期缺水量变化率与基准年1961～1990年平均比较

表1-6　马铃薯块茎膨大期温度变化与基准年1961～1990年平均比较

（一）GCM对宁夏气候的模拟能力分析

气候基准时段（1961～1990年）GCM模拟结果与同期CRU平均温度和降水量的对比可以看出，GCM对宁夏气候具有一定的模拟能力，对地面气温的模拟值略偏低，而对降水量的模拟值偏高。就全年来说，GCM模拟的夏、秋两季的温度和冬季降水与观测符合较好。各GCM对宁夏基准时段气候均值的模拟结果存在差异，模拟宁夏30年平均地面温度较好的GCM是ECHAM4和HadCM3，偏差在±3℃的范围之内，年平均温度和观测值的相关系数分别达到0.45和0.34；而模拟效果较差的CGCM2偏差达到-12℃～9℃，CCSR/NIES的相关系数只有0.05。模拟宁夏30年平均降水量较好的GCM依然是ECHAM4和HadCM3，最小偏差只有0.1mm/d，年平均降水量的和观测值的相关系数分别达到0.36和0.38；而模拟较差的GFDL_R15偏差可达3.5～5.3mm/d，CSIRO的模拟结果与观测值为负相关。对宁夏区域模拟效果较差的GCM在中国范围都存在明显的气候漂移现象，模拟的温度偏低，雨带北移。

图1-16　GCM模拟宁夏气候基准时段年平均温度与观测值的差异

图1-17　GCM模拟宁夏气候基准时段年平均降水量与观测值的差异

图1-18　GCM模拟的宁夏气候基准时段年平均温度、降水与观测值的相关性

通过对宁夏基准时段（1961～1990年）气候模拟效果相对较好的模式ECHAM4和HadCM3分析模拟结果与观测值偏差的水平分布：ECHAM4模拟的宁夏全年和四季平均温度偏差都在-2℃～2℃之间，模拟的5月、9月、10月平均温度和观测值的相关系数超过0.20；模拟的年平均降水量偏多0.1～0.9 mm/d，模拟四季降水量的最大偏差控制在1.0mm/d以内，模拟的夏季平均降水量和观测值的相关性最好，相关系数达到0.45。HadCM3模拟宁夏年平均温度偏差在-3℃～1℃之间，略偏低；模拟春季温度的效果较好，偏差为-2℃～1℃；对秋季温度的模拟较差，偏差为-4℃～0℃；模拟1月、5月、6月、9月平均温度和观测值的相关系数超过0.20。HadCM3模拟宁夏30年平均降水量偏差在0.1～1.4mm/d之间；对冬季降水模拟的较好，偏差为0.1～0.5mm/d，秋季次之；模拟夏季平均降水量和观测值的相关系数为0.25。HadCM3对宁夏气候基准时段降水的模拟存在明显的空间差异，偏差自北向南逐渐增大，对宁夏北部降水的模拟结果与观测值很接近，而在宁夏南部模拟的降水偏大。

（二）未来气候变化情景模拟结果比较

温室气体增加趋势具有不确定性，因此IPCC先后在1992年发布了IS92系列和在2000年发布了SRES系列的温室气体排放情景用于模拟未来气候变化。4种温室气体排放情景下各GCM对1961～2100年中国及宁夏区域温度和降水模拟结果相对于气候基准时段的平均变化趋势可以看出，21世纪宁夏区域地面气温和降水量随温室气体浓度增加而增加，和全国的趋势是一致的。21世纪前期4种情景下地面气温增幅差别不明显，但21世纪中期以后温室气体高排放情景下宁夏地面气温明显升高，降水随之也明显增加。至21世纪末，宁夏区域在IS92a GS和SRES B₂情景下地面气温增幅约为4℃，而在IS92a GG和SRES A₂情景下地面气温增幅可达6℃，和全国平均变化水平大致相当。GCM模拟的宁夏区域降水变化趋势在4种情景下波动很大，至21世纪末降水增加幅度大致为10%～40%，明显高于全国平均水平。

（三）模式的不确定性

虽然不同GCM对宁夏21世纪气候变化总体趋势的模拟是一致的，但各个GCM在同一排放情景下模拟出的未来地面气温和降水量的变化幅度差别很大，存在较大的不确定性。其中IS92a GG、GS情景下CGCM1模拟的气温增量明显偏高，在SRES A₂、B₂情景下CCSR模拟的气温增量明显偏高，而GFDL_R30模拟的气温增量明显偏低。在4种情景下HadCM3和ECHAM4模拟的气温增量与平均值接近。各GCM对降水模拟的不确定性更大，在IS92a GG、GS情景下CCSR模拟宁夏区域的降水量变化呈减少趋势，在SRES A₂、B₂情景下GFDL_R30模拟的降水量增加不明显，而HadCM3和ECHAM4模拟的降水增加量较其他GCM偏大，尤以ECHAM4模拟的降水量的年际变化波动幅度最大。

参考文献

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