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气候变化下黄河流域未来水资源趋势分析

王国庆 乔翠平 刘铭璐 杜付然 叶腾飞 王婕

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气候变化下黄河流域未来水资源趋势分析

    作者简介: 王国庆(1971—),男,山东成武人,教授级高级工程师,博士,主要从事气候变化、水文水资源、流域水文模型等方面的研究。E-mail:gqwang@nhri.cn.
  • 基金项目: 国家“十三五”重点研发计划专项课题资助项目(2016YFA0601501);国家自然科学基金资助项目(41830863)
  • 中图分类号: TV121.2

The future water resources regime of the Yellow River basin in the context of climate change

  • 摘要: 开展流域水资源变化趋势研究是水资源规划和开发利用的基础工作。基于RCPs(Representative Concentration Pathways)排放情景下7个全球气候模式的气候情景资料,分析了黄河流域未来气温及降水的变化趋势;采用RCCC-WBM模型动态模拟了黄河流域未来水资源情势。结果表明:黄河流域在未来30年(2021—2050年)气温将持续显著升高(线性升率为0.24~0.35 ℃/(10 a));与基准期(1961—1990年)相比,流域降水总体可能增多,但对降水变化预估的不确定性较大;受气候变化影响,黄河流域未来水资源量较基准期的可能会略微偏少,流域水资源供需矛盾可能进一步加剧;不确定性及其带来的评估风险是目前及未来气候变化影响及水资源评估中需要加强研究的重要内容。
  • 图  1  黄河流域水系及气象站点和水文站点分布示意

    Figure  1.  River system and locations of the meteorological stations and hydrometric stations in the Yellow River basin

    图  2  3种排放情景下未来不同时期黄河流域气温较基准期的变化

    Figure  2.  Changes in temperature over the Yellow River basin of the decades during 2021-2050 relative to the baseline of 1961-1990 under the three RCP scenarios

    图  3  3种排放情景下未来不同时期黄河流域降水较基准期的变化

    Figure  3.  Changes in precipitation over the Yellow River basin of the decades during 2021-2050 relative to the baseline of 1961-1990 under the three RCP scenarios

    图  4  3种排放情景下黄河流域2021—2050年气温较基准期变化的空间分布

    Figure  4.  The spatial pattern of temperature changes in 2021-2050 relative to baseline (1961-1990) over the Yellow River basin under the three RCPs scenarios

    图  5  3种排放情景下黄河流域2021—2050年降水量较基准期变化的空间分布

    Figure  5.  The spatial pattern of precipitation changes in 2021-2050 relative to baseline (1961-1990) over the Yellow River basin under the three RCPs scenarios

    图  6  3种排放情景下黄河水资源量较基准期的变化

    Figure  6.  Changes in runoff in the Yellow River basin of the decades during 2021-2050 relative to the baseline (1961-1990) under the three RCP scenarios

    表  1  本研究采用的7个气候模式基本信息

    Table  1.   Basic information of 7 CMIP5 GCMs used in this study

    序号全球气候模式国家序号全球气候模式国家
    1GISS-E2美国5MIROC日本
    2CNRM-CM5法国6BNU中国
    3MPI德国7BCC-CSM中国
    4MRI-CGCM3日本
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    表  2  黄河流域典型子流域基本信息及1955—1969年径流模拟效果

    Table  2.   Basic information of typical catchments of the Yellow River and runoff simulation results for 1955-1969

    序号控制站水系集水面积/km2率定期1955—1965年验证期1966—1969年
    f NSE/%e RE/%f NSE/%e RE/%
    1华县渭河106 49887.92.786.63.5
    2河津汾河 38 72874.71.174.52.3
    3状头北洛河 25 64565.81.365.32.8
    4黑石关伊洛河 18 56384.22.483.44.2
    5洪德泾河 4 64061.21.060.91.5
    6大宁黄河 3 99285.61.285.82.1
    7王道恒塔窟野河 3 83963.2−2.562.1−3.3
    8横山无定河 2 41563.72.462.64.9
    9平凉泾河 1 30573.5−0.268.53.3
    10兴县黄河 65074.44.070.54.1
    11延川清涧河 3 46866.53.463.93.7
    12后大成三川河 4 10278.3−0.275.82.8
    13唐乃亥黄河121 97276.21.974.83.4
    14红旗洮河 24 97372.21.372.72.8
    15民和湟水 15 34286.50.486.90.8
    16享堂大通河 15 12678.10.574.03.6
    17折桥大夏河 6 84365.23.462.3−2.1
    18秦安渭河 9 80572.1−1.366.32.4
    19龙门黄河497 55270.4−2.367.43.7
    20花园口黄河730 03668.9−2.265.82.6
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-02-16
  • 网络出版日期:  2020-04-24
  • 刊出日期:  2020-04-01

气候变化下黄河流域未来水资源趋势分析

    作者简介: 王国庆(1971—),男,山东成武人,教授级高级工程师,博士,主要从事气候变化、水文水资源、流域水文模型等方面的研究。E-mail:gqwang@nhri.cn
  • 1. 南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210029
  • 2. 水利部应对气候变化研究中心 江苏 南京 210029
  • 3. 华北水利水电大学,河南 郑州 450046
  • 4. 河海大学 水文水资源学院,江苏 南京 210098
  • 5. 河南省水文水资源局,河南 郑州 450003
  • 6. 云南省水文水资源局普洱分局, 云南 普洱 665099

摘要: 开展流域水资源变化趋势研究是水资源规划和开发利用的基础工作。基于RCPs(Representative Concentration Pathways)排放情景下7个全球气候模式的气候情景资料,分析了黄河流域未来气温及降水的变化趋势;采用RCCC-WBM模型动态模拟了黄河流域未来水资源情势。结果表明:黄河流域在未来30年(2021—2050年)气温将持续显著升高(线性升率为0.24~0.35 ℃/(10 a));与基准期(1961—1990年)相比,流域降水总体可能增多,但对降水变化预估的不确定性较大;受气候变化影响,黄河流域未来水资源量较基准期的可能会略微偏少,流域水资源供需矛盾可能进一步加剧;不确定性及其带来的评估风险是目前及未来气候变化影响及水资源评估中需要加强研究的重要内容。

English Abstract

  • 2013年联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第一工作组发布的第5次评估报告指出:1880—2012年全球表面气温大约上升了0.85 ℃,1983—2012年是过去1 400 a来最热的30 a;就全球陆地而言,降水没有明显增加或减少趋势,但区域性(如北半球中纬度陆地)降水略微增多[1]。全球气候变暖可以加速区域水文循环,进而对江河径流、区域水资源、陆地生态等多个方面产生影响[2-3]。科学预估未来气候变化下的水资源情势,不仅是水资源开发利用的基础工作,而且对防洪抗旱减灾和保障区域经济社会发展具有重要意义[4]

    采用全球气候模式模拟未来气候情景,是研究未来气候变化趋势的重要途径[5-6]。例如,史瑞琴等基于CSIRO气候模式的预估结果,分析了我国华中地区在2030年前后气温、降水的变化趋势[7];曾小凡等采用ECHAM5模式的预估结果,研究了我国北方江河的未来气候变化,发现松花江流域未来气温升高幅度远高于南方江河[8]。从目前研究结果来看,几乎所有气候模式对气温的预估结果都是一致的,全球大多数地区未来的气温均呈现升温趋势,但同时发现,气候模式对降水预估结果的不确定性较大[5-8]

    采用气候情景驱动流域水文模型是评估气候变化对水资源影响的重要途径[9-10],Labat等基于假定气候情景对全球各大洲径流量模拟发现,温度每升高1 ℃,径流量约减少4%[11];金君良等采用VIC模型研究了海河流域未来水资源趋势,结果表明,未来(2021—2050年)气候变化下海河流域水资源呈略微增加趋势,其中,北部水资源增加相对较多[12]。未来气候变化及其影响将对流域水资源管理带来严峻挑战。

    黄河气候干旱,水资源短缺,以全国约2%的水资源量支撑了全国约13%的耕地和粮食以及近1/4的煤炭资源,未来黄河水资源的多寡将对流域乃至全国社会经济发展产生重大影响。本研究基于7个气候模式的预估结果,评估了RCPs(Representative Concentration Pathways, RCPs)情景下黄河流域气候变化趋势及其对水资源的影响。

    • 黄河是我国第二大河,发源于青藏高原巴颜喀拉山北麓,河流跨越青藏高原、黄土高原和黄淮海平原,在山东利津附近入海,干流全长5 464 km,流域面积79.5×104 km2。综合考虑站点空间分布、资料系列长度等因素,在黄河流域选取了310个气象站(含202个雨量站)。基于流域地貌、水文及气候的区域性特征,在黄河干、支流选取了20个水文站,收集了上述站点1955—2015年的逐月水文及气候要素资料,其中,108个基础气象站点资料来源于中国气象局,202个雨量站点资料和20个水文站点资料来源于黄河水利委员会。为开展分布式水文模拟,将黄河流域划分为分辨率为0.5°的正交网格,采用反距离平方插值方法将气象站点的实测气象资料内插到每个网格。已有研究结果表明,自20世纪70年代以来,黄河流域人类活动对河川径流影响显著[3, 9]。因此,本研究采用1970年之前的水文气象资料进行流域水文模型的参数率定及模型检验。图1给出了黄河流域水系、气象站点、子流域及干流水文站点分布情况。

      图  1  黄河流域水系及气象站点和水文站点分布示意

      Figure 1.  River system and locations of the meteorological stations and hydrometric stations in the Yellow River basin

      世界气候研究计划(World Climate Research Programme,WCRP)的全球耦合模式工作组(Working Group on Coupled Modelling, WGCM)在第5阶段的耦合模式对比计划(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5, CMIP5)中发布了数十个气候模式情景资料(http://cmip-pcmdi.llnl.gov/cmip5/),数据序列时间长度为1901—2100年。基于全球气候模式的历史气候模拟结果,水文气象学者开展了CMIP模式对不同区域的历史气候模拟能力研究[6, 13]。气候模式对不同区域的模拟能力存在差异,基于上述已有的研究结果,选用了7个在中国区域具有相对较好适宜性的CMIP全球气候模式(表1),这些模式的降尺度气候情景资料由中国国家气候中心提供,气候情景空间分辨率为0.5°。重点分析了3种温室气体排放情景下(RCP2.6,RCP4.5和RCP8.5)的气候变化趋势:其中,RCP8.5指的是由于温室气体(CO2)浓度增加,到2100年辐射强度达到或超过8.5 w/m2下的气候情景,该情景下21世纪末全球升温幅度将可能达到4.6~10.3 ℃,是一种温室气体高排放下的气候情景;相应的RCP2.6,RCP4.5分别代表了低排放和中等排放下的气候情景。

      表 1  本研究采用的7个气候模式基本信息

      Table 1.  Basic information of 7 CMIP5 GCMs used in this study

      序号全球气候模式国家序号全球气候模式国家
      1GISS-E2美国5MIROC日本
      2CNRM-CM5法国6BNU中国
      3MPI德国7BCC-CSM中国
      4MRI-CGCM3日本
    • 选用水利部应对气候变化研究中心研发的RCCC-WBM水量平衡模型(Water Balance Model developed by Research Center for Climate Change, RCCC-WBM)模拟流域的水文过程。该模型以月为时间尺度,输入变量包括:流域(格点)逐月降水、水面蒸发和气温系列,输变量包括地面径流、地下径流和融雪径流3种成分。模型假设地表径流与土壤含水量和降水量线性相关,融雪径流与标准化气温具有指数型关系,地下径流按土壤需水量线性水库出流计算。由于模型计算时段较长(月),水库运行调度对月流量过程的影响相对较小,因此,模型结构中没有设计水库运行调度模块。模型有4个参数需要率定,具有结构简单、参数少、易于率定等优点[14]。对于较小尺度流域,该模型可以根据流域平均气象要素进行水文过程的集总式模拟;对于中、大尺度流域,该模型可基于研究流域的网格划分,进行水文过程的分布式模拟[15-16]。选用Nash-Sutcliffe模型效率系数fNSE和模拟总量相对误差eRE为目标函数,采用Rosenbroke和手工参数调试相结合的方法进行模型参数优化率定[17]

    • 选取1955—1965年为率定期进行RCCC-WBM模型的参数率定,以1966—1969年为验证期检验模型模拟效果。表2给出了所选水文站点的径流模拟效果。由表2可见,该模型对黄河干、支流水文站的月径流量过程具有较好的模拟效果,可用来模拟未来气候变化情景下的流域水文情势。

      表 2  黄河流域典型子流域基本信息及1955—1969年径流模拟效果

      Table 2.  Basic information of typical catchments of the Yellow River and runoff simulation results for 1955-1969

      序号控制站水系集水面积/km2率定期1955—1965年验证期1966—1969年
      f NSE/%e RE/%f NSE/%e RE/%
      1华县渭河106 49887.92.786.63.5
      2河津汾河 38 72874.71.174.52.3
      3状头北洛河 25 64565.81.365.32.8
      4黑石关伊洛河 18 56384.22.483.44.2
      5洪德泾河 4 64061.21.060.91.5
      6大宁黄河 3 99285.61.285.82.1
      7王道恒塔窟野河 3 83963.2−2.562.1−3.3
      8横山无定河 2 41563.72.462.64.9
      9平凉泾河 1 30573.5−0.268.53.3
      10兴县黄河 65074.44.070.54.1
      11延川清涧河 3 46866.53.463.93.7
      12后大成三川河 4 10278.3−0.275.82.8
      13唐乃亥黄河121 97276.21.974.83.4
      14红旗洮河 24 97372.21.372.72.8
      15民和湟水 15 34286.50.486.90.8
      16享堂大通河 15 12678.10.574.03.6
      17折桥大夏河 6 84365.23.462.3−2.1
      18秦安渭河 9 80572.1−1.366.32.4
      19龙门黄河497 55270.4−2.367.43.7
      20花园口黄河730 03668.9−2.265.82.6
    • 基于7个全球气候模式在3种排放情景下的气候情景数据,以1961—1990年为基准期,分析2021—2050年黄河流域气温、降水的变化。

    • 图2图3分别给出了3种排放情景下(RCP2.6,RCP4.5及RCP8.5)黄河流域未来不同时期气温和降水变化的四分位分析结果。图中,上端蓝线和底端绿线分别表示最大值和最小值,中间紫色十字线代表中值,方框上、下边分别代表分位数75%和25%的值,下同。

      图  2  3种排放情景下未来不同时期黄河流域气温较基准期的变化

      Figure 2.  Changes in temperature over the Yellow River basin of the decades during 2021-2050 relative to the baseline of 1961-1990 under the three RCP scenarios

      图  3  3种排放情景下未来不同时期黄河流域降水较基准期的变化

      Figure 3.  Changes in precipitation over the Yellow River basin of the decades during 2021-2050 relative to the baseline of 1961-1990 under the three RCP scenarios

      图2可见:①在RCP2.6排放情景下,2021—2030年、2031—2040年和2041—2050年3个时段平均升温分别为1.27[0.63,1.65]℃,1.56[0.77,2.08]℃和1.62[1.21,2.03]℃,平均线性升温速率为0.24 ℃/(10 a);同时可以发现,在这种低排放情景下,尽管未来30 a气温将继续保持上升趋势,但有些模式预估到21世纪30年代升温将达到峰值(2.08 ℃),之后略降并依然持续高温。②在RCP4.5排放情景下,未来3个时段平均升温分别为1.21[0.92,1.85]℃,1.64[1.22,2.11]℃和1.90[1.51,2.44]℃,中等排放情景下的升温幅度总体高于低排放情景下的升温幅度;特别需指出的是,到21世纪30年代,个别气候模式预估中国升温超过2 ℃,到40年代,黄河流域升温幅度将可能(概率3/7)超过2 ℃阈值。③在RCP8.5排放情景下,2021—2050年期间的3个10年平均升温分别为1.57[0.87,2.03]℃,1.89[1.32,2.39]℃和2.34[1.85,3.12]℃,高排放情景下黄河流域升温幅度明显高于低排放和中等排放情景下的升温幅度;到21世纪30年代,有3个气候模式预估气温升高超过2 ℃,而到40年代,黄河流域升温幅度将可能(概率4/7)超过2 ℃阈值。在中、高排放情景下,黄河流域2021—2050年的线性升温率(0.35~0.39 ℃/(10 a))均明显高于基准期[13]

      图3可以看出:①气候模式对降水的预估结果不确定性较大;尽管多数气候模式预估不同排放情景下黄河流域以增湿为主,但仍有一些模式预估黄河未来降水可能减少;其中,MPI模式预估的结果对黄河流域相对不利,预估的降水量较基准期偏少。②在RCP2.6情景下,2021—2050年黄河流域降水量较基准期可能偏多6.6%[−3.4%,8.3%],7个气候模式中只有GISS模式预估降水偏少3.4%,其余模式均预估降水较基准期偏多,另外,2021—2050年期间的3个10年降水变化幅度总体接近,在+6.0%左右。③在RCP4.5情景下,黄河流域在2021—2050年期间的降水量较基准期可能偏多6.0%[−1.7%, 10.4%],30年的平均降水幅度与RCP2.6情景下的基本接近,但从年代际来看,中等排放情景下降水量具有增加趋势,2021—2050年期间的3个时段降水量较基准期分别增多3.7% [−2.5%,8.2%],7.2% [−2.9%,9.9%]和10.9% [−5.1%,17.9%]。④在RCP8.5情景下未来30年(2021—2050年)降水量较基准期的变化幅度与其他两种排放情景下的变化幅度接近,就年代际而言,3个10年的变幅分别为6.4% [−3.8%,9.0%],3.8% [−2.4%,11.6%]和8.6% [0.2%,19.2%];值得注意的是,2031—2040年有6个气候模式预估黄河流域降水较基准期偏多,在2041—2050年7个气候模式均预估未来降水量增多,根据IPCC第5次评估报告对不确定性处理的方法,在全球气候变暖背景下,黄河流域未来将可能或非常可能变暖、变湿。

    • 不同模式对气温预估的空间分布总体类似,但对降水变化预估的空间分布存在一定的差异。图4图5分别给出了在不同排放情景下MPI模式预估的气温、降水变化的空间格局。

      图  4  3种排放情景下黄河流域2021—2050年气温较基准期变化的空间分布

      Figure 4.  The spatial pattern of temperature changes in 2021-2050 relative to baseline (1961-1990) over the Yellow River basin under the three RCPs scenarios

      图  5  3种排放情景下黄河流域2021—2050年降水量较基准期变化的空间分布

      Figure 5.  The spatial pattern of precipitation changes in 2021-2050 relative to baseline (1961-1990) over the Yellow River basin under the three RCPs scenarios

      图4可以看出:①在3种排放情景下,MPI模式预估的黄河流域升温分布格局类似,黄河上游源区和黄河北部宁蒙灌区一带升温幅度较大,黄河上游中段升温幅度相对较小。②在RCP8.5高排放情景下,黄河流域不同区域的升温幅度明显高于RCP2.6和RCP4.5排放情景下的升温幅度。③在中等排放情景下,只有黄河唐乃亥以上及毛乌素沙漠西部的个别地区升温幅度可能超过2 ℃,但是在RCP8.5情景下,黄河上游上段及下段的大部分地区升温幅度超过2 ℃。

      图5可以看出:①在3种不同排放情景下,MPI模式预估的黄河流域降水量变化幅度及其空间分布格局存在一定的差异;但同时可以看出,在低排放RCP2.6情景下和高排放RCP8.5情景下,黄河上游源区降水量均较基准期偏多;尽管在中等排放RCP4.5情景下,黄河流域大部分地区降水量较基准期偏少,但上游依然存在降水量偏多的地区,说明在不同排放情景下,黄河上游源区不仅温度升高,而且降水量增多的可能性非常大。②黄河中游及下游地区在中等排放RCP4.5情景和高排放RCP8.5情景下,MPI模式预估的降水量均较基准期的减少,这种情势可能会对黄河中下游的自然生态系统恢复及保护产生一定的不利影响。

    • 利用7个气候模式在RCP2.6,RCP4.5及RCP8.53种排放情景下进行气候情景驱动率定的水文模型,模拟2021—2050年黄河流域格点径流量过程,进而计算黄河流域不同区域未来水资源较基准期(1961—1990年)的可能变化。图6给出了基于四分位法分析的黄河流域2021—2050年水资源的变化。

      图  6  3种排放情景下黄河水资源量较基准期的变化

      Figure 6.  Changes in runoff in the Yellow River basin of the decades during 2021-2050 relative to the baseline (1961-1990) under the three RCP scenarios

      图6可以看出:①与气候模式预估的降水变化趋势类似,未来黄河流域水资源的变化不确定性依然较大,其中,多数模式在3种排放情景下预估的黄河流域水资源量将进一步减少。②在RCP2.6情景下,1/2以上的气候模式预估2021—2030年黄河流域水资源量减少,超过3/4的模式预估2031—2040年和2041—2050年黄河水资源量进一步减少,平均情况下,在2021—2050年水资源量较基准期(1961—1990年)的可能偏少3.7%[−16.9%,10.7%]。③在RCP4.5情景下,预估的黄河流域水资源变化趋势不确定性更大,预估水资源量增加或减少的气候模式各占一半左右,就多模式平均而言,黄河水资源量在2021—2030年、2031—2040年和2041—2050年分别减少5.5%[−23.6%,12.5%],1.5%[−16.9%,8.3%]和0.5%[−25.8%,20.6%]。④在RCP8.5情景下,黄河流域水资源量未来减少的可能性更大,特别是2031—2040年期间,7个模式均预估未来水资源量减少;在2021—2030年、2031—2040年和2041—2050年黄河水资源量减少幅度分别为−2.7%[−14.7%,6.5%],−9.2%[−13.3%,−0.6%]和−3.8%[−18.7%,10.9%]。

      尽管未来黄河流域降水可能增多,由于气温的显著升高,模拟的黄河流域未来水资源量可能减小。另外,由水资源变化的模拟结果可以发现,不同气候模式情景下预估的水资源量变化差别较大,甚至相反;例如,在RCP4.5情景下,有4个气候模式预估黄河流域在2031—2040年的径流量较基准期的减小,减小幅度为−16.9%~−0.9%,而其他3个气候模式情景下预估水资源量将增大1.4%~8.3%。因此,不确定性是气候变化影响评价及未来水资源趋势预估需要亟待加强研究的重要方向。

      气候变化对水资源具有直接的影响。魏洁等基于BCC-CSM1.1情景分析了2011—2050年黄河上游的气候变化及水资源趋势,未来黄河上游气温将较基准期(1971—2010年)升高1.04~1.61 ℃,降水增多4.31%~5.74%;RCP4.5情景下径流约增加2.6%[18-19]。唐芳芳等基于3个全球气候模式对黄河上游研究认为,未来(2046—2065年)水资源可能较基准期偏少约16%[20]。目前已有研究均认为黄河流域未来气温将继续升高,对降水的预估存在较大的不确定性[21]。另外,对于水资源未来变化分析与选择的基准期和未来时段也密切相关,不同基准期的选择,对未来水资源变化的分析可能会出现不同的结论[19-21]

    • (1)2021—2050年黄河流域气温将持续升高,线性升率约为0.24~0.35 ℃/(10 a),大于黄河流域和全国在基准期(1961—1990年)的平均线性升率,是全球变暖较为敏感的流域。就空间变化而言,黄河上游和北部地区升温幅度相对较大;在高排放情景下,21世纪中叶黄河流域平均升温很可能超过2 ℃阈值。

      (2)气候模式对降水的预估结果不确定性较大;尽管多数气候模式预估不同排放情景下黄河流域以增湿为主,但仍有一些模式预估黄河流域未来降水可能减少;就多模式平均结果而言,在RCP4.5情景下降水量总体呈现较为缓慢的增多趋势,2021—2050年的不同阶段降水量分别增多3.6%,5.8%和7.9%。

      (3)受气温显著升高和降水变化影响,未来黄河流域水资源量以减少为主;在RCP2.6,RCP4.5两种中、低排放情景下,2021—2050年黄河流域水资源量较基准期的可能偏少2%~4%,在RCP8.5高排放情景下水资源量可能进一步减少,减少幅度可能超过−5%。未来气候变化下黄河流域水资源量的减少将进一步加剧流域的水资源供需矛盾,影响流域经济社会的可持续发展。

      致谢:感谢国家气候中心提供CMIP5模式情景数据,感谢徐影教授为本文提出的建设性建议。

参考文献 (21)

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