《Geomatics》：Spatiotemporal Dynamics and Future Projections of the 400 mm Isohyet in China Based on Self-Organizing Maps
编辑推荐：
400 mm等降水量线是中国重要的地理边界。由于气候变化，该降水线的空间位置发生移动，对中国农业生产、人口分布和生态系统产生重要影响。首先，研究采用第五代ECMWF大气再分析（ERA5）获取1950—2022年降水数据。从格点降水场中提取400 mm等降水量线
400 mm等降水量线是中国重要的地理边界。由于气候变化，该降水线的空间位置发生移动，对中国农业生产、人口分布和生态系统产生重要影响。首先，研究采用第五代ECMWF大气再分析（ERA5）获取1950—2022年降水数据。从格点降水场中提取400 mm等降水量线，并采用改进的均匀参数化方法重采样。随后，采用自组织映射（Self-Organizing Map, SOM）方法对400 mm等降水量线进行分类。然后，分析不同等降水量线类别对应的降水时空趋势。进一步，从水汽输送和大气环流角度探讨等降水量线时空变化的驱动机制。最后，基于耦合模式比较计划第六阶段（Coupled Model Intercomparison Project Phase 6, CMIP6）九个模型优化输出，模拟碳中和时期中国400 mm等降水量线的未来迁移趋势。结果表明，1950—2022年400 mm等降水量线可经SOM方法分为三类：东北湿润型降水格局（Northeast China wet precipitation pattern, NEWP）、西南干旱型降水格局（Southwest China dry precipitation pattern, SWDP）和东北干—西南湿型降水格局（Northeast dry–Southwest wet precipitation pattern, NED-SWWP）。1950—2022年中国年降水量显著下降。多年平均降水量为808.86 mm，三类降水格局排序为NEWP（829.08 mm）>SWDP（808.70 mm）>NED-SWWP（781.47 mm）。空间分布上，东北、华北、云南和青藏高原南部降水减少；华南和青藏高原东侧与西北侧降水显著增加。400 mm等降水量线类型在2000年前后出现明显年代际转换，主导格局由NEWP转为NED-SWWP。两个时段间水汽输送强度变化是导致该年代际转换的主要因素。此外，东亚异常反气旋减弱东北降水，来自阿拉伯海的异常西南风与青藏高原北部辐合的异常东南风增加中国西南段降水。多模式集合（Multi-Model Ensemble, MME）方法提高了碳中和时期等降水量线的模拟精度。预估表明，该时期中国降水将增加，400 mm等降水量线将继续向西和向北迁移。该时期所有年等降水量线预计均归为NEWP。上述发现对深化中国降水时空分布与演变认识、提升气象灾害风险应对能力具有实践意义。
气候变化显著影响全球水资源分布与水循环，并加剧区域水资源分布不平衡。降水是水循环的核心组分，其变化影响地表水资源分布和区域生态系统稳定性；年等降水量线可较直观反映区域降水变化，因而在气候变化研究中具有重要价值。400 mm等降水量线在全球多个气候区具有地理分界意义；在中国，该线是半湿润区与半干旱区的分界，也大致对应森林植被与草原植被的过渡带和“胡焕庸线”，与人口密度分界关系密切。已有研究多表明中国400 mm等降水量线总体向西北移动，并具有明显分段特征；但多数工作主要通过加权经纬度坐标量化年际和年代际变化，较少总结周期性时空演变形态和形态发展模式，对不同分段趋势及其内部成因的系统研究仍不足。关于等降水量线移动原因亦无共识，已有研究涉及地形、陆面水热特征、气溶胶、大气水汽输送和太平洋年代际振荡等，但理论依据仍不充分，且研究多集中于变化较显著的西段，缺乏全国尺度的系统分析。在中国提出碳中和目标的背景下，准确预估碳中和时期400 mm等降水量线趋势，对理解未来气候变化及气候适应规划具有重要意义。为此，研究人员基于ERA5资料和SOM方法，系统研究1950—2022年中国400 mm等降水量线的时空变化及转换原因，并利用CMIP6模式预估碳中和时期等降水量线迁移。研究目标包括识别不同400 mm等降水量线类型的分布特征及年代际形态转换，通过水汽通量和大气环流分析各形态类型的物理机制，并预估碳中和窗口（2053—2072，SSP1-2.6）内400 mm等降水量线趋势，为中国“双碳”目标下的气候适应规划和水资源管理提供科学依据。该研究有助于深化对中国降水时空分布与演变的认识，并为水资源管理、农业规划、生态安全风险防控和灾害准备提供理论支撑。
关键技术方法可概括为：降水与环流资料来自ERA5再分析（1°×1°，1950—2022），并以591个国家气象站（1980—2020）验证，总体相关系数为0.895；未来采用CMIP6 ScenarioMIP的9个模式SSP1-2.6数据（2015—2100），以CO
2年增长由正转负判定2062年并取2053—2072年为碳中和时期。对400 mm等降水量线采用改进均匀参数化重采样至70点，利用SOM（MATLAB R2022b，学习率0.5降至0.01，邻域半径10降至2，1000周期）分类；用线性趋势和滑动t检验分析变化；用水汽通量垂直积分及边界水汽收支诊断机制；用Taylor图评价模式，经空间解聚和EDCDF偏差校正后采用MME。
3.1 基于SOM方法的中国400 mm等降水量线分类：研究人员从1950—2022年等降水量线提取结果发现，每年经纬度坐标点数为73—107个，重采样后统一为70点；重采样结果保持东北—西南向总体分布及中段变化小、两端波动大的特征。通过平均相关系数、欧氏距离并辅以轮廓系数比较SOM节点数，确定3类分类最优；三类分别为NEWP、SWDP和NED-SWWP，出现年数分别为34年、14年和25年。三类等降水量线在中段（93—111°E）趋势大体相似，沿河西走廊自西向东、跨祁连山、经柴达木盆地东侧进入青藏高原；差异主要在东北段（111°E以东）和西南段（93°E以西）。东北段第一、二类沿大兴安岭向西南延伸，第一类略偏西至呼伦贝尔草原，第三类显著东移并在过大兴安岭后呈“Ω”形伸向东北平原；西南段三类均呈“S”形自青藏高原北部南伸后西弯，第三类位置最北，第一、二类逐渐南移。
3.2.1 不同400 mm等降水量线类型对应降水的空间变化特征：通过分析三类对应的年与季节降水异常，研究得出，1950—2022年中国多年平均降水为808.86 mm，三类平均降水量排序为NEWP>SWDP>NED-SWWP；NEWP最高，NED-SWWP最低。三类季节降水均表现为夏季>春季>秋季>冬季，夏季降水超过375 mm，冬季平均约65 mm。NEWP各季降水最高，与SWDP差异夏季最小、秋季最大；除冬季外，NEWP与NED-SWWP差异超过10 mm，夏季差异最大约21 mm；SWDP与NED-SWWP在春、夏SWDP较高，秋、冬NED-SWWP较高，除夏季差异约20 mm外其余季节差异较小。空间上，NEWP呈东多西少，东北和东南显著正异常，青藏高原负异常；SWDP在青藏高原西侧、云南和两广显著减少，长江流域和东北平原略增；NED-SWWP与NEWP大体相反，东部显著减少、青藏高原西侧显著增加，并表现出季节差异。
3.2.2 中国降水时间变化特征：通过年降水序列和趋势分析，研究得出1950—2022年中国年降水量显著减少（p值小于0.05）。NEWP降水主要集中在800—900 mm，1964年和1998年超过900 mm；SWDP除1954年超过900 mm外多在约800 mm；NED-SWWP多在700—800 mm，2011年最低为679.39 mm。三类降水呈明显年代际变化：2000年前尤其1970年代前NEWP占主导，2000年后其比例显著下降，仅2003年和2021年出现；NED-SWWP明显增加，2000年后23年中有15年；SWDP在73年中占比较小，但2000年后略增。空间趋势上，自东南向西北呈增加—减少—增加；减少区自东北向西南覆盖“胡焕庸线”沿线，东北尤其华北约以4 mm·a
?1显著减少；云南和青藏高原南部显著减少，华南及青藏高原东侧、西北侧显著增加。滑动t检验表明，1978年前降水以年代际波动为主；1970年代末至1980年代略增但不显著；1990年代后由增转降，1999—2006年滑动点通过0.05显著性水平，2000年t检验值最小，显示2000年代中国降水由“湿”向“干”发生明显突变。
3.3.1 CMIP6模式优化：通过Taylor图评价9个CMIP6模式及其MME在2015—2022年中国年平均降水模拟中的表现，研究得出偏差校正显著提高模拟精度。校正前模式间差异较大，标准差比为0.86—1.27，相关系数为0.83—0.94，RMSE为0.25—0.75；校正后各模式表现更一致，相关系数均超过0.9，RMSE均小于0.1，标准差比接近1。对9个偏差校正模式求平均后，MME表现最佳，具有最高相关系数、最小RMSE和最接近1的标准差比，因此以MME结果表征CMIP6对中国400 mm等降水量线的模拟。
3.3.2 碳中和时期400 mm等降水量线预估：通过计算各年等降水量线与三类平均等降水量线的平均欧氏距离并取最小距离归类，研究发现2053—2072年全部20年等降水量线均最接近NEWP，且各年与NEWP距离明显小于与SWDP和NED-SWWP的距离；由高斯后验概率得到的分类置信度为0.58—0.80，中位数为0.74，分类可靠性较高。预估结果显示，碳中和时期400 mm等降水量线呈窄带且高度稳定，保持NEWP状态；东北段降水显著增加，中段和西南段相较多年平均400 mm等降水量线变化较小。
讨论部分总结：4.1指出，尽管数据源和分析时段可能使400 mm等降水量线位置略有差异，其总体仍呈东北—西南向；中段相对稳定、两端波动显著，具有明显分段性，与Gao等结果一致。研究人员以93°E和111°E为分界分析西南段、中段和东北段，认为中段稳定可能受地形与季风共同影响；该段位于青藏高原东部、黄土高原和内蒙古高原西部，深居内陆，受海洋性气候影响较弱，并与祁连山走向一致，祁连山南北坡地形对比促进地形抬升，配合小尺度西北涡和低层水汽，使长期降水分布较稳定。1950—2022年东北段在经向逐渐东移、纬向呈南移，西南段在经向逐渐西移、纬向呈北移趋势，与已有关于华北中东部、内蒙古东部农牧交错带、黄河流域等东北地区等降水量线东移南移以及青藏高原平均位置西北移的认识一致。4.2认为，1950—2022年中国年降水显著减少，东南向西北呈增加—减少—增加，减少区覆盖“胡焕庸线”沿线，与Li等关于东部干旱化、西部湿润化的认识一致，也与青藏高原21世纪湿润化及北方干旱频率和强度增加的趋势基本一致。等降水量线类型呈明显年代际转换，由1970年代前NEWP转为2000年代后NED-SWWP；由于两类降水差异主要在夏季，讨论从夏季水汽输送和大气环流解释。夏季进入中国的水汽路径较稳定，主要包括孟加拉湾和南海沿西南路径进入西南地区（水量最大）、西太平洋沿副热带高压西北缘经东部沿海进入（第二）以及西风带经内蒙古进入东北（最少）。2000—2022年相对1950—1979年，中国东部异常东北/北风水汽输送削弱孟加拉湾和西太平洋水汽输入，华北异常东风削弱西风带输送，对应东北降水显著减少；孟加拉湾异常东南/南风水汽和阿拉伯海异常西南风水汽增强青藏高原南侧输入，青藏高原东北侧异常东/东南风水汽减少输出，导致西南段湿润化，使2000年代后等降水量线以NED-SWWP为主。水汽收支计算显示，青藏高原西南区域（30°N—36°N，79°E—92°E）和东北区域（39°N—51°N，109°E—126°E）两时段净水汽收支均为正，南边界为主要输入边界，西边界次之；主要输出边界在青藏高原区域为北边界，在东北区域为东边界。2000年代后青藏高原区域净水汽输入增加，主要因南、西边界输入增强和北边界输出减少；东北区域净水汽输入减少，对应异常东北/北风水汽输送削弱孟加拉湾和西太平洋供给并使西、南边界输入减少。环流差异显示，850—500 hPa西太平洋存在深低压，东亚受异常反气旋控制，中国大部为显著高压异常中心，中亚中高纬受窄低压槽控制，形成围绕中国的“低—高—低”三极纬向结构；东北位于异常反气旋东侧，受异常东北风影响，抑制孟加拉湾和西太平洋水汽进入东部和东北；异常北风经南海和菲律宾群岛附近转为赤道附近异常西风，阻碍西太平洋暖湿气流进入中国，导致东北降水减少；500 hPa上阿拉伯海北部低压东侧异常西南风输送水汽，与华北北部高压西侧异常东南风在青藏高原南侧辐合，增加西南段降水，与Zhu等结论一致。4.3指出，MME加权平均可抵消多模式偏差并提高整体可靠性，本研究MME预测精度优于任一单个模式，与Yang以及Zheng等的评估一致；9个CMIP6模式中NorESM2-LM模拟表现较优，与Hu的发现一致。未来预估表明，碳中和时期中国400 mm等降水量线将继续西移和北移，中国降水总体增加，尤其青藏高原明显增加，等降水量线持续为NEWP，与Deng等关于碳中和时期中国总体降水增加且东部增幅最大的认识一致；同时讨论指出，修正后的MME在预测未来降水时仍可能有偏差，表现为高估东部降水、低估青藏高原降水，因此实际等降水量线相较模拟结果可能在东北段更偏东、偏南，在西南段更偏西、偏北。4.4指出，ERA5降水相对台站观测存在系统偏差，低降水区相对偏差较高，可能使低值等降水量线向外偏移；偏差可能源于台站分布不均、格点尺度ERA5与点尺度台站观测不匹配以及地形和气候异质性，但主要影响局地尺度，在大尺度长期空间分析中ERA5仍具优势；在偏差较大区域特别是资料稀疏干旱区和地形复杂区，基于ERA5的等降水量线位置仍具较大不确定性。研究采用的1°×1°空间分辨率可能影响复杂地形区等降水量线刻画；但400 mm等降水量线及其迁移属天气至大陆尺度特征，该分辨率可解析中国大尺度降水格局，虽可能平滑局地降水梯度并带来局地位置不确定性，却有助于突出年代际变率的主要空间型并减少局地波动对SOM分类的影响；SOM保持拓扑和耐噪声的特性也降低分类对局地位置误差的敏感性，因此该分辨率适合识别中国400 mm等降水量线的大尺度形态演变，复杂地形过渡带仍存在一定不确定性。中国受东亚季风系统强烈影响，季风强度和大气环流变化可影响降水空间分布；包括北极涛动（Arctic Oscillation, AO）、厄尔尼诺—南方涛动（El Ni?o–Southern Oscillation, ENSO）和太平洋年代际振荡（Pacific Decadal Oscillation, PDO）等大尺度气候模态可通过改变环流型、季风活动和水分输送路径进一步调制降水变率并间接影响400 mm等降水量线位置；已有研究报道AO对中国冬季气候和极端降水的影响、PDO与华东夏季降水年代际转换的密切关系以及ENSO/PDO对中国降水和径流变率的影响，ENSO通常更关联年际降水变率，PDO可能在十年至年代际变率中更重要；这些模态可能贡献400 mm等降水量线总体变率，但其独立和联合效应未在本研究中定量归因，需未来进一步研究。
研究结论部分翻译为：基于长期降水资料和CMIP6模式，研究人员对1950—2022年中国400 mm等降水量线进行分类，分析其时空变化特征，探讨驱动因子，并预估其在碳中和时期的位置。主要结论如下：1950—2022年中国400 mm等降水量线总体呈东北—西南向；采用SOM聚类方法将其分为三类，分别出现34年、14年和25年；年降水量上，NEWP最高，SWDP次之，NED-SWWP最低；空间上，年降水量自东南向西北呈增加—减少—增加趋势；400 mm等降水量线类型在2000年前后发生显著年代际转换；春季、夏季和秋季降水呈显著下降趋势，冬季降水逐渐增加；水汽输送和大气环流变化是年代际转换的主要原因；碳中和时期中国降水预计增加，东北显著增加，400 mm等降水量线将持续为NEWP型。该研究为理解气候变化背景下中国降水时空格局提供理论支撑，并为加强水资源管理和生态安全风险防控提供有益启示。
