《Environmental Challenges》：Bias-corrected CMIP6 ensemble projections of temperature extremes and precipitation regimes in the Omo-Kuraz Watershed, Ethiopia: Implications for water security
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可靠的气候预估在复杂地形区的流域尺度上尤为困难，因为模式偏差可能掩盖局地气候信号。本研究利用11个ENACTS站点的逐日观测资料和5个CMIP6模式，为埃塞俄比亚西南部的奥莫-库拉兹流域（Omo-Kuraz Watershed）开发了偏差校正、性能与独立性加权
可靠的气候预估在复杂地形区的流域尺度上尤为困难，因为模式偏差可能掩盖局地气候信号。本研究利用11个ENACTS站点的逐日观测资料和5个CMIP6模式，为埃塞俄比亚西南部的奥莫-库拉兹流域（Omo-Kuraz Watershed）开发了偏差校正、性能与独立性加权的CMIP6预估。研究人员评估了1985–2014年间的模式性能与模式间依赖性，随后进行了经验分位数映射（Empirical Quantile Mapping, EQM）和集合加权。研究人员在SSP2–4.5和SSP5–8.5情景下评估了温度、降水、气候极端、重现期、预估不确定性和气候信号涌现的变化。到2090年代，流域平均最高温度在SSP2–4.5下预计上升2.21 °C，在SSP5–8.5下上升3.85 °C，而最低温度分别上升2.30 °C和4.02 °C。海拔依赖性增温达到每1000 m上升1.20 °C和2.04 °C（R2 = 0.965）。年降水量分别增加3.5%和5.8%，但气候极端在SSP5–8.5下的变化更为强烈。超过历史90分位Tmax阈值的年天数从18天增加到98天/年（+444%），而R95p、R99p、Rx1day和R25mm分别增加45%、67%、38%和125%。历史百年一遇的Rx1day事件到2090年代可能约每25年重现一次。模式不确定性在约2065年前占主导地位，此后情景不确定性变得更加重要。增温信号在SSP5–8.5下约在2045年涌现，在SSP2–4.5下约在2062年涌现。这些发现表明水文气候风险日益增加，并为气候韧性水资源和基础设施规划提供了基础。
**一、研究背景与科学问题**
全球温室气体浓度持续上升正在改变全球水文循环，并增加水文气候极端事件（包括热浪、干旱和强降水）的频率与强度，对水安全、农业、生态系统和基础设施产生重要影响。政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告确认，人为强迫已明确改变地球物理气候系统并增加了许多极端事件发生的可能性。撒哈拉以南非洲地区因依赖雨养农业、人口快速增长和适应能力有限，成为受这些变化影响最为严重的区域之一。东非大部分地区经历了显著增温以及降水的高度变率，区域水文气候受到印度洋偶极子（IOD）、厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）、热带辐合带（ITCZ）、刚果盆地水汽输送以及复杂地形的共同影响。
埃塞俄比亚同样经历了显著的增温与气候变率增加，对水资源可利用量、农业生产、水力发电和生态系统服务产生深远影响。奥莫-吉贝河流域（OGRB）从埃塞俄比亚高原延伸至肯尼亚境内的图尔卡纳湖，对灌溉农业、水力发电和跨界水资源管理具有重要作用。奥莫河贡献了图尔卡纳湖超过90%的体积入流，将该流域内的气候变率与下游水资源可利用量、生态系统和生计紧密联系在一起。在OGRB内，奥莫-库拉兹流域已成为农业扩张和灌溉发展的重要区域，其温度与降水情势的变化对水资源管理、农业生产、水电运行和下游环境条件具有直接影响。
然而，专门针对奥莫-库拉兹流域的气候预估研究仍然有限。以往评估大多在更广泛的空间尺度上考察埃塞俄比亚或东非，且早期应用多依赖CMIP5模拟和相对简单的偏差校正方法。第六次耦合模式比较计划（CMIP6）提供了更新的大气和陆面过程表达，并通过共享社会经济路径（SSPs）引入了更广泛的社会经济和排放情景框架。尽管CMIP6模式集合拓宽了可探索的未来可能条件范围，但东非降水预估仍存在巨大不确定性，特别是在区域和流域尺度。因此，可靠的流域尺度预估需要仔细评估历史模式性能、考虑模式间依赖性，并在气候信息用于影响评估之前进行适当的系统性偏差校正。
本研究针对奥莫-库拉兹流域的三个关键空白：第一，经过站点验证的流域尺度CMIP6评估仍然稀缺；第二，未来气候极端受到的关注少于平均气候状况变化；第三，将历史模式评估、模式间独立性、基于分布的偏差校正、性能与独立性集合加权、极端事件分析、气候信号涌现和预估不确定性整合到一个流域尺度框架中的研究仍然有限。解决这些空白对于开发可靠的水文气候风险评估和可持续水资源管理气候信息至关重要。该论文发表在《Environmental Challenges》期刊上。
**二、研究内容与主要技术方法**
研究人员利用埃塞俄比亚国家气象研究所（NMI）通过ENACTS（加强国家气候服务）计划提供的11个气象站（覆盖流域高、中、低三个主要地貌分区，观测期1981–2022年，1985–2014年参考期数据完整度90%–98%）的逐日降水、最高温度（T
max）和最低温度（T
min）观测数据，以及来自地球系统网格联盟（ESGF）的5个CMIP6模式（MRI-ESM2-0、ACCESS-CM2、NorESM2-MM、MPI-ESM1-2-LR和CNRM-ESM2-1）的历史和未来情景模拟数据。
研究采用的主要关键技术方法包括：（1）使用泰勒技能评分（TSS）、修正的克林-古普塔效率（KGE'）和均方根误差（RMSE）评估模式历史性能；（2）通过经验分位数映射（EQM）进行偏差校正和统计降尺度；（3）采用逐次剔除一个模式（LOO）分析和层次聚类评估模式间依赖性；（4）基于性能排名和独立性因子构建加权集合；（5）计算21个ETCCDI极端气候指数；（6）使用广义极值（GEV）分布和L矩法估计重现期与重现水平；（7）按照Hawkins和Sutton方法进行不确定性分解；（8）使用信噪比（SNR）评估气候信号涌现时间；（9）采用带外部漂移的克里金插值（KED）与普通克里金（OK）进行空间插值。
**三、研究结果**
**3.1 模式性能评估与集合构建**
5个CMIP6模式的历史性能评估显示各模式具有互补优势：MRI-ESM2-0的温度表征最佳（T
max KGE' = 0.854，T
min KGE' = 0.811），MPI-ESM1-2-LR的降水KGE'最高（0.771），ACCESS-CM2具有最低的平均RMSE（1.479）。综合性能排名中MRI-ESM2-0排名第一（综合得分2.00），CNRM-ESM2-1排名第五。LOO分析表明整体历史性能不严重依赖任何单一模式，CNRM-ESM2-1被保留在最终集合中。模式间相关性介于0.32–0.78，有效集合规模为3.8（降水）至4.4（最低温度），表明5模式集合包含大量独立信息。最终集合权重为：MRI-ESM2-0（0.24）、ACCESS-CM2（0.22）、NorESM2-MM（0.21）、MPI-ESM1-2-LR（0.19）和CNRM-ESM2-1（0.14）。
**3.2 偏差校正性能与验证**
EQM在校准期（1985–2004）和独立验证期（2005–2014）均大幅降低了所有CMIP6模式的系统性偏差。以流域平均MRI-ESM2-0模拟为例：T
max偏差从?2.86 °C降至0.00 °C，降水偏差从?15.2%降至?2.2%；RMSE从3.12降至0.26 °C（T
max）、2.85降至0.33 °C（T
min）和4.2降至1.6 mm d?1（降水）。校准期与验证期KGE'值高度一致（差值不超过0.02），T
max为0.95/0.94，T
min为0.92/0.91，降水为0.80/0.78。EQM将温度误差减少了89–92%，降水偏差减少了85%，同时保持了各变量的季节性气候态和分布特征。
**3.3 平均气候的预估变化**
相对于1985–2014年基线，到2090年代SSP2–4.5下T
max和T
min分别增加2.21 °C和2.30 °C，SSP5–8.5下分别增加3.85 °C和4.02 °C。情景间T
max差异从2020年代的0.17 °C扩大到2090年代的1.64 °C，超过约0.8 °C的模式间离散度。年降水量到2090年代预计增加约3.5%（SSP2–4.5）和5.8%（SSP5–8.5），但变化主要体现在季节性降雨分布转变和更大的变率上。降水增幅最大的季节为9–11月（SON），特别是在SSP5–8.5下；3–5月（MAM）变化最小且模式离散度最大。西部高海拔地区年降水量预计增加约6–8%，而东部低地增幅较小。SSP5–8.5下SON季节的变异系数增加约50%，表明年际波动显著增强，增加了极端干旱和过度湿润期的双重风险。
**3.4 空间气候变化格局与热点区**
空间分析识别出流域内三个主要气候风险区：西北高地为主要的增温热点区，东北源区为主要的降水热点区，东南低地（包括奥莫-库拉兹灌溉区）为最易受降水变率增加及相关洪水和干旱风险影响的区域。增温显示出强烈的海拔依赖性：SSP2–4.5下每1000 m增温1.20 °C（R2 = 0.965），SSP5–8.5下每1000 m增温2.04 °C（R2 = 0.965），表明高排放路径下海拔依赖性增温梯度显著增强。
**3.5 气候极端的变化**
**3.5.1 ETCCDI极端气候指数**
在SSP5–8.5下，极端高温天数急剧增加：暖昼（TX90p）从18天增至98天/年（+444%），暖夜（TN90p）从22天增至112天/年（+409%），暖 spell 持续指数（WSDI）从2天增至12天/年（+500%），而冷 spell 持续指数（CSDI）从3天降至0.5天/年（?83%）。TXx和TNn分别上升4.5 °C和4.6 °C。降水极端方面，尽管年降水仅增加5.8%，Rx1day和Rx5day分别增加38%和39%，R95p和R99p分别增加45%和67%，R25mm增加125%。连续湿日（CWD）延长36%，连续干日（CDD）减少20%。所有温度极端趋势在p < 0.001水平显著，降水极端在p < 0.01水平显著。
**3.5.2 气候极端的重现期变化**
GEV分析显示极端事件的强度和重现频率发生显著变化。SSP5–8.5下，历史10年一遇的Rx1day事件（55 mm）预计增至78 mm（+42%），重现期缩短至约4年；历史100年一遇的Rx1day事件（85 mm）增至135 mm（+59%），重现期缩短至约25年。历史100年一遇的Rx5day事件增加61%，重现期变为约22年。历史100年一遇的TXx事件重现期变为约15年。相反，历史100年一遇的CDD（85天）在SSP5–8.5下降至58天（?32%），等效未来重现期增至约200年，表明极端长干期在未来气候下变得不太可能。不确定性随重现期增加而增大。
**3.6 预估不确定性、信号涌现与适应窗口**
不确定性分解显示，2021–2040年间模式结构不确定性占总方差的约52–65%，内部气候变率贡献相对稳定的15–20%。约从2065年开始，排放情景选择成为预估不确定性的最大来源，占总方差的约48%。信噪比分析表明，SSP5–8.5下增温信号在2037年可检测（SNR > 1），到2045年明确涌现（SNR > 2）；SSP2–4.5下相应的阈值分别在2048年和2062年达到，低排放路径使气候信号涌现延迟约17年。性能与独立性加权对集合平均预估的影响小于5%，表明加权CMIP6集合具有稳健性。
**四、讨论与结论**
**讨论部分总结**
本研究的预估结果与IPCC AR6及近期针对埃塞俄比亚和东非的CMIP6评估一致，均预测21世纪持续增温且高排放情景下增幅最大。年降水量增加（3.5–5.8%）也与先前东非CMIP6研究相符，但本研究揭示未来水文气候风险更多与降水极端的不成比例增加和降雨重现期缩短相关，而非年均降水量变化。增温的海拔依赖性在SSP5–8.5下更强（2.04 °C/1000 m），可能与地表能量平衡、大气长波辐射、水汽可用性、云过程、湍流热交换和温度直减率波动等因素有关。T
min增幅大于T
max表明温室气体浓度升高导致夜间增温和长波辐射截留增强。Rx1day增幅（约38%对应4 °C增温）大致符合克劳修斯-克拉佩龙关系（每升温1 °C大气水汽容量增加约6–7%）。不确定性分析表明，改进气候模式间的差异对于提升短期预估尤为重要，而长期预估更依赖于未来温室气体排放路径。对水资源管理而言，极端降雨重现期的缩短意味着水坝、溢洪道、排水系统和灌溉基础设施的现有设计标准可能需要定期重新评估。对奥莫-库拉兹糖业发展项目而言，灌溉调度和水库运行必须考虑增加的蒸发需求和更加多变的入流。研究还比较了SSP2–4.5与SSP5–8.5，显示中等排放路径可将世纪末增温限制约1.6–1.8 °C，减少气候极端幅度并将可检测的人为气候信号涌现延迟约17年。研究局限性包括：仅选取5个模式未完全覆盖CMIP6档案的结构不确定性、EQM依赖平稳偏差校正关系、日尺度分析无法捕捉对水工设计和山洪生成重要的次日尺度强降雨过程，以及未明确评估ENSO、IOD、ITCZ变率和刚果盆地水汽输送在所选CMIP6模式中的表现。
**研究结论翻译**
本研究利用11个ENACTS站点的观测资料，为奥莫-库拉兹流域开发了由5个CMIP6模式组成的偏差校正、性能与独立性加权集合。研究整合了模式评估、模式间依赖性评估、经验分位数映射、集合加权、极端事件分析、不确定性评估和气候信号涌现，提供了SSP2–4.5和SSP5–8.5下经局地评估的气候预估。预估显示21世纪持续增温，SSP5–8.5下增温显著更大。到2090年代，流域平均最高温度在SSP2–4.5下预计增加2.21 °C，在SSP5–8.5下增加3.85 °C；最低温度分别增加2.30 °C和4.02 °C。增温在西北高地最强，呈现出明显的海拔依赖性空间格局。年降水量变化相对温和，到2090年代SSP2–4.5下为3.5%，SSP5–8.5下为5.8%。相比之下，气候极端显著加剧，特别是在SSP5–8.5下。超过历史90分位日最高温度阈值的年天数（TX90p计数）增加444%，Rx1day、R95p、R99p和R25mm分别增加38%、45%、67%和125%。相反，连续干日（CDD）减少20%，而连续湿日（CWD）增加36%。广义极值分析进一步表明，历史百年一遇的Rx1day事件到2090年代可能约每25年重现一次，凸显向更频繁极端降雨事件的显著转变。预估不确定性来源也随时间变化：气候模式间差异在早期几十年对预估不确定性的贡献更大，而情景不确定性在约2065年后变得日益重要。受迫增温信号预计在SSP5–8.5下约2045年、SSP2–4.5下约2062年从历史变率中涌现。尽管各预估幅度仍存在不确定性，但集合中一致的增温以及多种温度和降水极端的广泛加剧表明未来气候变化的明确方向。总体而言，结果表明奥莫-库拉兹流域的气候风险更可能由升高的温度和加剧的极端事件驱动，而非仅由年均降水量变化驱动。这些发现为气候韧性水资源管理、灌溉规划、水库运行和水力基础设施设计提供了量化基础，并为更广泛的奥莫-库拉兹研究框架内后续的水文、泥沙、灌溉和水管理响应评估确立了所需的气候强迫输入。
