秘鲁东北部安第斯—亚马逊生态区CMIP6预估气候变化的空间格局

《Land》：Spatial Patterns of CMIP6-Projected Climate Change Across Andean–Amazonian Ecoregions of Northeastern Peru

　　

摘要专业翻译 秘鲁东北部的安第斯—亚马逊过渡带是南美洲气候最多样、最复杂的地区之一，然而目前对其各生态区在气候变化背景下的认知仍然有限。本研究利用耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）的五个全球气候模式（GCM）集合，在共享社会经济路径（SSP）2-4.5和SSP5-8.5情景下，评估了2031–2060年和2071–2100年亚马逊大区（Amazonas department）年平均气温、年累计降水量和入射太阳辐射的预估变化。研究使用NASA地球交换全球日降尺度预估（NEX-GDDP-CMIP6）数据集的历史数据，分析了气候的空间分布、气候异常、生态区间的变率以及模式间变率。结果表明，该大区气温普遍升高，平均异常介于1.20至3.96 °C之间；降水量增加了3.93%至16.59%，但空间异质性和模式间变率更大。太阳辐射变化较为温和，至本世纪末增幅最高达2.07 W m?2。各生态区保持了其气候差异，但山地草原和灌木丛（Montane Grasslands and Shrublands, MGS）预估的相对降水量增幅最大。气温在模式间预估变化方向上的一致性最高，而降水量和太阳辐射则表现出更大的模式间变率。这些结果提供了具有空间明确性的气候信息，可有助于安第斯—亚马逊过渡带的土地利用规划、生态系统保护以及区域气候变化适应策略的设计。这些发现也可能为景观恢复规划以及评估未来生态系统对变化气候条件的响应提供有用的气候信息。

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一、研究背景与问题

全球变暖和人类活动导致的气候系统改变，促使科学家发展出预估气温升高、降水格局变化及水文循环加剧等方法。南美洲是全球气候最多样的地区之一，南美季风、热带环流与安第斯山脉复杂地形的相互作用，产生了气温、降水和太阳辐射的强烈空间梯度，也导致其对气候变化的响应存在显著空间差异。秘鲁北部的安第斯—亚马逊地区，包括亚马逊大区，是安第斯海拔梯度与亚马逊雨林之间的过渡地带，生物多样性丰富，当地农村人口依赖生态系统服务，因此未来气候变化信息对区域规划至关重要。尽管CMIP6模式能够再现南美洲若干大尺度气候特征，但其表现在不同模式、气候变量和区域间存在差异，尤其在安第斯等复杂地形区。为此，研究者采用偏差校正和统计降尺度产品，如NEX-GDDP-CMIP6，其空间分辨率高于原始全球气候模式（GCM）输出，已被用于亚马逊地区水文和水均衡变化评估。

然而，在安第斯—亚马逊过渡带的区域和生态区尺度上，对气温、降水和入射短波太阳辐射等多气候变量的综合评估仍存在显著空白。尽管南美洲的偏差校正和统计降尺度CMIP6气候预估日益可得，但秘鲁、厄瓜多尔和哥伦比亚的大多数研究主要聚焦于国家或生物群系尺度的气温和降水，限制了在生态区尺度上比较未来气候情景下各生态区气候响应的信息。近期评估还显示，亚马逊和安第斯地区在模式性能和不确定性方面存在显著差异，凸显了在复杂地形区域采用多模式方法评估气候变化的重要性。为填补这些空白，本研究利用NEX-GDDP-CMIP6数据集的历史模拟和未来预估，评估亚马逊大区的空间气候变率及预估变化，核心目标是在生态区层面量化和比较预估的气候变化，并识别其空间格局。

二、研究内容与主要结论

研究以秘鲁东北部亚马逊大区为对象，该区涵盖三个主要生态区：热带亚热带湿润阔叶林（TSHBF）、热带亚热带干旱阔叶林（TSDBF）和山地草原与灌木丛（MGS），面积分别约为35,766.63、3,055.62和431.78 km²。研究使用NEX-GDDP-CMIP6（2.0版）数据集，历史基线为1985–2014年，未来预估时段为2031–2060年和2071–2100年，情景为SSP2-4.5和SSP5-8.5。选取五个GCM（CESM2、IPSL-CM6A-LR、MIROC6、MPI-ESM1-2-HR和MRI-ESM2-0），以等权算术多模式平均构建集合。分析变量包括近地表气温（tas）、降水（pr）和入射短波太阳辐射（rsds）。研究将日值处理为年平均值或年累计值，再对每个30年时段求平均；数据从0.25°双线性重采样至0.01°分析网格，并按亚马逊大区边界掩膜，按生态区提取数值。历史气候评估以CHELSA v2.1网格数据集为参照，计算面积加权平均偏差、平均绝对误差（MAE）、均方根误差（RMSE）和空间相关系数。气候变化分析计算气温和太阳辐射的绝对变化，以及降水的绝对和相对变化。生态区分析计算各生态区的空间均值和标准差。气候热点识别采用SSP5-8.5情景2071–2100年各变量变化的第75百分位数作为阈值。

研究得出以下主要结论。历史评估显示，气温的空间对应性最强，集合与CHELSA的相关系数为0.943，但存在2.04 °C的正偏差；降水相关性中等，集合低估年降水量416.3 mm yr^?1；太阳辐射空间对应性最低，正偏差为31.86 W m^?2。时间演变方面，历史平均气温为21.75 °C，2031–2060年SSP2-4.5和SSP5-8.5下分别升高1.20和1.53 °C，2071–2100年分别升高2.12和3.96 °C。历史平均降水量为1486.04 mm yr^?1，未来各情景和时段绝对增幅为56.86至223.50 mm yr^?1。太阳辐射历史均值为229.56 W m^?2，未来增幅为0.75至2.07 W m^?2。空间分布上，历史气温呈明显梯度，北部和东北部低地最高，南部和西南部山区最低，未来各情景下该梯度保持。降水历史高值位于北部和东北部，未来普遍增加，但模式间差异大于气温。太阳辐射历史高值位于南部和西南部，未来变化幅度较小。空间异常方面，气温异常全区域为正且相对均匀，降水异常以正为主但空间异质性大，最大相对增幅出现在南部，太阳辐射异常较小且空间范围在SSP5-8.5世纪末扩大。生态区比较显示，TSHBF始终最暖最湿，MGS最冷；SSP5-8.5世纪末，三个生态区升温幅度相近（3.84–3.98 °C）；MGS相对降水增幅最大（31.28%），TSDBF为21.36%，TSHBF为16.00%；TSHBF太阳辐射增幅最大（2.24 W m^?2）。气候热点方面，气温热点仅出现在TSHBF（占其面积27.38%），降水热点覆盖TSHBF的21.56%、TSDBF的53.77%和MGS的100%，太阳辐射热点仅出现在TSHBF（27.42%）。模式间变率与方向一致性方面，气温在全区域100%的模式方向一致，降水以80%一致性为主，太阳辐射以60%一致性为主；降水模式间标准差最大（14.49–48.94个百分点），太阳辐射次之（1.03–4.82 W m^?2），气温最小（0.91–1.19 °C）。

三、讨论与结论

讨论部分指出，气温的历史对应性优于降水，这与先前在秘鲁和热带安第斯地区的CMIP6评估一致，降水因受复杂地形、水汽输送和局地降雨过程影响而更难再现。与CHELSA的比较属于两个网格数据集之间的对应性描述，而非对站点观测的独立验证。未来预估的空间格局与历史大致相似，主要体现为量级变化而非分布转移。气温异常全区域为正且空间一致，降水异常空间异质性大，太阳辐射异常较小但方向不一致。生态区间差异表明，不同生态区面临不同的气候变化组合，对生态系统管理和恢复规划具有参考价值。模式间变率分析显示，气温响应最一致，降水次之，太阳辐射最不一致，这与CMIP6在南美和热带安第斯的研究一致。研究对景观恢复的启示是，恢复行动需考虑未来气候条件，不同生态区可能需要差异化的恢复策略，但预估的气候暴露不等于生态系统脆弱性或恢复力的直接度量。

研究结论部分可翻译为：本研究利用五个NEX-GDDP-CMIP6气候模式集合，在SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下评估了秘鲁东北部亚马逊大区年平均气温、年累计降水量和入射短波太阳辐射的预估变化。分析表明，预估变化的量级和空间变率在不同气候变量和生态区之间存在差异。气温在所选模式中变化方向最一致，全区域普遍升温，最大增幅出现在SSP5-8.5情景2071–2100年。降水量平均增加，但空间和模式间变率更大，而入射短波太阳辐射变化的空间均匀性较低。尽管如此，三个气候变量的主要历史空间格局在未来预估中大致保持。生态区间也存在差异，TSHBF仍为最暖最湿的生态区，MGS保持最低平均气温并在SSP5-8.5世纪末出现最大相对降水增幅，但后者需在气候数据支持的空间尺度上解释。研究存在若干局限：基于五个等权GCM，代表所选集合而非全部CMIP6模拟；有效气候分辨率仍为0.25°，限制了局地尺度气候变率的表征；降水和太阳辐射的模式间变率大于气温；历史评估基于与CHELSA v2.1网格数据的比较而非直接站点观测；年气候变量无法捕捉季节格局或极端事件。总体而言，研究结果为环境异质性强的区域提供了空间明确的气候信息，通过将CMIP6气候预估与基于生态区的评估相结合，可为气候知情决策、保护和景观恢复规划提供支持，并可作为未来安第斯—亚马逊地区生态系统响应和恢复力评估的输入。