CORDEX模型在东北非和阿拉伯半岛的降水不确定性评估：区域、驱动全球气候模式和区域气候模式配置的贡献

《Atmospheric Research》：Evaluation of precipitation uncertainty in CORDEX models over North-Eastern Africa and the Arabian Peninsula: contributions of domain, driving GCM, and RCM configuration

　　

•区域气候模式（RCMs）在保留大尺度降水格局的同时，增加了更精细的空间变异性。
•区域气候模式减少了主要的季节性降水偏差，但部分保留了全球气候模式（GCM）的错误。
•地形效应强烈影响区域气候模式的偏差，其中RCA4的海拔依赖性比RegCM4更强。
•驱动全球气候模式是降水不确定性的主要来源（48.1%），其次是区域气候模式（26.4%）和区域设置（25.5%）。
•预期的降水变化对区域气候模式的不确定性具有稳健性，但仍受全球气候模式和区域设置不确定性的强烈影响。

引言

气候变化适应策略需要与地方决策相关的时间和空间尺度的气候信息，尤其是对于水资源、农业和生态系统管理等气候敏感领域（IPCC, 2021；Giorgi, 2019）。在东北非和阿拉伯半岛等干旱和半干旱地区，水资源对气候变率高度敏感，可靠地评估当前和未来的降水仍然极具挑战性。尽管年降雨量较低，该地区仍频繁受到强烈的大气相互作用、季风影响和强烈地形梯度所导致的极端降水和山洪影响（Almazroui等，2017；Ongoma等，2018；Waberi等，2023）。因此，准确表征这些过程需要高分辨率气候模拟，以捕捉区域尺度环流特征和局部降水极端事件（Haleakala等，2022；Giorgi, 2019）。

全球气候模式（GCMs）被广泛用于模拟气候系统，包括大气、海洋和陆地表面，提供大尺度气候变率和变化的预测（Almazroui等，2017；Ongoma等，2018）。然而，其粗糙的空间分辨率（通常为几百公里）限制了其捕捉局部过程的能力，如地形梯度和区域环流特征，而这些过程对于准确表征降水格局至关重要。为了解决这些局限性，区域气候模式（RCMs）在过去几十年中得到了持续的开发和改进（Giorgi, 2019）。通过将全球气候模式的输出进行动态降尺度到更精细的分辨率，区域气候模式改进了中尺度过程和地形效应的表征（Gutowski Jr.等，2016）。然而，动态降尺度提出了关于大尺度强迫和区域气候信息之间一致性的根本问题。区域气候模式应该保留从驱动全球气候模式继承的大尺度气候信号，同时添加物理上有意义的区域尺度细节。这种增加的分辨率是否提供了真正的附加价值，或者是否引入了额外的不确定性，仍然是区域气候模拟中的核心问题（Laprise, 2008；Diaconescu和Laprise, 2013；Di Luca等，2012）。"大兄弟实验"和完美边界条件方法等方法论框架（例如Denis等，2003）强调了理解区域气候模式如何响应侧向边界强迫的重要性，以及区域气候模式如何保留大尺度空间格局和时间变率，还有精细的区域变异性如何从大尺度约束中涌现。解决这些问题需要区分大尺度强迫、区域模型结构和区域设置在塑造降水偏差、变率和气候变化信号中的各自作用。

协调区域气候降尺度实验（CORDEX）为评估区域气候模拟和评估影响区域气候预测的一些不确定性提供了国际协调框架（Gutowski Jr.等，2016）。CORDEX在世界气候研究计划（WCRP）下建立，旨在使用多个区域气候模式在全球14个不同的大陆尺度区域生成动态降尺度的气候模拟（Giorgi等，2009）。区域气候模式模拟由再分析和全球气候模式的输出共同驱动，按照共同的实验方案进行。其中一些区域部分重叠，为评估区域气候模拟对区域设置的敏感性提供了机会。在CORDEX中，可以沿多个互补维度探索不确定性。由多个全球气候模式驱动的模拟可以评估给定区域气候模式的大尺度强迫相关不确定性，而单一全球气候模式驱动多个区域气候模式则使得考察驱动气候信号和相关大尺度偏差如何被不同区域模型转化、过滤或放大成为可能。重叠的CORDEX区域还提供了一个独特的框架来研究区域模拟对区域设置和侧向边界条件的敏感性。因此，CORDEX提供了一个极佳的机会来考察气候信号、偏差和不确定性如何在区域气候模拟链中传播，以及区域降尺度是减少了还是反而放大了从驱动全球气候模式继承的不确定性。

多项研究已在CORDEX框架内调查了区域气候模拟对区域设置的敏感性（Colin等，2010；Denis等，2003；Leduc和Laprise, 2009）。区域应用表明，CORDEX区域的选择可以显著影响区域气候模拟。例如，Van Vooren等（2019）比较了埃塞俄比亚西北部三个CORDEX区域的降雨模拟结果，发现非洲区域通常高估降雨，而南亚区域低估了夏季降水。类似地，Zittis等（2019）强调了多区域配置对地中海地区温度和降水的影响。在阿拉伯半岛，Syed等（2019）进一步表明，温度模拟主要对区域设置敏感，而降水则更受驱动全球气候模式的控制。最近的研究进一步通过调查不同不确定性来源的相对贡献扩展了这一分析。Legasa等（2020）应用方差分解方法量化了区域设置和模型选择对预期降水变化的各自影响。然而，每个全球气候模式-区域气候模式组合被视为单一模型，无法区分驱动全球气候模式和区域气候模式的单独效应。同样，Alkhasoneh和Rowe（2024）评估了区域设置、驱动全球气候模式和区域气候模式对中东地区CORDEX模拟的各自影响。尽管区域设置的贡献被发现低于全球气候模式和区域气候模式的选择，但使用单一区域气候模式阻止了对区域气候模式之间结构差异的任何评估。总之，这些研究表明区域设置、驱动全球气候模式和区域气候模式都对区域气候模拟中的不确定性做出了贡献。同时，它们也突出了在一个共同的实验框架内区分这些不确定性来源各自角色的困难，从而促使了本研究所进行的分析。

因此，尽管有这些努力，区域设置、驱动全球气候模式和区域气候模式之间结构差异的联合影响仍未得到充分的探索，特别是在非洲区域和中东北非（MENA）CORDEX区域所覆盖的重叠区域。这对于东北非和阿拉伯半岛的降水模拟尤为重要，因为该地区的降雨是多种大气环流、强烈地形强迫和从埃塞俄比亚高原延伸到也门半岛南部也门高原的季风影响共同作用的结果（Haleakala等，2022；Waberi等，2023）。尽管该地区大部分以干旱至超干旱气候为特征，但降水表现出强烈的空间和时间变率，从极度干旱的低地到湿润的高山地区均有分布。对流、云微物理过程和地形强迫的联合影响进一步复杂化了降水的表征，使得区域气候模拟极具挑战性。在本研究中，我们调查了CORDEX降水模拟对东北非和阿拉伯半岛区域设置、驱动全球气候模式和区域气候模式之间结构差异的敏感性。我们的目标是：（i）量化并排序这些不确定性来源对降水模拟和未来气候预测的相对贡献；（ii）使用信号与不确定性比框架评估预期降水变化的稳健性；（iii）评估动态降尺度在整个研究区域的潜在附加价值。为实现这些目标，我们分析了五个在全球和MENA CORDEX区域共有的全球气候模式-区域气候模式组合，使用RegCM4和RCA4模拟结果，以及ERA-Interim驱动的对照实验，分析历史时期（1981-2005年）和（在适用的情况下）RCP8.5情景下本世纪末的预测（2070-2100年）。

区域简介

本研究聚焦于东北非和阿拉伯半岛地区（0°-25°N，30°-60°E），这是一个以强烈地形对比和复杂大气相互作用为特征的干旱地区，红海两侧均有分布（图1）。海拔从吉布提的阿法尔洼地和阿萨尔湖（低于平均海平面153米）到埃塞俄比亚高原、肯尼亚山（5199米）以及也门西部和沙特阿拉伯西南部的高山脉，局部海拔超过……

结果与讨论

结果分为两个主要部分。第3.1节评估了全球气候模式和区域气候模式对历史降水的表征，涵盖其总体表现、平均降水气候学、地形效应、季节性以及相关的不确定性来源。第3.2节随后考察了RCP8.5情景下未来平均降水的预期变化及其相关不确定性。

结论

本研究评估了CORDEX在东北非和阿拉伯半岛的降水模拟，重点关注驱动全球气候模式、区域气候模式和区域设置在历史时期（1981-2005年）和RCP8.5情景下未来时期（2070-2100年）的各自作用。结果凸显了重大的不确定性和持续的系统性偏差，特别是在复杂地形区域，区域气候模式模拟相对于其驱动全球气候模式仅有有限的改进。

CRediT作者贡献声明

Omar Assowe Dabar：撰写-审阅与编辑、撰写-原始草稿、方法学、调查、形式分析、数据整理、概念构思。Benjamin Pohl：撰写-审阅与编辑、验证、监督、方法学、形式分析、概念构思。Pierre Camberlin：撰写-审阅与编辑、验证、监督、资源、形式分析、概念构思。Moussa Mohamed Waberi：可视化、软件、数据整理。Moussa Mahdi Ahmed：资源、调查。

资金支持

作者感谢国际原子能机构（IAEA）技术合作项目DJI7004通过FS-DJI7004-2501031奖学金提供的资金支持。

数据可用性

本研究所使用的数据集可从各自的数据提供商公开获取。CORDEX数据可通过CORDEX数据门户获得，而MSWEP和ERA-Interim数据可从各自的数据仓库获取。

未引用参考文献

Alexander, 2016
Alsaaran和Alghamdi, 2022
Belay, 2017
Krichak等, 2012

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢地球系统网格联合会（ESGF）倡议提供对本研究使用的CORDEX数据的访问权限。计算使用DNUM CCUB（勃艮第欧洲大学计算中心）的高性能计算资源完成。作者感谢国际原子能机构技术合作项目DJI7004通过FS-DJI7004-2501031奖学金提供的资金支持。作者感谢两位匿名审稿人，他们的建设性意见极大地帮助改进了本……

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