基于CMIP6气候模式的西南地区极端气候指数评估与预估

采用8个常用极端气候指数评估第六次国际耦合模式的相互比较计划模式(CMIP6)对中国西南地区1990—2014年极端气温与极端降水特征的模拟能力,并采用4个共享社会经济路径及代表性浓度路径(SSP-RCP)组合情景,预估2023—2100年该地区极端气候事件变化趋势.结果表明:①CMIP6大部分模式能模拟西南地区极端气温自西到东逐渐升高、在南部边缘极端降水较多的空间分布特征;极端气温比极端降水的模拟效果更好;②相比观测值,预估的2015—2022年西南地区极端高温偏低,极端低温偏高,极端降水指数偏低;③未来2023—2100年的4个情景下,极端高温、暖昼日数和极端低温均呈上升趋势,冷夜日数呈下降趋势,未来西南地区具有较大的概率出现高温事件,出现低温事件的可能性降低;降水强度、最大连续5 d降水量和强降水总量呈上升趋势,未来中国西南地区降水强度和降水量将增加.

基于CMIP6气候模式和两种水文模型综合集成预估的黄河源区未来40年流量变化

基于两个共享社会经济低碳路径(SSP1-2.6、SSP2-4.5)下的CMIP6中的8个GCMs气候模式进行黄河源区2021—2060年平均气温和降水量预估。在此基础上,利用CMIP6中的8个GCMs气候模式分别驱动HBV、SWAT水文模型综合集成预估了黄河源区2021—2060年流量的年代际变化。结果表明:SSP1-2.6、SSP2-4.5情景下,2021—2060年黄河源区呈暖湿化趋势,平均气温较基准期(1995—2014年)分别上升1.3℃、1.6℃,年降水量分别增加11.6%、11.5%。SSP1-2.6、SSP2-4.5情景下2021—2060年黄河源区年平均流量分别增多8.6%、8.5%;两种情景下黄河源区21世纪各年代际流量均增加,其中21世纪20年代和30年代流量增幅小于40年代、50年代流量增幅。SSP1-2.6、SSP2-4.5情景下黄河源区2021—2060年6—8月流量减幅在1%以下,而3—5月和9—12月流量增幅为0.1%~2.1%。SSP1-2.6、SSP2-4.5情景下黄河源区蓄水期(9—11月)极端丰水流量增加2.5%~2.7%,SSP1-2.6情景下黄河源区2021—2060年汛期(6—8月)极端丰水流量总体增加0.1%,SSP2-4.5情景下黄河源区汛期极端丰水流量减少1.3%,SSP1-2.6、SSP2-4.5情景下黄河源区枯水期(12至次年5月)极端丰水流量减少0.7%~1.0%;黄河源区汛期(SSP1-2.6和SSP2-4.5情景)及枯水期(SSP1-2.6情景)极端枯水流量较基准期增加0.8%~1.9%,两种情景下黄河源区蓄水期极端枯水流量减少1.8%~2.3%。

不同水平分辨率区域气候模式对青藏高原气候特征模拟

青藏高原地区气候特殊、地形复杂,气象观测站点稀少,对其区域气候和水循环过程的观测和模拟存在很大的困难。本文基于RegCM模式和WRF模式,探究不同水平分辨率10km、25km、50km下区域气候模式对该地区1989—2008年气候时空分布规律的模拟能力。研究结果表明:在10 km水平分辨率下,RegCM模式模拟多年平均气温绝对误差为0.33℃,WRF模式模拟绝对误差为1.77℃,比25 km和50 km水平分辨率下绝对误差减少1.60~2.12℃,且四季气温模拟值与实测值的相关性有所提高;随着水平分辨率的提高,WRF模式对青藏高原东南部和南部的降水量高估有所改善,RegCM模式模拟值逐渐接近实测值(模拟年降水量相对误差由169%降至75%)且对高原北部降水量的模拟有所改善,但整体上模式对降雨的高估依然存在;两个模式随水平分辨率的提高对地形起伏最大的雅鲁藏布江源区降水量的误差减少最为明显。本研究可为揭示气候变化下青藏高原水文响应机理奠定基础。

未来气候模式下黄河流域极端降水指数时空分布特征

以气候变化敏感区黄河流域为研究区,再现和预估流域内极端降水事件的时空分布特征。采用Delta降尺度以及多指标评价方法建立CMIP6气候模式数据集,选取12个极端降水指数研究极端降水指数的时空分布特征。结果表明,黄河流域历史(1980—2014年)及SSP126、SSP245、SSP585情景下未来(2022—2100年)除连续干日数(CDD)外的11个极端降水指数多年均值的空间格局相似,整体上呈现出由东南向西北递减的趋势,南北向变化率比东西向的大。年际上,11个极端降水指数均呈现不显著的波动性上升趋势。整体上各极端降水指数呈现波动性上升趋势,但上升趋势并不显著。

CMIP6全球气候模式对中国气温模拟的BMA方法评估

选用CMIP6中13种全球气候模式数据,以CN05.1数据作为实测资料,对1961—2014年中国气温进行模拟及模式能力评估。采用BMA、泰勒图评估模式排名,并将BMA与算术平均(AVG)集合结果进行比较。结果表明,泰勒图评分和BMA权重在最优和最劣模式评价中基本一致,模拟效果最好的两种模式为ACCESS-ESM1-5、INM-CM5-0。BMA集合模拟结果优于AVG方法,CN05.1、BMA、AVG方法得到的中国多年平均气温分别为6.18、5.95和4.92℃,BMA方法通过权重调节使整体系统误差最小。BMA和AVG方法集合的CMIP6气候模式在对中国气温模拟的空间分布形式上与实测差距不大,而局部地域分布情况有所区别。BMA方法不仅可以对CMIP6模式进行有效评估,并且其集合模拟结果的时间及空间变化情况都与实测值更接近。

FGOALS高分辨率气候模式系统模式研制与应用综述

当今气候系统模式发展的重要趋势之一,是通过提高模式的空间分辨率,改进对气候系统中多尺度相互作用过程和极端事件的模拟能力。过去5年里,中国科学院大气物理研究所发展并完善了25 km分辨率大气环流分量模式FAMIL2.2、1/10°分辨率海洋环流分量模式LICOM3.0,并以此为基础建立了高分辨率气候系统模式FGOALS-f3-H。利用上述高分辨率模式,开展了大量的数值模拟试验和预报/预测研究,其中包括国际耦合模式比较计划第六阶段(CMIP6)的高分辨率模式比较子计划(HighResMIP),建立了海洋环流预测系统(LFS)等。初步评估分析表明,相对于低分辨率模式,高分辨率模式对气候平均态和气候变率的模拟能力均有明显改进。其中高分辨率大气环流模式可以更好地模拟台风、极端降水事件,高分辨率海洋模式可以更好地模拟海洋中尺度涡旋和西边界流,而高分辨率耦合模式则可以更好重现中尺度海气相互作用过程、热带不稳定波动(TIW)等事件。

CMIP5/6气候模式对ElNiño多样性模拟能力的评估

利用第五次和第六次国际间耦合模式比较计划(coupled model intercomparison project,CMIP)中全球气候模式的历史时期和未来增暖情景模拟结果,结合观测资料,文章对比评估了23个CMIP6模式和32个CMIP5模式对El Niño多样性的模拟能力,并预估了东部(eastern Pacific,EP)型和中部(central Pacific,CP)型El Niño对未来全球变暖的响应特征。结果表明,绝大多数CMIP5/6气候模式能够合理地模拟El Niño的多样性特征,且CMIP6多模式的模拟性能较CMIP5有明显提升。CMIP6模式不仅减弱了EP型El Niño空间模态模拟的离散性,而且还显著提高了CP型El Niño空间模态的模拟能力;CMIP5/6多模式基本能够模拟出两类El Niño的季节锁相性特征,但CP型El Niño衰亡时间较观测明显滞后3个月;同时CMIP5/6多模式模拟的EP型El Niño强度与观测值较为接近,但CP型El Niño的振幅却强于观测。在未来全球变暖背景下,CP型El Niño事件的发生频率相对于EP型事件将趋于降低;EP型和CP型El Niño振幅强度随着全球变暖加剧将被增强,且EP型增强幅度显著强于CP型。

气候模式CAS-ESM-C对1月热带太平洋流场模态的模拟评估

利用气候模式CAS-ESM-C从1922年起84年的模拟资料,对1月份热带太平洋上层流场作复EOF分解及小波分析,并与实况以及理论解析解作对比讨论,以考察模式对赤道大洋上层流场的模拟能力,得到主要结论:(1)复EOF分解前3个模态的方差贡献为53.5%、12.9%、9.5%,累积方差贡献为75.9%,累积方差贡献比实况更高。(2)第一、二模态空间场与实况相比总体相像,流场都为赤道所俘获,在俘获区内的流场均以偏纬向流为主;差异在于模拟资料分析的赤道俘获区范围较实况要大,流场的经向流分量及越赤道流也较实况明显。(3)第一、二模态实时间系数序列无线性变化趋势,而实况则有。复EOF模态年际及年代际变化与实况相同或相近;第一、二模态中3~7年的年际变化是厄尔尼诺与南方涛动(ENSO)的反映;第一模态22~23年的年代际变化受北太平洋主要气候模态北太平洋年代际振荡(PDO)对热带太平洋的影响,而第二模态13年的年代际变化是受北太平洋次要气候模态北太平洋环流振荡(NPGO)对热带太平洋的影响;第一、二模态还都有峰值16年的年代际变化,这可能与印尼穿越流有关。(4)模拟资料分析的结果具有理论解析解中流场为赤道所俘获及流场为纬向流的特点,只是解析解中因无风应力强迫,流场呈纯纬向流。(5)第一(二)模态在赤道太平洋东部(中部)有海温动力异常,并可称之为东(中)部型ENSO模态。气候模式CAS-ESM-C对热带太平洋上层流场的模拟表现较佳。

东南亚地区未来气候变化的区域气候模式预估

在联合区域气候降尺度试验CORDEX(Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment)的框架下,使用全球气候模式MPI-ESM-MR(简称MPI)的模拟结果,驱动区域气候模式RegCM4(Regional Climate Mode version 4),开展了在中等温室气体排放路径RCP4.5下的东南亚区域21世纪气候变化预估试验。试验中模式的水平分辨率为25 km×25 km,积分时间为1981~2099年。模式对东南亚区域当代(1986~2005年)气候的模拟结果表明:MPI与RegCM4对这一区域年平均气温、降水的空间分布特征均具有较好的模拟能力;相比于全球模式,高分辨率的RegCM4提供了空间分布上更为精细的气候信息,但其模拟的气温存在系统性冷偏差,对降水的模拟则普遍偏多。对未来气候变化的预估显示,MPI与RegCM4预估的未来气温均一致表现为增加,至21世纪末期(2081~2099年),预估的区域年平均气温升高幅度分别为1.8℃和1.7℃。二者对降水的预估则存在较大差异,MPI预估的年平均降水有不同程度增加,而RegCM4则出现减少现象,特别是在海洋大陆地区。两者预估的21世纪末期区域年平均降水变化分别5%(90 mm)和−6%(−147 mm)。RegCM4对极端温度指数的预估结果表明:未来东南亚地区高温热浪事件将持续增多,极端冷事件相应减少;在海洋大陆地区,降水强度和连续无雨日数出现同时增加现象,表明该地区洪涝和干旱风险未来均将增大。

多气候模式的全国月降水预测能力评价及偏差校正

月降水预测对水资源配置和规划管理等具有重要意义,但其受到多种因素的影响,预测难度和不确定性均较大。为探究基于气候模式的月降水预测在中国区域的表现和偏差校正方法对预测能力的影响,以中国内地为研究区域,选取1981-2014年为研究时段,评价了九种气候模式(CFSv2,SEAS5,CanSips,GEMNEMO,CCSM4,GFDL,CanCM3,CanCM4,GEOSS2S)在不同预见期下对月降水的预测能力,采用聚类分析方法分析了气候模式的预测能力随预见期的变化规律,并采用线性偏差校正方法(Linear Scaling,LS)和分位数映射校正方法(Quantile Mapping,QM)对降水进行后处理,比较了两种偏差校正方法在验证期(2008-2014年)的校正效果。结果表明:(1)不同气候模式之间对降水的预测精度差异较大,对夏季降水的预测能力因预见期和预测区域而异,其中SEAS5模式在不同经纬度和不同预见期下的综合表现均最优,且其预测能力随预见期的延长变化稳定;(2)偏差校正对所有气候模式的降水预测均有明显的改进效果,两种偏差校正方法的效果相近,但经过LS方法校正后降水的平均绝对相对误差小于50%,总体上略优于QM方法,此外经过偏差校正后SEAS5模式的综合表现依然最优。研究结果揭示了SEAS5模式对中国内地月降水预测的优势和偏差校正方法对气候模式预测能力的提升作用,可为基于气候模式的降水预测应用提供参考。

未来3种气候模式下的阔叶林森林空间结构优化

全球气候变化对森林生态系统造成了重大影响,构建气候模式下的阔叶林森林空间结构优化模型可应对气候变化,同时进行林木数量上的恢复和保护。选择湖南省龙虎山林场1 600 m2的固定样地,模拟林木在林分中的位置,采用改进多族群PSO算法并结合气候敏感的树高-胸径的广义模型,开展RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5气候情景下15 a后森林空间结构优化研究。结果表明,RCP2.6气候情景下样地择伐4株树后效果最明显,林分调整后的混交度、林层指数、开阔比数、大小比数以及林分均质性指数均增加,竞争指数、角尺度以及空间密度指数均下降,其中竞争指数和开阔比数变化最大,为-26.877%和28.148%;RCP4.5气候情景下该样地择伐8株树后效果最明显,林分调整后的混交度、林层指数、开阔比数、大小比数、均质性指数等均增加,竞争指数、角尺度以及空间密度指数均下降,其中开阔比数和均质性指数的变化最大,为21.43%和38.01%;RCP8.5气候情景下该样地择伐7株树后林分优化为最佳状态,林分调整后的混交度、林层指数、开阔比数、大小比数、均质性指数均增加,竞争指数、角尺度以及空间密度指数均下降,其中竞争指数和均质性指数的变化最大,为-10.34%和29.23%。分析发现,3种气候情景下调整后的林分结构皆优于调整前,林分的生长在RCP2.6气候情景下较为敏感。

BCC-CSM2-MR全球气候模式对东亚地区降水和气温的模拟评估

全球气候模式BCC-CSM2-MR(Beijing Climate Center-Climate System Model version 2-Medium Resolution)由国家(北京)气候中心自主研发并参与了第六阶段国际耦合模式比较计划,该模式在BCC-CSM1.1m版本基础上对大气辐射传输、深对流过程及重力波等方面进行了优化,因此,该模式对东亚地区降水和气温模拟能力的改进亟需进一步评估。本文主要基于不同格点观测数据集与中国区域站点观测数据,系统对比分析BCC-CSM2-MR、BCC-CSM1.1m两个模式版本对东亚地区季节平均降水(气温)和日极端降水(气温)的模拟能力。结果表明:(1)相比BCC-CSM1.1m,BCC-CSM2-MR改进了对东亚大部分区域季节平均降水的模拟能力,尤其是青藏高原地区夏季平均降水,明显提高了对中国东南地区、朝鲜半岛及日本降水月际变化的模拟性能;(2)BCC-CSM2-MR对东亚地区季节平均气温模拟能力改进不明显,且对东亚大部分区域气温月际变化的模拟误差大于BCC-CSM1.1m;(3)对日极端降水(气温),BCC-CSM2-MR的模拟能力优于BCC-CSM1.1m,明显提高了对中国东南地区日极端降水(气温)的模拟能力。总体而言,BCC-CSM2-MR在深对流过程参数方案中的改进有利于对东亚地区降水的模拟。

CMIP6气候模式对祁连山地区气温要素模拟能力评估

文章采用客观评价、年际变化模拟、水平分布模拟等方法评估了10个全球气候模式对祁连山地区气温要素模拟能力,结果表明,10个全球气候模式都能模拟出1970年至2014年祁连山地区气温变化的大致趋势;其中,模式CESM-WACCM对祁连山地区气温要素模拟能力最优,再现了气温空间分布特征;均方根误差RMSE、虚报比例FAR(False Alarm Ratio)、频率偏离指数FBI(Frequency Bias Index)和公正预兆得分ETS(Equitable Threat Score)4项评估指标在模式客观评价中具有较高的参考价值。评估结果对预测祁连山地区未来气候变化、研究气候变化机制、应对气候变化等方面具有一定的应用参考价值。

气候模式对东北三省降水模拟能力评估及预估

利用CMIP 5全球气候模式、RegCM 4区域气候模式数据集和中国东北三省162个气象站降水观测资料,评估了CMIP 5和RegCM 4模式对中国东北三省降水的模拟能力,并对RCP 4.5和RCP 8.5温室气体排放情景下东北三省未来降水的变化进行了预估。结果表明:CMIP 5和RegCM 4模式均能较好地模拟东北三省年及四季降水量的变化,可再现东北三省降水量由东南向西向北递减的空间分布形势,但模拟的降水中心偏北,模拟的降水强度偏强;两个模式对夏季降水的模拟优于冬季,对冬季降水的模拟存在较大偏差。总体而言,全球气候模式CMIP 5对东北三省降水的模拟结果较好。对东北三省降水量的预估表明,在RCP 4.5和RCP 8.5情景下,全球气候模式CMIP 5预估东北三省年和四季降水量均呈不同程度的增加,其中对冬季降水量预估的偏差百分率增幅最大。在RCP 8.5情景下,东北三省降水量增幅显著,预估未来东北三省降水增加量基本呈由南向北逐步递减的分布,降水偏差百分率基本呈由西南向东北递减的分布。在RCP 4.5情景下,东北三省降水量增幅较小,预估未来东北三省降水量总体呈由东南向西北递减的分布,降水偏差百分率基本呈由西向东递减的分布。

气候模式研究进展

首先介绍了气候模式的发展历史、基本结构及其组成成分之间的耦合,然后阐述了大气环流模式、海洋环流模式、海冰模式和陆地表面模式,并依次介绍了零维模式、辐射对流模式、较高维模式、中度复杂的地球系统模式、全球气候模式以及区域气候模式,最后对气候模式的未来发展做了概括与论述,并针对其存在的不足提出了相关的建议和发展目标。

动力气候模式预测系统业务化及其应用

动力气候模式是目前国际上开展气候预测的主要工具。经过 8年多的研制、发展和业务化过程 ,国家气候中心已建立起第一代动力气候模式预测业务系统 ,并以此为平台 ,形成了一套包括月、季节到年际时间尺度的动力模式预测业务。 2 0年历史回报试验和 1年多的试验性业务运行结果表明 ,该系统对东亚区域的季节预测具有较好的预测能力 ,其预测结果已经在实际业务中得到了应用 ,并成为我国短期气候预测业务的重要参考依据。该文是对该动力模式系统性能的介绍 ,也是对国家“九五”重中之重课题的加强课题“短期气候预测综合动力模式预测系统业务化”专题的总结汇报。

区域气候模式对中国东部季风雨带演变的模拟

本文给出了应用区域气候模式对中国东部夏季雨带演变过程模拟的主要结果。模拟试验分别对正常季风年（１９７９）和湿季风年（１９９１）（均由观测场驱动）以及连续３年（全球大气环流模式驱动）的夏季降水场进行，并同观测场进行了比较。结果表明，模式基本上能抓住夏季雨带的主要位置和它的演变特征，与实况相比明显优于全球模式的结果。但模拟的雨带具体位置并不总是与观测值十分吻合，有些旬（或候）差别比较大，模拟的降水量与观测值的相关系数最大仅０４０左右。以上结果表明，为正确模拟东亚季风雨带的演变还需要对决定区域气候的主要物理过程在参数化方面作进一步的改进。

CMIP5全球气候模式对中国地区降水模拟能力的评估

使用多种观测资料和43个参加耦合模式比较计划第五阶段(CMIP5)的全球气候模式模拟数据,评估分析了全球气候模式对中国地区1980—2005年降水特征的模拟能力。结果表明:多数CMIP5模式能够模拟出中国降水由西北向东南递增的分布特点,这与耦合模式比较计划第三阶段(CMIP3)的模式模拟结果类似,但华南地区降水模拟偏少,西部高原地区降水模拟偏多。模式能够较好地模拟出降水冬弱夏强的季节变化特征,但降水模拟系统性偏多。从EOF分析结果来看,多数CMIP5模式可以再现中国地区年平均降水的时空变化特征,集合平均的表现优于CMIP3。多模式集合在月、季、年时间尺度下模拟的平均值优于大部分单个模式的结果。CMIP5中6个中国模式的模拟能力与其他模式相当,其中FGOALS-g2、BCC-CSM1-1-m的模拟能力相对较好。

我国动力气候模式预测系统的研制及应用

动力气候模式是目前国际上开展气候预测的主要工具。经过8年多的研制和发展,国家气候中心已建立起第一代动力气候模式预测业务系统,并以此为平台,形成了一套包括月、季节到年际时间尺度的模式预测业务。20年历史回报试验和1年多的试验性业务运行结果表明,该系统对东亚区域的季节预测具有较好的预测能力,其预测结果已经成为我国短期气候预测业务的重要参考信息。

全球气候模式对宁夏区域未来气候变化的情景模拟分析

利用多个全球气候模式（GCM）的情景模拟结果分析只考虑温室气体效应的IS92a GG情景和同时考虑温室气体效应和硫化物气溶胶辐射效应的IS92a GS情景以及SRES A2、B2情景下宁夏区域21世纪地面气温和降水量的可能变化，并进行不确定性分析。气候基准时段（1961～1990年）模拟结果与观测资料的对比分析表明，GCM对宁夏气候具有一定的模拟能力；整体上讲，GCM对地面气温的模拟值偏低，对降水量的模拟值偏高，其中ECHAM4和HadCM3对宁夏基准时段地面气温和降水量的模拟结果与观测比较接近。各GCM模拟值的平均结果显示，4种温室气体排放情景下21世纪宁夏区域气温持续升高，至21世纪末宁夏升温幅度可达4～6℃，与全国平均的增温幅度大致相当；与升温趋势相应的是降水量的增加，但降水变化呈现出很大的波动性，至21世纪末宁夏的降水变化幅度可达10％～40％。各个GCM模拟的宁夏气候变化的总趋势是一致的，但各模式在不同情景下模拟结果的差异很大，存在较大的不确定性。