全球季风模式比较计划(GMMIP)概述

全球季风模式比较计划(GMMIP)是第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)的重要组成部分。文中首先介绍了GMMIP发起的科学背景,指出发起GMMIP的必要性和历史机遇。进一步扼要描述了GMMIP试验设计的总体思路和方案、试验的用途以及与CMIP6其他模式比较子计划的相关性。最后对GMMIP的科学意义进行了评述,指出其在提升和扩大中国季风模拟和研究领域国际影响力方面的重要作用。

近20年来气候模式的发展与模式比较计划

2 0世纪 80年代以来 ,全球气候观测系统的不断完善、国际大型外场观测试验的成功实施以及高性能计算机的飞速发展 ,为气候模式的迅猛发展提供了基础和条件。近 2 0年来气候模式的复杂程度和模拟能力得到了显著的提高 ,目前已成为研究全球和区域气候的形成及变异、气候系统各圈层之间的相互作用以及全球变化等的有力工具。对气候模式 (包括大气环流模式、陆面过程模式、海洋环流模式以及区域气候模式 )的主要发展进行综合评述 。

CMIP6通量距平强迫模式比较计划(FAFMIP)概况与评述

通量距平强迫模式比较计划(FAFMIP)是第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)的子计划之一。FAFMIP共设计了5组试验,利用CMIP6中的大气-海洋耦合环流模式(AOGCM)对海表施加动量通量、热通量和淡水通量扰动,旨在研究在CO2强迫下模式模拟的海洋热吸收,由热膨胀引起的全球平均海平面上升,及由海洋密度和环流导致的动力海平面变化等方面的不确定性。

亚洲季风降水的多模式模拟结果分析

利用参加政府间气候变化委员会(IPCC)第四次评估报告(AR4)的多个大气模式(包括中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室新发展的全球格点大气模式GAMIL)的AMIP-II(大气模式比较计划-II)积分的集合平均结果(MMEA),研究了当前大气模式对亚洲季风降水的平均模拟能力,同时也评估了GAMIL的模拟水平。对多年平均冬夏季降水的模拟研究发现:MMEA和GAMIL对冬季降水的模拟好于夏季。与以往的结果相比,MMEA对夏季印度洋和西太平洋地区降水的模拟改进不明显;部分模式能够模拟出夏季东亚副热带地区从中国东海到中太平洋的带状梅雨降水,但大部分模式的模拟强度还不够。可以看出GAMIL除了冬季印度洋和夏季菲律宾模拟的降水稍弱外,与MMEA的结果很接近。降水场的误差与环流场的误差对应。此外,作者还研究了降水的年际变化和季风爆发撤退过程的模拟能力。MMEA与观测在印度季风区降水的相关系数不如在东亚热带和东亚副热带季风区的好。各模式冬季的相关系数一般好于夏季,特别是东亚热带季风区冬季的相关系数普遍较高,而印度季风区夏季的相关系数普遍较低。MMEA对标准差的模拟并不总比单个模式的好。各个模式对东亚热带季风区冬季的降水距平同号率和降水距平百分率模拟得最好。季风爆发、撤退时降水推移的模拟也还有待于进一步提高。

IPCC AMIP模式对西南澳类季风环流的模拟

以西南澳类季风环流为出发点,考察了IPCC第四次评估报告AMIP提供的12个大气环流模式对于澳大利亚西南部(SWWA)地区降水的季节演化特征,西南澳类季风环流(SWAC)的季节特征、季节演化、对应的异常环流型及其年际变率的模拟性能进行了评估。结果表明,除了NCAR_CAM3模式以外,其余模式均能较好的再现SWWA地区近地层盛行风向季节性反转及副热带高压脊线的季节性跳跃特征。对副热带高压脊线的季节演化特征,虽然大部分模式可以模拟出其季节移动特征,但是对于副热带高压脊线的北跳、南撤时间、到达位置和年内振幅均不能很好模拟。其次,除了NCAR_CAM3,其余模式基本能刻画出与SWAC相联系的异常环流型结构;而对于SWAC的年际变率,基本所有模式均不能较好模拟。整体权衡,GISS_MODEL_E_R在模拟SWAC环流的年际变率方面表现出较其它模式稍好的性能,大致可以模拟出与观测SWAC相似的特征,对SWWA地区的冬季降水显示出了与观测相似的显著影响。

国际耦合模式比较计划及其模拟能力研究进展

国际耦合模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project,CMIP)自20世纪90年代中期创建以来迅速发展,为全球气候变化的模拟和未来预估提供了不可替代的数据支持。论文系统回顾了CMIP1到CMIP6的发展历程,包含理论框架、未来情景构建、国际参与情况等方面。在此基础上,论文全面总结了CMIP模式对全球及中国区域气温、降水及其他变量的模拟能力,并重点比较了CMIP3、CMIP5和CMIP6模式的历史试验模拟结果。随CMIP的不断发展,模式在物理参数化方案、空间分辨率等方面有了一定的提高,其模拟能力也随之不断改善。但模式对区域尺度气候特征的模拟能力仍然有限,尤其是对于中小尺度降水变化特征的模拟,并且不同模式的模拟能力存在很大差异。最后,论文针对以上问题展望了CMIP模式的可能发展方向。

东亚干旱、半干旱区夏季降水的模拟研究

将IPCC第5次评估报告国际耦合模式比较计划中的18个气候模式模拟结果与美国气候预报中心的观测资料进行对比,系统评估了18个气候模式对东亚干旱、半干旱区过去58 a(1948-2005年)夏季降水变化的模拟能力,并根据分数值的大小选取模式G1和G2进行对比分析.结果表明,G1对东亚干旱、半干旱区夏季降水变化趋势的模拟与观测资料较为一致,其中中国西北地区的降水增加,而中国东北及蒙古地区的降水表现为减少的趋势,模拟的蒙古西部地区的降水变率偏小;G2的模拟结果与观测值相差较大,尤其中国东北、西北局地及蒙古地区夏季降水的变化趋势与观测值相反.合成分析结果表明,在季风偏强年,G1模拟的夏季降水变化与观测值具有较好的一致性,即中国东北和蒙古地区降水明显偏多,但在季风偏弱年,G1模拟的夏季降水变化与观测值相比偏差较大,尤其在中国东北及蒙古地区,模拟的降水变化比观测值明显偏弱.在RCP4.5和RCP8.5排放情景下,G1的模拟结果表明到2100年大部分东亚干旱、半干旱区夏季降水呈增多趋势,其中以中国西北南部及东北地区最为显著.

全球1.5和2℃温升时的气温和降水变化预估

基于新一代全球气候模式比较计划(CMIP5)的结果,评估了全球近地面气温和降水在不同温升时,主要包括1.5和2℃温升时的响应特征.多模式集合平均结果显示,RCP2.6,RCP4.5,RCP6.0和RCP8.5情景下,全球平均气温相对于工业化前升温1.5℃的时间出现在2036,2028,2033和2025年,升温2℃的时间在后3个情景为2049,2056和2039年,而RCP2.6情景在2100年前没有达到2℃温升(尽管有些单个的模式试验可以达到).全球平均气温到达不同温升的时间主要与不同排放路径上达到的辐射强迫和排放浓度有关.不同情景达到1.5℃(2℃)温升时的辐射强迫和CO_2当量浓度值相近,分别为2.9~3.0 W/m^2^(3.7^3.9 W/m^2)以及450.6~454.1 ppm(523.0~539.1 ppm).因此,基于不同组合的排放路径选择决定了温升阈值出现的时间,1.5℃温升目标的实现可能需要开发更低的排放路径组合.利用气候敏感度为指标对不同模式间差异的分析表明,一般而言,瞬时气候响应高(偏暖)的模式到达1.5和2℃温升的时间早,瞬时气候响应低(偏冷)的模式到达的时间晚,但其他因子也可能影响到达某个特定温升的时间.进一步对多模式集合的空间分布的研究显示,在达到同一温升值时,不同情景驱动下的全球气温和降水变化的分布基本不存在差异,说明在全球和区域尺度上,气温和降水的响应特征和高低排放情景的定义(基于2100年的辐射强迫)基本无关.由此对RCP8.5情景下每升温0.5℃的模式结果分析表明,随着排放和辐射强迫的增加,全球气温和降水基本呈现出高纬温度增幅大于低纬、陆地增温大于海洋、湿润的地方降水增多、干旱的地方降水减少等未来气候变暖的普遍特征.气温每增加0.5℃的区域响应特征基本不存在差异.这说明,在全球和区域尺度上,这些变化基本都是线性的.

基于CMIP6的中国主要地区极端气温/降水模拟能力评估及未来情景预估

基于耦合模式比较计划第6阶段(the coupled model intercomparison program in phase 6,CMIP6)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主要地区1979―2014年极端气温与极端降水特征的模拟能力。通过泰勒图及各种统计参数的对比表明,全球气候模式对中国各个地区的极端降水/气温的模拟存在显著差异,对中国地区极端气温与降水模拟最好的模式是EC-Earth3。对EC-Earth3在4种未来情景下的气温/降水数据进行偏差校正,并对中国地区未来时期极端降水/气温进行了预估。结果表明:2021—2100年,中国地区升温趋势和极端降水的增加趋势显著,4种情景下的极端气温指标和极端降水指标在21世纪50年代之前是相似的,但之后变化趋势差异增加;SSP1-2.6情景下,2021—2100年升温速率和极端降水速率增加趋势较为平缓;SSP2-4.5、SSP3-7.0、SSP5-8.53种情景下,升温速率和极端降水增加速率随着模式和时间增加逐渐增大。