天山典型流域水文多要素模拟与气候变化影响预估

天山区域地形多变,景观异质性强,水文过程极其复杂,全球变化对该地区水安全带来新的挑战和更大不确定性。亟需通过流域水文模型系统定量模拟和预估天山典型流域水文过程,以更好地支撑区域发展。本研究基于改进的FLEXG-Δh模型,定量模拟了天山4个典型流域的历史径流过程,并预估了流域内2282条冰川物质平衡和面积的未来变化,进一步通过情景模拟分析了各海拔高程带径流等水文多要素的响应机制。研究发现:(1)FLEXG-Δh模型对历史径流过程具有较高模拟精度,率定期平均Kling-Gupta效率系数(IKGE)为0.75,检验期平均IKGE为0.60。(2)随海拔上升,径流量和蒸发量呈现先增后减趋势,最大值分别出现在海拔4000 m和2000 m,并分别受冰川覆盖和植被分布影响。(3)未来到2100年,低于4500 m海拔的冰川消融明显。在SSP1-RCP2.6和SSP5-RCP8.5情景下,研究区内分别有145和222条冰川完全消融,冰川总体积分别减少1.81×10^(4)km^(3)(占现有冰川体积的54%)和2.44×10^(4)km^(3)(占现有冰川体积的73%)。在SSP5-RCP8.5情景下,升温导致蒸发量增加,与冰川变化叠加,导致径流深在海拔4000 m以下地区减少0.16~1.40 mm·a^(-1),在4000 m以上地区则增加0.20~0.67 mm·a^(-1)。本研究揭示了天山地区景观垂直地带性(森林、冰川等)与气候(水分和热量)间很强的时空规律性,并预估了全球变化对天山地区水资源垂直地带性的影响,以期为区域水资源合理利用和可持续发展提供支撑。

CMIP5 模式对西太平洋副热带高压的模拟和预估

利用国际耦合模式比较计划第五阶段(CMIP5)26个模式的模拟结果,从空间分布和振幅变化、年际周期及年代际趋势等方面,初步评估了CMIP5模式对西太平洋副热带高压(副高)的模拟能力。在此基础上,还对未来不同典型浓度路径(RCPs)情景下副高的可能变化给出了定性的预估。CMIP5模式历史试验结果显示,大多数模式对500 hPa位势高度气候平均值的模拟有明显误差,这主要是由于模式对热带印度洋和西太平洋地区海表温度(SST)的模拟普遍较观测值低,从而导致模式对副高的模拟能力有限。但大多数模式对高度场和纬向风场变化的空间形态与振幅都有较强的模拟能力。因此,通过用NCEP/NCAR再分析资料的气候平均值替代CMIP5模式气候平均值的简单方法,对CMIP5模拟结果进行了订正。经订正后的模式结果均有能力刻画副高指数的历史时间序列,且能够反映出20世纪70年代末期之后,副高面积增大、强度增强和显著西伸的变化趋势。此外,通过对副高指数的长期趋势、年际周期及标准差等的定量评估,注意到CNRM-CM5、FGOALSg2、FIO-ESM,MIROC-ESM和MPI-ESM-P这5个模式对副高的模拟能力较强。未来气候预估试验中,副高面积和强度均增大,且显著西伸;其线性增长趋势在RCP8.5情景下最高,RCP4.5情景下次之,RCP2.6情景下最弱。有趣的是副高脊线指数在3种排放情景下都没有明显的长期变化趋势。这些结果为选取和利用CMIP5模式进行东亚地区气候变化的归因分析和未来预估提供了一定的科学依据。

华东地区极端降水动力降尺度模拟及未来预估

利用CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5)数据集中的全球模式IPSL-CM5A-LR及其嵌套的区域气候模式WRF (Weather Research and Forecasting),分别评估了模式对1981～2000中国华东区域极端降水指标的模拟能力,并讨论了RCP8.5排放情景下21世纪中期(2041～2060年)中国华东极端降水指标的变化特征。相比驱动场全球气候模式,WRF模式更好地再现了各个极端指数空间分布及各子区域降水年周期变化。在模拟区域气候特点方面,WRF模拟结果有所改进,并在弥补全球模式对小雨日过多模拟的缺陷起到了明显的作用。21世纪中期,华东区域的降水将呈现明显的极端化趋势。WRF模拟结果显示年总降雨量、年大雨日数、平均日降雨强度在华东大部分区域的增幅在20%以上;年极端降雨天数、连续5 d最大降水量的增幅在华东北部部分区域分别超过了50%和35%,同时最长续干旱日在华东区域全面增加;且变化显著的格点主要位于增加幅度较大的区域。未来华东区域会出现强降水事件和干旱事件同时增加的情况,降水呈现明显的极端化趋势,且华东北部极端化强于华东南部。

CMIP5模式集合对中国区域性低温事件的模拟与预估

基于CMIP5逐日最低气温的模拟和预估数据,对中国区域性低温事件进行了研究。通过对中国区域性低温事件的历史模拟显示,模式集合的结果低估了中国区域性低温事件的变化趋势,但能够反映出与观测结果相同的减弱趋势,且比单个模式的结果更稳定,其空间分布与观测结果相似度也较高。在此基础上,采用模式集合方案对不同排放情景下(RCP2.6,RCP4.5,RCP8.5)的中国区域性低温事件进行了预估。结果显示,在RCP2.6排放情景下,中国区域性低温事件的减弱趋势较为缓和;在RCP4.5排放情景下,中国区域性低温事件呈现出显著的减弱趋势;在RCP8.5排放情景下,中国区域性低温事件的减弱趋势更明显。温室气体的排放可能主要影响中国区域性低温事件的强度和发生频次,对其空间分布影响较小。

IPCC AR4气候多模式对云南特征气温变化的模拟预估——滇西南区案例分析(1960-2050年)(英文)

本文针对云南地区,以滇西南区为案例,利用研究区20个气象观测站点实测逐日平均气温分析了1961-2007年各特征气温(年均气温、干季平均气温、以及湿季平均气温)的变化趋势特征;并采用IPCC AR4气候模式集成的21世纪气候变化模拟试验的预估结果,针对滇西南区各特征气温,分别就不同排放情景下的模拟结果在该区的适用性进行了详细验证和分析。主要结果如下:(1)1961-2007年间,研究区各特征气温变化表现出了非常显著的上升趋势,MK统计值均通过了95%的置信度检验。(2)标准化均方根误差和MK趋势验证的结果表明,基准期内特征气温(尤其是年均气温和干季气温)的模拟值距平变化与实测值的距平变化趋势特征非常相似,因此利用IPCC AR4气候模式的试验结果模拟研究区三种排放情景下各特征气温的变化趋势具有一定的可信度,且针对年均气温及干季平均气温的模拟效果要比湿季平均气温好。(3)未来40年内,该区各特征气温将明显上升,并且年均气温上升趋势比干季、湿季平均气温更为显著;不同排放情景下各特征气温将表现出不同的升温率:2020s期间SRESA2高排放情景下的特征气温升温率将小于SRESB1低排放情景,除此之外,各特征气温在SRESA1B中等排放情景下的升温率将最大,在SRESA2高排放情景下其次,在SRESB1低排放情景下将最小。文中对IPCC AR4气候模式在云南地区的适用性及其影响因素进行了进一步的探讨。

CMIP5模式对冬季北极涛动的模拟和预估

基于NCEP/NCAR再分析资料和CMIP5的19个模式结果,从异常模态、年代际趋势和周期特征等方面评估了CMIP5耦合模式对冬季北极涛动(Arctic Oscillation,AO)的模拟能力,并对未来RCP4.5、RCP8.5两种浓度路径下AO的可能变化趋势给出了定性的预估。CMIP5模式历史试验结果显示,大多数模式都能够模拟出AO模态的基本结构,但是对中心位置、强度的模拟存在较大的偏差,其中MPI-ESM-LR和Had GEM2-AO能较好地模拟出AO整体模态来。在历史演变和周期特征的刻画方面,模式的冬季海平面气压经验正交函数分解第一模态时间序列(Principal Component,PC1)基本能够反映出1950~1970年以来的减弱趋势,但对1970年以后的增长趋势模拟并不明显,而北半球环状模指数(Zonal Index,ZI)序列对两个阶段的趋势均可模拟出来,模式的PC1和ZI序列总体表现为正的变化趋势。有一半以上的模式对2~3 a高频周期模拟较好,但对20 a左右的周期模拟较差,其中仅有Can ESM2、CNRM-CM5、GFDL-ESM2G这3个模式对ZI指数的两个周期变化模拟较好。在RCP4.5和RCP8.5两种浓度路径下,ZI序列有显著的上升趋势,从长期趋势系数看RCP4.5路径下有14个模式呈现正的变化趋势,其中有10个模式通过了检验。RCP8.5浓度路径下,16个模式为正变化趋势,有11个模式通过了检验,集合平均结果正变化趋势较为显著。两种浓度路径下不同时段的海平面气压变化趋势表明,ZI序列的年代际变化明显,存在3个不同的变化阶段——2006~2039年、2070~2100年为两个上升阶段,2040~2069年为缓慢下降阶段。

IPCC AR4多模式对中国地区未来40a雪水当量的预估

通过评估参加CMIP3计划的22个GCM在20世纪气候情景(20C3M)下中国地区雪水当量模拟能力的检验,挑选出模拟能力较好的模式,通过多模式集合方法,对SEARS的模拟结果进行集合,预估未来40a雪水当量在中国地区的时空变化特征.结果表明:在A1B情景下和B1情景下,中国地区未来40a雪水当量年际变化均呈减少趋势;在A1B和B1情景下,青藏高原地区、华北平原地区、长江中游地区及东北北部地区的雪水当量均呈减少趋势,其中在昆仑山西段帕米尔高原地区减少最为显著,其次为喜马拉雅山区和巴颜喀拉山东段地区.在中国北部的内蒙古高原地区、云贵高原等部分地区的雪水当量则有所增加.总体上,A1B情景下比B1情景下雪水当量的减少更为明显.2021-2050年雪水当量在青藏高原减少显著;对于季节变化来说,在秋冬季积雪的累积期,雪水当量可能增加,尤其在10-12月,而在积雪消融的春夏季(2-6月)有所减少.

基于高分辨率数据的我国水电能源潜力估算

水电是我国现阶段占比最高的可再生能源,未来发展潜力依然十分巨大,但目前关于水电供应潜力评估的信息却十分有限。本研究基于我国高分辨率(15″×15″)径流和数字高程DEM数据,模拟了全国各流域内潜在的水力发电站点,估算了相应的水力发电理论潜力和技术潜力,并结合成本—供应曲线,进一步探讨了其经济潜力。结果表明:(1)未来我国水电潜力最大的区域为东北诸河流域,已建成水电站与模拟站点之比约为1∶4,而中南部及东部水电潜力相对较小;(2)长江流域水电潜力最高,技术潜力约为260GW,经济潜力约为235GW;海南地区水电潜力最低,技术潜力约为2GW,经济潜力约为0.4GW;(3)单位成本电价低于0.4元(kW·h)时,东北诸河流域、淮河流域、黄河流域、西南国际河流流域等的斜率变化较小;长江流域、北方内陆及新疆诸河流域等的斜率逐渐变大。本文研究结果可为今后我国水电能源开发利用提供参考与数据支持。

基于模拟退火的路基土动态回弹模量建模研究

针对湖南省西部山区某高速公路路基土,开展了一系列动态回弹模量试验,分析了应力状态对动态回弹模量的影响规律,提出了基于模拟退火进行回弹模量预估模型参数全局化搜索的方法,开发了相关建模程序,并与常规等效线性法建模的进行了对比。研究结果表明,围压和偏应力均对路基土的动态回弹模量均有显著影响,利用开发的模拟退火参数搜索程序,可以实现各种回弹模量模型的参数搜索,有助于克服等效线性法的缺点,能更便捷、准确地建立回弹模量预估模型。

长江流域上游气候变化的模拟评估及其未来50年情景预估

利用WCRP的耦合模式数据和长江上游流域63个气象站点的观测数据,评估了全球气候模式对长江上游流域的温度、降水的模拟能力,基于A2、A1B、B1情景对长江上游流域未来50a平均温度、降水的可能变化进行了预估研究。结果表明:全球模式可较好的反映出流域温度、降水的时间和空间变化趋势,但模拟地面温度总体上低于实况值。三种情景下2011～2060年上游流域平均温度的增幅(相对于1971～2000年)分别为1.7℃、2.1℃、1.3℃。A1B、B1情景下区域内表现为一致的增温趋势,而A2情景下在嘉陵江流域出现降温的趋势。三种情景下平均降水的增幅分别为50.0、83.5、29.5mm;A1B、B1情景下降水增加的空间分布形比较一致。

区域海气耦合模式FROALS的发展及其应用

区域海气耦合模式是研究局地海气相互作用过程影响气候变率的重要平台,也是对全球气候模式进行"动力降尺度"的重要工具。本文介绍了LASG(State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics)/IAP(Institute of Atmospheric Physics)发展的区域海气耦合模式FROALS(Flexible Regional Ocean–Atmosphere–Land System model),并总结了过去五年围绕该区域海气耦合模式开展的研究工作。FROALS的特点之一是有两个完全不同的大气模式分量和海洋模式分量选项,可以适应不同的模拟研究需求。针对区域海气耦合模式在西北太平洋地区的模拟偏差,通过分步骤考察不同大气模式分量和不同海洋模式分量对模式模拟性能的影响,指出大气模式是导致区域海气耦合偏差的主要分量。通过改进对流触发的相对湿度阈值标准,有效地改善了此前区域海气耦合模式在亚洲季风区普遍出现的"模拟海温冷偏差"。改进的FROALS对西北太平洋地区的大气和海洋环境有较好的模拟能力,合理地再现了西北太平洋地区表层洋流气候态和年际变率。较之非耦合模式,考虑区域海气耦合过程后,改进了东亚和南亚地区的降水和热带气旋潜势年际变率的模拟。最后,针对东亚—西北太平洋地区,利用FROALS对IAP/LASG全球气候模式模拟和预估的结果进行了动力降尺度,得到了东亚区域50 km高分辨率区域气候变化信息。分析显示,FROALS模拟得到的东亚区域气候较之全球气候模式和非耦合区域气候模式结果具有明显的"增值",显示出区域海气耦合模式在该区域良好的应用前景。

未来20年全球继续变暖吗?

近些年世界气象组织不断传出全球继续变暖的信息[1],引起公众和政策制定者对全球变暖更加广泛的关注。文中将简单综述未来气候变化预估的研究方法和工具、气候模式模拟和预估目前气温变化的效果检验以及未来20多年(2016-2040年)全球气温变化的预估。

利用高分辨率气候模式对湖北未来气候变化的模拟与预估

利用高分辨率区域气候模式CCLM对湖北省降水和气温的模拟数据,对比分析了基准期(1961~2005年)的模拟结果和同期CN05.1的观测数据,并对RCP4.5情景下的未来(2006~2050年)气候进行了年尺度和季节尺度的预估。结果表明:(1)CCLM区域气候模式较好地模拟了湖北气温的演变趋势及其空间分布格局,对降水的时空波动模拟与同期CN05.1在降水时空变化上的匹配度较弱;(2)RCP4.5情景下,2006~2050年湖北T、T_(min)、T_(max)呈上升趋势。四季气温呈一致上升的趋势,冬季的上升速度最快,对年尺度上T、T_(min)、T_(max)上升的趋势贡献最大。(3)RCP4.5情景下,2006~2050年湖北T、T_(min)、T_(max)呈全区一致上升的格局。其中增幅最大的区域均集中于汉江湖北段北部。春季T、T_(min)、T_(max)增温大值区位于西北山地区;夏季中部平原区T、T_(min)、T_(max)相较于其他区域增幅较大;秋季西南山地区T和T_(max)较其他区域增温较高,T_(min)的增温大值区位于汉江湖北段北部;冬季鄂东南丘陵T相较于其他区域增幅较大,汉江湖北段北部T_(min)增温较大,西南山地T_(max)增温较大。

基于标准化时间序列加权法的IPCC-AR4多模式集成

采用对标准化时间序列作加权的方法做多模式集成,并以相关系数与均方根误差作为衡量模式模拟预估能力的标准,将IPCC-AR4的10个气候模式模拟1961—1999年(39 a)中国降水的标准化加权集成结果与气候模式修正、Taylor函数加权集成结果进行比较,结果显示前者具有明显优势。为进一步验证这种优化的性能是否具备稳定性,将由控制阶段(1961—1999年)模式与实测数据计算得到的权重系数应用于A1B排放情景下的模式降水数据,预估研究区域2000—2012年(13 a)的降水,并与同时间段的模式修正、Taylor函数加权集成进行对比。结果表明,该集成结果在预估阶段(2000—2012年)仍优于模式修正、Taylor函数加权集成结果。