CMIP5/6模式对PDO调制ENSO爆发频率不对称的模拟评估

利用第五次和第六次国际间耦合模式比较计划(CMIP)中piControl情景下的模拟结果,结合观测资料,对比评估了19个CMIP5模式和23个CMIP6模式对太平洋年代际振荡(PDO)调制厄尔尼诺-南方涛动事件爆发频率不对称的模拟能力,并进一步揭示了PDO的调制过程。结果表明:在观测中,PDO正(负)位相下厄尔尼诺(El Niño)的爆发频率比拉尼娜(La Niña)多300%(少73%),53%(78%)的CMIP5(6)模式模拟出这一特征;尽管两个模式整体都低(高)估了PDO正(负)位相的调制能力,但CMIP6模式对PDO调制能力的模拟有所改进。进一步研究发现,在PDO正(负)位相下,赤道太平洋中西部会产生较强的西(东)风异常,风场通过平流的作用使得暖水向东流动,从而在太平洋中东部的海表面温度背景场中出现正(负)异常变化,而这有利于PDO正(负)位相下El Niño(La Niña)事件的发生。

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模式对东亚500 hPa高度场主要模态时空结构模拟能力的评估

利用第5次耦合模式比较计划(CMIP5)提供的39个全球气候模式模拟的1961—2005年逐月500 hPa位势高度场资料,以及同期美国国家环境预测中心再分析资料,通过经验正交函数分解提取主要模态,基于泰勒图方法、概率密度函数的Brier评分和显著性评分指标,探讨CMIP5模式对东亚500 hPa高度场主要模态时空结构的模拟能力,寻求具有较好东亚环流型态模拟能力的气候模式以及模拟较好的主模态。结果表明:(1)CMIP5模式能够模拟出东亚500 hPa高度场主要模态,且各模式对冬季主要模态时空结构的模拟能力都高于夏季。(2)各模式对冬季模态(西太平洋遥相关型)模拟能力最强,第3模态最差,对冬季主要模态空间结构模拟较好的模式为IPSL-CM5B-LR、MPI-ESM-P、CMCC-CMS、FGOALS-g2、HadGEM2-ES;夏季第1模态空间结构模拟能力最强,其次分别为第2模态和东亚-太平洋型(简记第3模态),西太平洋遥相关型较差,对夏季主要模态空间结构模拟较好的模式为ECEARTH、CanESM2、CMCC-CM、GFDL-ESM2G、IPSL-CM5A-MR。(3)对主要模态时间系数概率密度函数特征的模拟评估表明,模式对冬季第2模态概率密度函数的模拟较好,其次为西太平洋遥相关型,其主要模态时间系数的概率密度函数模拟较好的模式为CESM1-FASTCHEM、HadGEM2-ES、INM-CM4、GISS-E2-H、BCCCSM1-1;模式对夏季第2模态时间系数的概率密度函数模拟较好,其次分别为第3模态、西太平洋遥相关型,其主要模态时间系数概率密度函数模拟较好的模式为CCSM4、HadGEM2-CC、GFDL-CM3、MRI-CGCM3、NorESM1-M。(4)综合时空结构模式模拟能力,对冬季主要模态模拟较好的前5个模式为HadGEM2-ES、IPSL-CM5B-LR、CESM1-FASTCHEM、INM-CM4、BCC-CSM1-1;夏季前5个模式为ECEARTH、CMCC-CM、CCSM4、CANESM2、MIROC5。

中国地球系统模式对全球地表入射短波辐射和大气逆辐射的模拟效果评估

以云和地球辐射能量系统(CERES)数据集为准,量化了中国地球系统模式对地表入射短波辐射和大气逆辐射时空变化的模拟性能,明确了多模式间模拟结果存在不确定性的区域。结果表明:中国模式均能模拟出北半球地表入射短波辐射和大气逆辐射“夏高冬低”的季节变化特征。陆地上,中国模式对两个辐射分量月均值的模拟结果与CERES相当,在海洋上低于CERES结果。中国模式能模拟出地表入射短波辐射下降、大气逆辐射上升的年际变化趋势。对于2001—2014年均值,中国模式模拟的地表入射短波辐射在海洋和陆地上较CERES分别偏低3.3和3.0 W·m^(-2),模拟的大气逆辐射在海洋上与CERES结果相当,在陆地上较CERES低1.3 W·m^(-2)。除南北纬30°附近之外,中国模式在其他纬度均低估地表入射短波辐射,以热带和北极最为明显。模式对大气逆辐射的模拟偏差呈纬向波动特征,模拟误差大值出现在高大山脉处。中国模式模拟地表入射短波辐射不确定性极大的区域分布在热带雨林和南极洲沿海,模拟大气逆辐射不确定性极大的区域分布在格林兰岛、青藏高原、安第斯山脉和南极洲沿海。

中国地球气候系统模式研究进展:CMIP计划实施近20年回顾

在系统总结过去20年从CMIP1到CMIP4世界各国模式的综合情况基础上,回顾了中国气候模式参与CMIP科学试验的概况。在此基础上,慨述了CMIP5的试验设计,总结了参加CMIP5的5个中国气候模式的特点。随后,从高分辨率模式研发、地球系统模式研发、地球气候系统模式最为关键的分量——大气环流模式和海洋环流模式研发的角度,提出了中国地球气候系统模式发展面临的挑战,指出了中国模式发展面临的机遇。针对如何从国家层次协调以实现地球气候模式的可持续发展问题,给出了美国国家科学院最近发布的《推动气候模拟的国家战略》所提出的九条措施作为参考。

未来气候情景下长江上游区域积雪时空变化分析——基于CMIP5多模式集合数据

基于21个CMIP5全球气候模式集合数据，耦合VIC模型，预估了未来30年（2011—2040年）RCP2．6、RCP4．5和RCP8．5三个情景下长江上游区域积雪的时空变化。结果表明：与基准期1970—1999年相比，长江上游区域未来30年的多年平均气温和各月平均气温都将升高1～2℃，其中冬季和春季升温较大；平均年降水量将增加3％～4％，但秋、冬季降水有所减小。未来30年平均积雪深相对于基准期将减小37．8％左右，在积雪过程中达到最大积雪深的时间与基准期基本相同，而融雪开始的时间略有延后；从空间变化来看，冬季（1月份）长江上游区域大部分地区的积雪深都呈现减小趋势，部分地区积雪深减小超过了50％。

CIMP5气候系统模式对中国冬季气温变化模拟评估及未来情景预估

本文评估和预估了CMIP5气候系统模式对中国冬季气温变化的模拟结果。6个模式模拟的历史资料大多可以反映中国区域冬季气温一致增暖的变化趋势,并且北方的增暖更强。在冷暖期的突变时间点上,BCC-CSM-1.1模式模拟的历史资料的EOF1标准化时间系数的突变时间点与中国冷暖期的划分时间完全吻合。三种情景下的模式结果表明未来中国区域的冬季气温仍呈现上升趋势,并叠加有年代际变化,其中停滞期大致在2010~2025年期间结束,之后中国冬季气温继续加速上升。

CMIP5模式对近30年沃克环流强度变化模拟的不足及成因分析

太平洋沃克环流(Pacific Walker Circulation,PWC)是热带太平洋上空至关重要的大气环流系统,但其在全球变暖背景下的长期变化仍存在争议,换而言之,沃克环流增强或减弱仍是有待回答的科学问题之一。观测表明近30年PWC呈增强趋势,而气候模式无法得出观测的趋势。文章分析了参加第五次耦合模式比较计划(Coupled Model Inter-comparison Project Phase 5, CMIP5)的18个耦合模式模拟的PWC变化。结果表明,大部分耦合模式能够较好地再现PWC的气候态分布特征,但不能给出其加强的趋势。究其原因,主要取决于模式对海表温度(SST)变化的模拟能力,能模拟出PWC加强的耦合模式,其模拟的SST趋势分布与观测相近[即类拉尼娜(La Nina)型],但仍存在一定差异;而模拟出PWC减弱的耦合模式,其模拟的SST趋势分布表现为类厄尔尼诺(El Nino)型,这与观测不符。对于后者,如果用观测的SST驱动其大气模式却能够模拟出PWC的加强,从另一方面也说明了SST变化对于PWC长期变化的主导作用。因此, CMIP5模式要想合理地预估PWC在全球变暖背景下的变化,需要提高对于热带太平洋SST变化的模拟能力。

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。

基于CMIP6模式分析北极典型海区浮游植物藻华模拟误差

在海冰覆盖的极地海区,浮游植物季节性藻华变化呈现典型的单峰特征。由于藻华过程受控于海冰、光照、混合层深度和营养盐供给等多个因素,其发生时间和强度在地球系统模式模拟结果中存在较大的不确定性。本研究选取11种CMIP6地球系统模式结果,以多种类型的观测资料和产品作为判断参考值,评估各模式结果能否准确模拟北极典型海区(巴伦支海、楚科奇海及白令海)浮游植物藻华动态的变化规律。通过计算能表征光照和营养盐限制的多个指标,分析表层叶绿素a浓度模拟结果的误差来源。结果表明,依据冰下光照时长、混合层变化速率、表层硝酸盐指标将11种模式分为3组,与参考值指标差异较小组别中的模式在藻华模拟方面明显占优,而其余模式在表层硝酸盐或混合层变化的模拟上存在较大误差,导致表层叶绿素a浓度峰值的发生时间延后且峰值浓度误差大。总体而言,地球系统模式配置中除要考虑光照和营养盐这两种基础限制条件外,也需关注由温盐控制的上混合层深度,从而准确模拟出表层叶绿素a浓度的季节性变化规律,上述研究为地球系统模式中相关参数化方案的改进提供了参考。

中国地球气候系统模式的发展及其模拟和预估

地球气候系统模式是开展多学科、多圈层集成研究的重要平台,其发展是国际地学领域特别是全球变化领域竞争的前沿。中国的地球气候系统模式研发工作始于20世纪80年代,最近10年得到快速发展。研发格局上已经形成中国科学院、有关部委和高校三足鼎立的局面。文中在简要回顾中国地球气候系统模式早期发展历史的基础上,总结了中国参加第6次耦合模式比较计划的9个地球气候系统模式的技术特点,初步评估了中国4个模式对全球和东亚气候模拟的基本性能,分析了其在4种共享社会经济路径情景下对全球降水与温度的预估变化及其与平衡态气候敏感度的联系。最后,结合国际态势,从发展的角度提出未来中国气候模式研发工作需要加强的8个方向。

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。

长江流域旱涝急转演变特征及其社会经济暴露度

旱涝急转是指干旱和洪水之间的快速转变,对农业生产和人类安全造成巨大威胁。本研究基于月尺度的旱涝急转量级指数,分析了长江流域历史和未来四种旱涝急转事件,并通过滑窗法构建了旱涝急转量级的时变函数,揭示了未来旱涝急转风险变化。同时,结合共享社会经济路径量化了人口和经济受旱涝急转风险变化影响的程度。结果显示,历史时期长江流域中下游旱涝急转事件频发,旱–涝和涝–旱事件每10年发生10~12次,而旱–涝–旱和涝–旱–涝事件每10年发生3~4次。未来旱–涝–旱和涝–旱–涝事件预计大幅增加,其中长江上游部分地区增长了约7倍。对于历史基准期50年一遇的旱涝急转事件,未来发生概率将增加5~10倍,给长江流域的人口和经济带来重大影响。

未来北极夏季陆面气温变化区域特征及其与北大西洋海面温度的关系

未来变暖背景下北极气候变化特征研究具有重要意义,基于国际耦合模式比较计划第六阶段(Coupled Model Intercomparison Project Phase 6,CMIP6)中对北极气候变化模拟能力较好的模式模拟结果,研究SSP2-4.5情景下21世纪北极2 m气温的时空变化特征及其影响因素。结果表明:(1)极地陆地的欧亚大陆(Eurasia, EA)和北美-格陵兰(Greenland, GL)对全球变暖具有不同的响应。EA在21世纪中叶前变暖趋势显著,之后主要表现为年代际尺度的冷暖振荡;GL则始终保持增暖趋势。EA、GL分区气温均存在年际、年代际(10~20 a)尺度上的波动,GL分区还存在20~40 a的准周期变化。(2)前冬北大西洋涛动正位相会引起次年夏季北大西洋呈南北向“-、+、-”三极型海面温度异常,并通过影响大气环流导致EA分区气温正异常,这种影响主要体现在年代际尺度上。(3)北大西洋多年代际振荡为正异常时,北美至格陵兰位势高度偏高,GL分区增暖,并且这种影响在21世纪70年代后更重要;北太平洋北部的海面温度正异常对GL分区增温也有贡献。

Future changes in compound drought events and associated population and GDP exposure in China based on CMIP6

相较于一种类型的干旱,几种类型的干旱同时发生的复合型干旱事件对人类社会造成的危害更加严重.本研究采用CMIP6资料,研究中国复合型干旱事件及其相关社会经济暴露度的未来变化.结果表明,西北北部,西南和华南地区复合型干旱事件频次,持续时间和严重程度增加,而华北和东北地区则减少.复合型干旱事件的人口暴露度在长江流域南部大幅增加,在长江流域以北的东部大幅减少,其中气候和人口均对人口暴露度的变化有重要影响.由于GDP的快速增长,中国未来几乎所有地区复合型干旱事件的GDP暴露度增加,特别是在中国东部,GDP效应对GDP暴露度变化的相对贡献最大.

参加第14届东亚气候大气环流模式模拟国际研讨会总结

1概况应香港城市大学和组委会的邀请,国家气候中心张存杰、周兵、陈丽娟、任宏利、韩荣青于2019年4月26—30日赴香港城市大学参加第14届东亚气候大气环流模式模拟国际研讨会。东亚气候(EAC)论坛自1994年以来走过了25年,至此共举办了14届,1997年10月被批准为国际大气环流模式比较计划/国际耦合模式比较计划(AMIP/CMIP)第25号子项目。

基于贝叶斯模型平均的赣江与汉江流域多气候模式集合研究

采用贝叶斯模型平均法(BMA)集合第五次耦合模式比较计划8个气候模式模拟的赣江流域和汉江流域1961~2000年的月气温、月降水数据,评估了单气候模式和BMA集合气温和降水的精度及其误差时空间分布。结果表明,BMA集合的两个流域月降水和月气温相关系数明显高于单个气候模式,其相对误差和绝对误差低于多数单模式,流域平均的均方根误差最小,BMA集合的月降水和月气温总体优于单个集合成员,表明了BMA法在一定程度上提高了气候模式在研究区气温和降水模拟精度。

CMIP6与CMIP5对历史大气层顶和地表辐射收支模拟的时空对比

基于云和地球辐射能量系统观测数据集(CERES),对比分析了耦合模式比较计划第五(CMIP5)和第六阶段(CMIP6)模拟的历史大气层顶和地表辐射收支的年际变化和空间分布,明确了多模式间不确定性大的关键区域。结果表明:在年际尺度上,除地表向上长波辐射外,CMIP6的辐射分量的集合均值较CMIP5更接近于CERES观测值,全球地表向下短波辐射的高估和大气逆辐射的低估在CMIP6中分别降低了1.9 W/m~2和3.3 W/m~2。除大气逆辐射外,CMIP6的辐射分量在多模式间的一致性较CMIP5提高。在北极,CMIP6对大气层顶反射短波、大气层顶出射长波和地表向下短波辐射的模拟偏差较CMIP5大。在南北纬60°,CMIP6对大气逆辐射的模拟偏差较CMIP5大。其他区域CMIP6的辐射分量更接近CERES观测值。CMIP6模拟的地表向下短波辐射和大气逆辐射的不确定性较大区域面积较CMIP5减小,但不确定性极大区域面积无变化。地表净辐射的不确定性空间分布在两代CMIP间变化甚小。青藏高原、赤道太平洋、热带雨林、阿拉伯半岛和南极洲沿海依然是地球系统模式模拟辐射收支不确定性极大的关键区域。

CMIP6 HighResMIP高分辨率气候模式对青藏高原降水模拟的评估

国际耦合模式比较计划第六阶段(CMIP6)新增的高分辨率模式比较计划(HighResMIP)首次提供全球高分辨率(25—50 km)多模式集合的气候模拟试验结果。利用8个CMIP6 HighResMIP模式评估了高分辨率全球气候模式对青藏高原夏季小时降水与极端降水的模拟能力,结果表明:CMIP6高分辨率模式高(低)估了青藏高原地区的降水量和频率(强度),过多的降水量主要来自模式对降水频率的高估,尤其是弱降水(<2 mm·h^(-1))的发生频率。模拟偏差与地形海拔密切相关,偏差大值区主要位于高原南坡和东坡陡峭地形区。模式不能准确再现降水量与海拔之间的关系,高(低)估了高(低)海拔地区的降水量。模式低估了降水强度随海拔升高而降低的变化速率。在日变化方面,模式能够模拟出青藏高原降水傍晚至午夜的峰值特征,但明显低估了降水的日变化振幅。在小时极端降水方面,模式低估了高原区域平均极端降水第95百分位数阈值,仅为观测值的57%。

Multidecadal Trends in Large-Scale Annual Mean SATa Based on CMIP5 Historical Simulations and Future Projections

基于观测和第五次耦合模式比较计划(CMIP5)模式的模拟结果,本文对全球、半球、半球陆地及海洋尺度的年平均地面气温异常在过去一百多年及两个代表性浓度路径(RCPs)情景下的多年代际变化及趋势进行了评估分析。根据模式对全球平均地面气温异常的时间变率、长期趋势、多年代际变化及趋势的模拟能力,筛选出15个模式进行分析。观测结果表明,北半球陆地、北半球海洋和南半球海洋平均地面气温异常与全球平均地面气温异常具有相似的多年代际变化特征:在1900—1944年及1971—2000年呈现增暖趋势,并在1945—1970年和2001—2013年呈现增暖停滞甚至变冷趋势。模式能够基本再现以上观测特征。然而,与以上变化不同的是,南半球陆地的平均地面气温在1945—1970年呈现增暖趋势,并且模式不能很好模拟该特征。对于近期的增暖停滞阶段(2001—2013年),BCC-CSM1-1-m模式、CMCC-CM模式、GFDL-ESM2M模式及NorESM1-ME模式在RCP4.5和RCP8.5情景下预估的全球及半球尺度的地面气温异常趋势值最接近观测值,表明它们具有较好的预估能力。由于这四个模式在地面气温异常的多年代际趋势上具有较好的模拟及预估性能,故选择它们来预估2006—2099年的地面气温异常在全球及半球尺度上的变化特征。结果显示在RCP4.5(RCP8.5)情景下,所选四个模式集合平均的全球、北半球及南半球年平均地面气温异常趋势值分别为0.17(0.29)、0.22(0.36)及0.11(0.23)℃·decade^(–1),其趋势值明显小于未经过模式筛选的CMIP5模式集合的结果。