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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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％。

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。

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.

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。

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 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%。

基于CMIP6模式优化集合平均预估21世纪全球陆地生态系统总初级生产力变化

利用国际耦合模式比较计划第六阶段(CMIP6)中18个地球系统模式总初级生产力(GPP)模拟数据,基于传统的多模式集合平均(MME)和可靠集合平均方法(REA),在4个未来情景(SSP1-2.6,SSP2-4.5,SSP3-7.0和SSP5-8.5)下预估了21世纪全球陆地生态系统GPP的变化量,并分析了GPP变化的驱动因子。研究结果表明:在4个未来情景下,基于REA方法预估的全球陆地生态系统年GPP在未来时期(2068—2100年)比历史时期(1982—2014年)分别增长了(14.85±3.32)、(28.43±4.97)、(37.66±7.61)和(45.89±9.21)PgC,其增量大小和不确定性都明显低于MME方法。在4个情景下,大气CO2浓度增长对GPP变化的贡献最大,基于REA方法计算的贡献占比分别为140%、137%、115%和75%;除SSP5-8.5(24%)外,其他情景下升温均导致全球陆地生态系统GPP降低(-42%、-37%、-16%),部分抵消了CO2施肥效应的正面贡献。温度的影响存在纬度差异:升温在低纬度地区对GPP有负向贡献,在中高纬度地区为正向贡献。降水和辐射变化对GPP变化的贡献相对较小。

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。

嫩江流域水文干旱归因分析及未来演变规律

在气候变化和人类活动的影响下,嫩江流域水旱灾害频繁发生。基于嫩江流域1980—2013年石灰窑、同盟、江桥和大赉水文站实测径流数据,构建流域分布式水文模型和多时间尺度下标准径流干旱指数(SRI),采用Budyko假设耦合水文模拟法对尼尔基水库建成前后流域径流变化和水文干旱特征归因分析,并基于第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)探究流域未来情景下水文干旱演变规律。结果表明:年尺度下,人类活动为径流演变的主导因素,影响贡献率高达80%,上游至下游水文干旱特征整体呈加剧趋势,且水库上游主要受到气候变化影响,下游主要受到人类活动影响;未来情景下,SRI序列波动性增大且呈现干湿交替特征,干旱历时呈增加趋势,流域未来干旱风险增大。

基于CMIP 6多模式的长江流域气温、降水与径流预估

【目的】探究未来气候变化对长江流域径流的影响,为长江流域及其他地区的早期洪水预警和防御措施提供依据。【方法】采用国际耦合模式比较计划第6阶段(CMIP 6)多模式集合平均(MME),结合SWAT水文模型,对长江流域1961—2014年气温、降水量和径流等进行评估,并预估了长江流域2020—2099年SSP1-1.9、SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0、SSP5-8.5排放情景下的气温、降水量和径流。【结果】(1)相比单一模式,MME历史时期模拟气温和降水效果更好,与观测值的相关系数均大于0.90,MME可以很好地模拟出气温和降水量的空间分布规律。(2)由MME分析可知,2020—2099年长江流域在所有情景下的气温增幅低于50%,降水增量小于20%,在SSP5-8.5情景下模拟的温度值比SSP1-1.9时的温度值高1.23℃,比SSP1-2.6时的温度值高0.99℃。(3)总体上,长江流域未来的年均径流量增加显著,到21世纪末,SSP5-5.8情景下年均径流量将达到40380 m^(3)/s。【结论】本研究揭示了长江流域径流变化趋势与气温与降水之间的相互关系,以及模拟未来气候变化的准确度,同时认为未来长江流域气温、降水量与径流量均呈上升趋势,低碳排放情景下的洪涝灾害相对较少,可为以后长江流域洪涝灾害的预估和区域性气候变化提供依据。