IPCC AR4气候模式对长江流域气温和降水的模拟性能评估及未来情景预估

利用政府间气候变化专门委员会第四次评估报告的22个新一代全球气候模式基准期(1961～1990年)模拟结果,从时空尺度分别讨论了与观测过程的差异,评估了模式对长江流域气温和降水的模拟性能。结果表明22个气候模式对长江流域具有一定的模拟能力,地面气温的模拟值都偏低,部分降水的模拟值局部偏高。不同的气候模式的模拟能力差异显著,大部分模式对长江流域的模拟精度有待进一步改进,只有少数几个模式(降水有6个模式,气温有5个模式)的年变化趋势与实况基本一致。综合比较,UKMO_HadCM3和NCAR_PCM两个模式基本能再现长江流域降水和气温的年变化特征。长江流域降水和气温未来情景预估表明各个模式和情景结果虽然存在差异,但对未来90年气候变化的模拟趋势基本一致,将持续增温、降水出现区域性增加,并着重讨论了UKMO_HadCM3模式在2020s(2010～2039年)、2050s(2040～2069年)和2080s(2070～2099年)3个时段的降水和气温时空变化特征,研究结果表明3个时段气温和降水在不同情景下都是逐渐增加的,A2情景下未来降水增幅最显著,B1情景增幅最小。

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.

13个IPCC AR4模式对中国区域近40a气候模拟能力的评估

利用中国区域550个站点逐日地面气温及降水资料,评估了参与政府间气候变化专门委员会第四次报告(the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change,IPCCAR4)的13个新一代全球气候系统模式及多模式集合对中国近40 a(1961—2000年)地面气温和降水的模拟能力,结果表明:最新全球模式对中国地区地面气温年变化及空间分布的模拟结果均较好,但在整个模拟区域地面气温模拟值系统性偏低,东部地区模拟效果好于中西部;对于降水,大部分模式能模拟出中国降水的年变化及空间分布特征,但模拟的区域性差别较大,多数模式对中国东部季风区夏季雨带北抬的过程有一定的模拟能力,但模拟雨带位置偏北。新一代全球模式能模拟出温度的线性变化趋势,但对温度及降水的年际变率模拟能力较低。比较多种评估指标得出,模式集合对温度的模拟效果最好,模式UKMO-HadCM3对降水的模拟效果最好。

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。

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.

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。

IPCC AR4模式中夏季西太平洋副高南北位置特征的模拟

利用IPCCAR4中8个气候系统模式的环流、对流和降水资料,结合实际的观测及再分析资料,从年际尺度上比较分析了这些气候系统模式对夏季西太平洋副热带高压南北位置、暖池对流和江淮降水关系的模拟能力,结果表明在西太平洋副热带高压随纬度分布的模拟中,经向分辨率高的模式存在一定的优势。在夏季西太平洋副热带高压的南北位置、暖池对流和江淮降水关系的模拟上,GFDL-CM2.1能合理地表征三者之间的关系;在影响东亚夏季风年际变化的东亚太平洋遥相关型的模拟上,GFDL-CM2.1和ECHAM5_MPI/OM能够较好地模拟出其特征,其中前者模拟结果要明显好于后者。同时利用GFDL-CM2.1在SRES A1B情景下的试验结果,EAP(East Asia/Pacific)指数与中国东部降水的变化关系得出,随着大气中二氧化碳浓度增加,在21世纪前期,江淮偏旱的概率较高;21世纪后期,江淮降水可能偏多。

不同分辨率CCSM4对东亚和中国气候模拟能力分析

本文利用通用气候系统模式CCSM4在三种水平分辨率下的工业化革命前期气候模拟试验,结合观测和再分析资料,比较了各分辨率下模式对中国温度和降水、东亚海平面气压和850hPa风场的模拟能力,综合评价了模式分辨率对东亚和中国气候模拟的影响。结果表明,三种分辨率对中国温度均具有很好的模拟能力,除春季外,低分辨率(T31,约3.75°×3.75°)对全年温度的模拟能力均要稍好于中(f19,约1.9°×2.5°)、高(f09,约0.9°×1.25°)分辨率;各分辨率对中国降水的模拟能力远不如温度,除冬季外全年都出现的中部地区虚假降水并未因为模式分辨率提高而得到本质改善;对于东亚海平面气压场,低分辨率在冬季模拟能力相对最好,中等分辨率在夏季相对较好,而高分辨率的模拟能力均表现最差;低分辨率对850hPa东亚冬季风和夏季风的模拟能力均要好于中、高分辨率,而两种较高分辨率的模拟能力则比较接近。总的来说,低分辨率CCSM4在东亚和中国气候模拟中表现出了较大优势,加之其计算代价小,适合进行需要较长时间积分的气候模拟研究。

四维EOF分析检验数值模式模拟气候及其变化能力研究

文章提出了一个四维经验正交函数(4D-EOF)方法,原理是三维经验正交函数(3D-EOF)与扩展经验正交函数(EEOF)简单的组合,此方法不仅提供空间水平分布特征场及其对应的月际变化特征和年际变化特征,而且还提供空间垂直结构特征。利用这个新方法分析东亚季风国际区域模式比较计划(RMIP)MM5V3模拟的1989—1998年10a积分结果———包括中国大部分区域(4941个格点,格距60km)月平均100,500,700,1000hPa4个位势高度场(模拟场)及其距平场;同时分析对应的NCAR/NCEP再分析资料(观测场),进而对比两者检验模式模拟东亚季风气候及其变化能力。对比分析结果表明:对于月平均高度场的第一特征向量场,模式能比较准确地模拟出平均气候场的分布及其垂直相当正压性的结构特征;对于月平均高度距平场第一、二特征向量场,模式对于距平场的模拟也较成功,垂直方向有明显的相当正压性特征;月平均高度场及其距平场相应的月际变化和年际变化特征也在模拟中得到较好的反映。本研究表明:4D-EOF具有综合检验数值模式模拟气候及其变化的能力,而MM5V3模拟20世纪90年代东亚气候及其变化能力是令人满意的。

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。

东亚夏季风变化机理的模拟和未来变化的预估：成绩和问题、机遇和挑战

东亚夏季风对于我国东部气候具有重要影响,呈现出多种时间尺度的变化特征。在理解东亚夏季风过去和当前的变化机理、预测和预估其未来变化等方面,气候系统模式发挥着不可替代的作用。但是当前的气候模式在东亚夏季风的模拟上尚存在诸多不足,这使得其模拟结果存在不确定性,既制约了我们对过去和当前季风变化机理的准确理解,又降低了未来预测预估结果的可信度。关于造成季风模拟偏差的原因,既涉及模式本身的性能问题,又与模拟系统的构建、强迫资料的误差、乃至我们当前对季风变化规律自身的认知水平有关。本文以时间尺度为序,从气候态、日变化、年际变率、年代际变率、长期气候变化和未来预估等季风学界关注的热点问题角度,本着总结成绩、归纳问题、寻找机遇、面对挑战的目的,从七个方面系统总结了当前气候模式的水平,归纳了其主要偏差特征,讨论了影响模式性能的可能因素。内容涉及模式分辨率和地形效应、对流和云辐射效应的作用、与季风相关的热带海气相互作用关键过程、内部变率(太平洋年代际振荡)、自然变率(太阳辐照度变化和火山气溶胶强迫)和人为辐射强迫(人为温室气体和气溶胶排放)对季风变化的不同影响、热力和动力过程及气候敏感度对季风环流(副高)和降水预估不确定性的影响等。最后从优化参数、实现场地观测和过程模拟的协同、发展高分辨和对流解析模式等角度,讨论了提升东亚夏季风模拟能力的技术途径。

参加CMIP5计划的四个中国模式模拟的东亚地区降水结构特征及未来变化

在全球变暖的背景下,降水特征的改变体现为降水总量和降水结构的变化。由于缺乏较为长期、覆盖范围广的较高分辨率逐日降水资料,过去对东亚降水的研究多关注其降水量的长期趋势和时空变率,较少涉及降水结构的变化。本文利用当前最新且分辨率最高、覆盖范围最广的逐日亚洲陆地降水数据集(简称APHRODITE)以及四个中国参加第五次国际耦合模式比较计划(简称CMIP5)的模式(BCC-CSM1-1,BNU-ESM,FGOALS-g2和FGOALS-s2),研究了东亚地区降水结构的观测特征及四个模式的模拟能力。基于此,通过分析四个模式的未来预估试验,探讨东亚地区降水结构在全球变暖背景下的变化。结果表明:整个东亚地区的累积降水量呈现出随着降水强度的增加先增加后减小的分布形态;降水频率则是随着强度的增加显著减小。小雨(中雨)呈现出南少北多(南多北少)的形态;强降水则较多分布在华南沿海以及日本南部地区。长期趋势上,整个东亚地区大体上呈现小雨和30 mm/d以上的大雨增加,而中等强度降水减少的变化趋势。四个模式对东亚降水结构的气候态模拟能力较好。BCC-CSM1-1和FGOALS-g2能够合理再现观测中各个强度降水的变化趋势,而其他模式模拟不出中雨的减小趋势。四个模式的未来预估表明,在全球变暖的背景下,东亚地区30 mm/d以上的强降水会增加。且降水强度越大,增加越明显。以30°N为界,小雨(中雨)在变暖背景下呈现南部增加北部减少(南部减少北部增加)的变化趋势。

全球气候变暖背景下索马里急流变化的预估研究

索马里急流的变化对亚洲季风和气候变动具有重要的影响,未来索马里急流到底会如何演变?如何受全球变暖的影响?针对这个问题,文中利用IPCC第四次评估报告(IPCCAR4)的多个海气耦合模式的模拟结果,评估了多个模式在当前气候(20C3M)条件下对夏季低空索马里急流的模拟能力;预估模式在SRESA2排放情景下对21世纪(2010—2099)的索马里急流变化。研究结果表明,18个模式在现代气候条件下对索马里急流有较好的模拟能力;18个模式的集合平均结果预测夏季索马里低空急流在21世纪的变化过程是:初期(2010—2040)增强至减弱,中期(2050—2060)增加至最强,末期(2070—2090)减至最弱。与现代气候条件模拟结果相比,夏季索马里低空急流在未来气候变暖背景条件下是趋于减弱的过程,在21世纪末期最弱。研究还表明了夏季低空索马里急流的变化幅度与全球平均气温的变化幅度是一个非线性的关系,各模式对二者关系的描述存在不确定性,鉴于索马里急流对印度季风和东亚季风及中国气候的重要性,索马里急流的变化规律和未来演变是科学界特别需要深入研究的问题。

不同排放情景下大连地区21世纪气候变化预估

利用政府间气候变化委员会(IPCC)第4次评估报告提供的20多个气候系统模式的模拟结果,经过插值降尺度计算,以多模式集合模拟结果分析预估不同情景下(SRESA2、SRESA1B和SRESB1)大连地区21世纪气候变化。结果表明,21世纪大连气候总体有显著变暖、变湿趋势。年平均气温变暖趋势为2.45～3.46℃/100年,年降水增加趋势为每100年5.8%～16.3%。冬季变暖最明显,冬、春季降水增加较明显,21世纪前期秋季降水减少较明显。在A2、A1B和B1情景下,21世纪后期气温分别比常年偏高3.46、3.44和2.45℃,年降水分别比常年偏多16.30%、11.80%和5.79%。

RCPs情景下长白山区气候变化预估分析

利用全球模式(BCC_CSM1.1)驱动区域气候模式Reg CM4,模拟分析了RCP 4.5和RCP 8.5温室气体排放情景下未来2010—2099年长白山区的气候变化特征。结果表明:Reg CM4模式对长白山区气候特征具有较好的模拟能力,未来RCPs情景下长白山区气温明显升高。与参照时段(1986—2005年)相比,RCP 4.5和RCP 8.5情景下长白山区的年平均气温在21世纪20年代分别增加了0.7℃和1.0℃,21世纪50年代年平均气温分别增加了1.6℃和2.2℃,21世纪80年代年平均气温分别增加了1.9℃和3.8℃。RCP 4.5和RCP 8.5情景下,未来长白山区降水均呈略增多的趋势,21世纪20年代降水分别增加了6.5%和2.8%,21世纪50年代降水分别增加了6.6%和7.9%,21世纪80年代降水分别增加了11.0%和6.7%。此外,两种排放情景下未来长白山区日平均气温的统计特征发生改变,偏度系数的负值减小,峰度系数的负值增加,说明未来高温事件发生的可能性增加;同时,中雨以上级别降水的发生频率增加,说明未来极端降水事件发生的可能性增加。

中国气候变化预估数据在河北地区的检验分析

应用观测资料对中国地区预估数据集进行检验分析。结果表明:1)7月降水量,区域模式在张家口南部桑洋河盆地和北部坝上地区的模拟值偏大,而在北京东边兴隆高山区和东南沿海地区的模拟值明显偏小。2)7月最高气温,在北京东边兴隆高山区和东部平原的模拟值明显偏高,而在张家口南部桑洋河盆地和太行山东侧的模拟值偏低。3)1月最低气温,在北京东边兴隆高山区、太行山北段高山区和东部平原地区的模拟值偏高,而在张家口南部桑洋河盆地和太行山东侧的模拟值偏低。4)无论是对降水还是气温,由于全球模式的空间分辨率偏低、很难描述河北地区的地形特征,所以模拟结果很差。由于区域气候模式的分辨率提高、对河北地区地形特征的描述有了改进,所以模拟效果有明显改善;但受分辨率所限,它对局部地形如兴隆高山、桑洋河盆地、太行山北部高山等地形特征的描述不是很好,造成模拟结果在这些地区出现系统性偏差,因此应用这些数据时需加以订正。

不同排放情景下贵州21世纪气候变化预估

利用IPCC AR4提供的模式预估结果,分析了不同排放情景下21世纪贵州气候变化特征,结果表明:21世纪由于人类排放的增加,贵州省将继续变暖、变湿。到21世纪后期(2071—2099年)贵州省温度比常年高2～3.2℃,降水比常年多3.8%～5.8%。且在SRES A2(高排放)、A1B(中排放)、B1(低排放)情景下贵州省年平均温度(降水)整体变化幅度分别为4.0℃/100a(136 mm/100a)、3.6℃/100a(96 mm/100a)、2.1℃/100a(61 mm/100a),体现了排放量越高,增温(增湿)越显著的特征。从季节特征来看,不同情景下冬季温度的增加趋势都大于其它季节;冬季降水预估没有明显的变化趋势,其余季节基本上以上升趋势为主。其中在A1B、B1排放情景下21世纪前期(2011—2040年)降水有减少趋势,在A2情景下降水无明显变化趋势。

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。

对流允许尺度区域气候模拟和未来预估的最新进展

伴随着近年来高性能计算资源的快速提高,模式的水平分辨率逐渐精细化。对流允许尺度(分辨率为4 km及以上)区域气候模式已成为当前区域气候模式发展和应用的主要方向之一。通过文献调研对对流允许尺度区域气候模式的4种建模方式、相比于传统分辨率区域气候模式的增值能力以及未来气候预估进行了回顾和总结。对流允许尺度区域气候模式无需使用对流参数化方案就可以显式表示深对流过程,在一定程度上改善了模式对复杂地形和地表强迫的表现能力。对流允许尺度区域气候模式在模拟降水特征(降水日变化、持续时间、次日尺度降水强度和短时强降水强度)、积雪特征(雪深和覆盖率)、中尺度对流系统特征(数量和周期)、热带气旋特征(强度、路径)以及城市热岛形态等方面存在显著增值能力。目前,对流允许尺度区域气候模式仍然存在诸多挑战和不确定性,今后可利用更高分辨率数据集、改进的云微物理过程和边界层参数化方案以及更高性能的计算资源,进一步提高对流允许尺度区域气候模拟和应用能力。

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。