CMIP5气候模式对中国未来气候变化的预估和应用

气候模式是研究气候系统和气候变化的有力工具,其模拟结果是进行气候预测和气候变化风险评估的重要数据基础。随着全球气候变暖速度加快,地表生态环境、水文动态循环过程、社会经济发展等都受到其影响,进而影响到人类的生产和生活。利用气候模式对未来气候变化特征进行评估和预测,可为人类调整发展策略以适应气候变化提供科学依据。通过汇总CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5)模式在气候变化方面的相关研究,综述了CMIP5气候模式在农业生产、水文动态监控以及其他领域中的应用,最后指出了CMIP5气候模式在模拟预估未来气候变化上存在的不足,并展望了CMIP5气候模式在未来的应用。

CMIP5/6气候模式对ElNiño多样性模拟能力的评估

利用第五次和第六次国际间耦合模式比较计划(coupled model intercomparison project,CMIP)中全球气候模式的历史时期和未来增暖情景模拟结果,结合观测资料,文章对比评估了23个CMIP6模式和32个CMIP5模式对El Niño多样性的模拟能力,并预估了东部(eastern Pacific,EP)型和中部(central Pacific,CP)型El Niño对未来全球变暖的响应特征。结果表明,绝大多数CMIP5/6气候模式能够合理地模拟El Niño的多样性特征,且CMIP6多模式的模拟性能较CMIP5有明显提升。CMIP6模式不仅减弱了EP型El Niño空间模态模拟的离散性,而且还显著提高了CP型El Niño空间模态的模拟能力;CMIP5/6多模式基本能够模拟出两类El Niño的季节锁相性特征,但CP型El Niño衰亡时间较观测明显滞后3个月;同时CMIP5/6多模式模拟的EP型El Niño强度与观测值较为接近,但CP型El Niño的振幅却强于观测。在未来全球变暖背景下,CP型El Niño事件的发生频率相对于EP型事件将趋于降低;EP型和CP型El Niño振幅强度随着全球变暖加剧将被增强,且EP型增强幅度显著强于CP型。

CMIP5气候模式模拟的1850～2014年全球温度变化的集合经验模态分解

第五次耦合模式比较计划（CMIP5）集合了全球众多高水平气候模式,代表了目前气候模拟和预测的最高水平,然而这些模式均未能正确模拟出近期的全球增暖减缓现象,所模拟的温度严重偏高.基于HadCRUT4观测资料和CMIP5气候模式数据,使用集合经验模态分解（EEMD）方法,分析了1850~2014年全球温度的低频演变特征,评价了33个模式对其模拟结果,并探讨了模式对近年来全球增暖减缓模拟失败的原因.结果显示,受长期增暖趋势和多年代际振荡的主导,1850~2014年全球平均表面温度（GMST）的长期变化呈现出冷暖相间、波动增暖的特点.长期增暖趋势自20世纪以来一直较为稳定,近50年的平均增暖速度为0.0883℃/decade;多年代际振荡的平均周期为65年,在1850~2014年出现了2.5个波动,随时间推移,波动有加深变陡的趋势.20世纪后期的增暖加速现象是稳定的长期增暖趋势与多年代际振荡的暖位相相叠加的结果,二者各贡献了1975~1998年全球温度增加的1/3.近期多年代际振荡逐渐接近第3个波的峰值,增暖速度迅速减慢,受其影响全球温度的增暖步调也明显放缓,出现增暖减缓现象.在1850~2005年的历史试验期间,CMIP5气候模式对GMST的模拟结果与HadCRUT4观测较为接近,对20世纪后期的全球增暖加速现象模拟的尤为出色.但在RCP4.5情景下对2006~2014年的温度均值和线性趋势的预估严重偏高.这是由于CMIP5模式未能正确区分全球温度演变过程中的长期趋势和多年代际变化,所模拟的长期趋势偏高、偏快,多年代际信号位相混乱且振幅偏小.这说明大气CO2对气候的增暖效应可能被高估,而气候系统的年代际自然变化则被低估,这些偏差与目前对气候系统关键动力过程的认识不足密切相关.这一发现将为新一代长期气候变化预测模式的发展提出新的检验标准：气候模式应该有能力模拟全球温度变化的长期增暖趋势和周期约为65年的多年代际振荡.

基于CMIP5耦合气候模式的1.5℃和2℃升温阈值出现时间研究

利用CMIP5耦合气候模式的模拟结果,分析了不同排放情景下1.5℃和2℃升温阈值出现的时间。多模式集合平均结果表明:RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5排放情景下,全球地表温度将分别在2029年、2028年和2025年达到1.5℃升温阈值;RCP2.6情景下直至21世纪末期都未达到2℃升温阈值,RCP4.5和RCP8.5排放情景下达到2℃升温阈值的时间分别为2048年和2040年。伴随着排放情景的升高,完成从1.5℃升温阈值到2℃升温阈值所需要的时间缩短。区域尺度上,达到同一升温阈值的时间主要表现为陆地比海洋早,且陆地对排放情景差异的敏感性相对较差,而海洋达到升温阈值的时间则随着排放情景的升高而明显提前。中国达到相应升温阈值的时间要早于全球,且以东北和西北地区出现的时间最早。

基于改进U-Net的CMIP5全球气候模式降尺度方法及其在鄱阳湖流域的应用

利用降尺度方法对CMIP5全球气候模式进行空间降尺度并以此研究鄱阳湖流域未来气候时空变化趋势,能够为流域生态环境保护提供数据、技术和理论上的支持.通过简化原始网络结构,在网络首部添加插值层,采用反卷积算法作为上采样算法对传统U-Net网络进行改进,建立基于深度学习的气候模式空间降尺度模型(DLDM).以1965-2005年鄱阳湖流域共18个气象站点的实测数据为基准,基于IPSL-CM5A-LR和BCC-CSM1.1两个气候模式,在拟合精度和流域极端气候事件模拟能力两方面对比验证了降尺度方法和降尺度后气候模式的模拟性能,结果表明基于DLDM的方法优于基于线性回归的传统统计降尺度方法,IPSL-CM5A-LR模式模拟效果优于BCC-CSM1.1模式.利用DLDM对RCP2.6和RCP8.5两个排放情景下的IPSL-CM5A-LR模式数据进行空间降尺度,基于2006-2100年流域高空间分辨率气候数据分析两情景下流域未来气候的时空变化特征,结果表明流域未来气温在两情景下均持续升高,表现出位于流域中北部、西部、东部和南部4个高温中心,RCP8.5情景下流域气温更高,升温趋势和局部周期变化更加明显;流域未来降水在两情景下先增加后减少,变化趋势较为平缓,表现出北部、中东部和南部3个降水中心,在未来呈现五次“枯-丰”交替,RCP8.5情景下流域降水更少且变化更为剧烈,在2075年左右出现突变并存在周期性振荡.

基于模式集成的松花江流域气候模拟预估

以松花江流域为研究对象,采用CMIP5已发布的9个气候模式,模拟1951年~2000年历史降水和气温的月数据,对比实测资料运用3项数理统计指标评估模式的模拟性能;各模式降尺度后应用到4种集成方法。模拟结果表明,Can ESM2和MPI-ESM-MR模式模拟效果较好,多元回归集成表现最佳。利用优选的2个模式方法预估流域下游佳木斯站在RCP4. 5气候情景下未来逐月的降水和气温,并以预估的降水气温为因子构建线性回归模型计算流域未来径流的月变化过程。预估径流结果可为水资源管理及洪旱防治提供数据参考。

黄河流域未来极端气候事件变化趋势评估

极端气候事件会对陆地生态系统服务功能以及人类社会生活造成严重影响。针对GFDL、FGOALS和CCSM4这3种CMIP5气候模式,对RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5未来情景下的黄河流域极端气候时空变化特征进行研究。结果表明:RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5情景下流域日最高气温的上升速率分别为0.052、0.170、0.470℃/10 a,日最低气温的上升速率分别为0.029、0.170、0.460℃/10 a。日最高气温和日最低气温的空间分布规律呈现出一致性,从黄河上游河源区向中下游呈上升趋势。未来情景下黄河流域整体年降水量呈弱增加趋势,到21世纪后期,高温室气体排放情景下年降水量的增幅变大。

博尔塔拉河源流区径流对气候变化的响应及预测

冰川径流是西北干旱区径流的主要组成部分,研究未来气候变化对冰川径流的影响对西北干旱区径流至关重要。以博尔塔拉河上游源流区为研究区,构建嵌入冰川模块的SWAT模型,模拟温泉水文站1972-2018年月径流过程,并在此基础上研究了气候变化情景下(RCP4.5和RCP8.5)未来(2020-2050年)气候变化对冰川径流的影响。结果表明:SWAT模型能够很好地模拟源流区径流变化过程,在整个模拟期间,径流数据的纳什系数(NSE)为0.82,偏差百分比(PBIAS)为-3.22%,均方根误差与实测值标准差的比值(RSR)为0.42,决定性系数(R^(2))为0.84,模型性能评定为优。根据CMIP5气候模式2种情景的模拟结果,2种情景模拟未来总径流都呈现出增加趋势,分别将以0.31×10^(8) m^(3)·(10a)-1和0.40×10^(8) m^(3)·(10a)-1的速度继续增加,冰川径流占比较历史时期的27.61%分别提升了4.84%和9.38%。冰川径流增加是径流量增加的主要原因。通过相关性分析发现,随着气温的升高,冰川消融时间提前,冰川消融加速,冰川积累时间减少,导致冰川面积进一步的缩减。研究结果可为博河地区水文资料历史变化、未来演变趋势和预防气候变化带来的潜在风险提供依据。

RCP4.5情景下中国季风区及降水变化预估

本文使用国际耦合模式比较计划第五阶段（CMIP5）中共46个全球气候模式的数值试验结果，通过对中国区域的年、夏季和冬季降水气候态的模拟能力评估，择优选取了18个气候模式用来预估RCP4.5情景下21世纪中国季风区范围、季风降水及其强度变化。结果表明，相对于1986～2004年参考时段，RCP4.5情景下多数模式和所有模式集合平均在不同时段内均模拟出中国季风区面积、季风降水及其强度的增加趋势，最明显的时段出现在2081～2099年。其中，季风区面积扩张是导致季风降水增加的主要因素。在机制上，热力与动力条件变化均有利于季风降水强度的增加以及更多的水汽进入中国东部，从而引起季风区范围的扩大。

未来气候变化对大连周水子地区海水入侵程度的影响预测

滨海含水层的海水入侵程度受地下水开采量、海平面变化和降水补给量等多个因素影响。随着气候持续变化,预测未来气候情境下降水量变化对海水入侵程度的影响,可为区域水资源合理配置提供依据。本研究基于校正好的三维变密度地下水数值模拟模型(采用SEAWAT建立),预测了大连周水子地区海水入侵程度对不同降水频率及CMIP5气候模式下的预测降水量的响应。结果表明:未来海水入侵程度与未来降水量呈近似负相关关系,即降水量越少,海水入侵程度越严重;如海水入侵程度在枯水年较丰水年、平水年更加严重;7种气候模式下,MPI气候模式(S7-2-Y)下的未来年平均降水量最小,未来海水入侵程度也最严重,CNRM气候模式(S5-2-Y)下未来年平均降水量最大,未来海水入侵程度最不严重;此外,还发现每种气候模式不同温室气体浓度排放情景下的降水量对未来海水入侵程度几乎无影响。总而言之,未来海水入侵程度会愈加严重。该预测模型的建立可为国内类似滨海地区的实际水资源配置工作提供参考依据。

土地覆被和气候变化对锡林河流域径流量的影响

土地覆被和气候变化是影响流域水资源宏观调控以及合理规划的两个主要因素,以锡林河流域为研究区,借助锡林浩特及周边4个国家气象站点,通过设定情景模式与SWAT模型相结合的方法分别对其进行了分析研究。通过极端土地利用法对研究区内土地利用/覆被设定不同情景模式,研究了土地利用/覆被变化对径流量的影响,另外采用最新的气候模式CMIP5的两种RCP排放情景RCP4.5和RCP8.5,预测了未来气温、降水、径流的变化情形。结果表明:土地变化对径流量的年际变化影响较弱,但对于汛期径流量影响显著;研究区径流量对气候表现敏感程度非常显著,未来最低、最高气温均表现出增温趋势且未来降水、径流变化趋势基本保持一致,呈增长趋势。

1.5和2℃升温阈值下中国温度和降水变化的预估

基于CMIP5耦合气候模式模拟结果对1.5和2℃升温阈值时中国温度和降水变化的分析表明,1.5℃升温阈值时,中国年平均升温由南向北加强且在青藏高原地区有所放大,季节尺度上升温的空间分布与其类似,就区域平均而言,RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景下中国年平均气温分别升高1.83、1.75和1.88℃,气温的季节变幅以冬季升高最为显著;除华南和西南地区外中国大部分地区年平均降水量增多,降水的季节差异明显,以夏季降水的分布模态与年平均降水量的分布最为相似,区域平均的年降水量分别增加5.03%、2.82%和3.27%,季节尺度上以冬季降水增幅最大。2℃升温阈值时,RCP4.5和RCP8.5情景下中国年平均温度的空间分布与1.5℃升温阈值基本一致,中国年平均气温分别升高2.49和2.54℃,季节尺度上气温的变化以秋、冬季增幅最大;中国范围内年平均降水量基本表现为增多趋势,其中,西北和长江中下游部分地区表现为明显的季节差异,区域平均的年降水量分别增加6.26%和5.86%。与1.5℃升温阈值相比较,2℃升温阈值时中国年平均温度在RCP4.5和RCP8.5情景下分别升高0.74和0.76℃,降水则分别增加3.44%和2.59%,空间上温度升高以东北、西北和青藏高原最为显著,降水则在东北、华北、青藏高原和华南地区增加最为明显。

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.