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。     

全球及中国区域气候变化预估研究主要进展简述

自IPCC评估报告发表以来,气候模式对未来气候变化的预估成为人们重视的问题。因此,本文回顾了IPCC前4次报告对全球未来气候变化预估的主要结论,并对全球及区域气候模式对中国地区的模拟和预估结果进行了分类总结,得出区域气候模式由于分辨率更高、对特殊地形的模拟能力更强,因此比全球气候模式的模拟和预估结果更准确;同时讨论了目前存在的问题及今后研究的方向。     

兰江流域气候与水文模拟研究

该文建立了气候-水文嵌套模式,用于气候变化情景下流域气候、水文模拟,并在此基础上进行水资源评估.首先应用20km高分辨率的区域气候模式RegCM3,嵌套全球环流模式FvGCM的大气部分,在中国东部地区进行了两组30a积分的模拟试验,即控制试验和未来预测试验.控制试验(1961-1990年)结果表明,RegCM3能较细致地刻画浙江省的地形分布,模拟的浙江省的多年平均气温和降水均呈现出明显的地形特征,与实况较为符合.兰江流域年平均气温模拟较好,但夏季降水模拟量明显偏低.在未来预测试验中,构建了SRES A2排放情景下兰江流域2071-2100年的气候变化情景.然后,用兰江流域的历史观测资料对分布式水文模型DHSVM进行了率定和验证,该模型较好地再现了兰江流域的历史径流过程,具有较好的模拟特性.最后,将RegCM3的两组试验结果输入到DHSVM中,驱动模型进行水文模拟.模拟结果表明:相对于1961-1990年,兰江流域2071-2100年各月的平均气温均呈上升趋势,年平均气温上升幅度达2.84 ℃;年降水量也将增加,主要发生在4-7月的汛期,可能会导致汛期洪涝灾害发生频率上升;年径流深变化与年降水量变化基本一致,汛期径流将明显增加.在全球持续变暖的背景下,兰江流域未来高温热浪和洪涝等气候、水文极端事件有可能进一步加剧.     

气候变化影响下的流域水循环:以长江和黄河典型流域为例

在对IPCC提供的多种大气环流模式(GCMs)适用性评估的基础上,采用SDSM和ASD统计降尺度模型生成未来气候变化情景,驱动分布式水文模型VIC和SWAT,分别对长江和黄河典型流域进行分布式水文模拟,定量探讨气候变化对流域水循环的影响。结果表明,适应性评估可以有效降低GCMs选择的不确定性,统计降尺度方法能够明显改善全球气候模式降水和气温输出结果。与基准期(1961—1990年)相比,未来时期(2046—2065年和2081—2100年)长江下游太湖流域径流量呈现微弱减少趋势,但汛期东南部径流量增加显著,而黄河上游流域径流量则呈下降趋势。研究结果可为开展我国各大流域适应气候变化研究提供一定的参考依据。     

随机天气模型参数化方案的研究及其模拟能力评估

文中介绍了随机天气模型 WGEN的基本结构及其模拟原理 ,并针对其中随机过程的统计结构特征和 GCMs输出要素的不同时空尺度特点 ,利用动态数据的参数化分析方法等统计学技术 ,确定了该模型参数的估计方法。同时基于蒙特卡罗数值计算原理 ,给出了 WGEN的随机试验方法 ,并通过模拟基准气候 ,从时间分布和空间场两方面对模型在中国东北地区的模拟效果及其能力进行了评估。结果表明 ,模型对于最高气温、最低气温、降水和辐射等要素均具有较好的模拟效果 ,模拟序列与观测序列的取值分布有较一致的概率特性。由此可以结合 GCMs大尺度网格上输出的月和年要素值 ,通过调控随机过程的参数 ,生成具有不同气候变率的 2× CO2 逐日气候变化情景 ,实现气候预测模式与气候影响模式的嵌套 ,进一步研究气候变率变化的可能影响。     

可计算一般均衡框架下的气候变化经济影响综合评估

气候变化是21世纪人类面临的重大挑战之一,并对自然系统和社会经济系统造成了各种负面影响。对气候变化的影响进行经济评估是气候变化研究中的重要问题。而可计算一般均衡框架下的综合评估模型（CGE_IAMs）是评估气候变化经济影响的有效手段之一,文中对气候变化影响经济评估的主要CGE_IAMs进行了文献调研,并对这些模型进行了比较分析。研究表明不同模型在温室气体排放、气候参数的处理方式以及气候影响的引入机制等方面有着较大区别,因而各模型对气候变化影响的经济评估结果也有一定的差异。此外,当前CGE_IAMs在评估气候变化经济影响时存在支撑数据未及时更新、方法不细致以及评估不全面等问题。未来该领域的相关研究应该更加关注于模型与支撑数据的精细化和开源化,此外还应加强CGE_IAMs中经济模块与复杂气候模式的耦合。     

中国暴雨洪涝预报方法的研究进展

针对中国暴雨洪涝灾害频发的现象及其带来的严重影响和损失,结合我国有关暴雨洪涝灾害预报方法的研究进展,对洪涝灾害预报方法的研究进行了总结与回顾。随着卫星遥感、地理信息系统等技术的不断发展与完善,暴雨洪涝灾害预报的方法由简单的数值统计方法发展成为水文模型预报法,从简易的经验模型、水动力学模型,到集总式水文模型,再发展到分布式水文模型;通过水文模型预报方法,结合气象水文耦合预报实现实时洪水预报并进行动态评估,不断提高洪水预报的精度和预见期,为暴雨洪涝灾害预报提供可靠数据和决策依据。最后,在总结归纳基础上,指出了当前暴雨洪涝灾害预报方法的不足,提出了不断提高水文观测技术、加强分布式水文模型与地理信息系统的耦合、加强与气象模型的耦合等方面的研究是进一步提高暴雨洪涝灾害预报准确率的主要发展方向。     

分位数映射法在RegCM4中国气温模拟订正中的应用

将一种分位数映射法RQUANT,应用到一个区域气候模式（RegCM4）所模拟中国气温的误差订正中。从气候平均态、年际变率、极端气候及农业气候等多方面,评估了该方法对日平均气温、日最高气温和日最低气温模拟的订正效果。结果表明,该订正方法对模式模拟的日平均、日最高和最低气温气候平均态的订正效果都非常明显,中国大部分地区的订正结果与观测的偏差在±0.5℃之间。在降低极端气温指数和农业气候相关指数的模拟误差方面也有显著的效果,但对气温年际变率的订正效果有限。结合以往对降水订正的评估分析,该方法对模式模拟结果有较好的订正效果,可以应用于区域气候模式的气候变化模拟预估中,为气候变化及相关影响评估研究提供更适用和可靠的数据。     

对地球系统模式评估方法的回顾

对地球系统模式评估方法的回顾表明,近些年该领域有明显的进展,包括从单个变量到地球系统五个圈层多变量、多过程、多现象的定量评估,从气候态的评估到气候变化(如趋势性、周期性、年代际变率)、极值、异常和现象的定量评估,从定性评价到定量计算模式模拟的可靠性和不确定性,在多模式的利用中开始考虑模式之间的独立性和相似性,以及对气候预测和预估的效果进行定量评估和不确定性的贡献分析。     

利用随机天气模式及多种插值方法生成逐日气候变化情景的研究

针对目前大气环流模式在用于气候变化影响评估研究中时间分辨率较低的局恨性, 以及气候情景的要求和气候变化影响研究的需要, 结合GCM的模拟试验结果, 利用随机天气模式WGEN生成了中国东北地区未来气候变化的逐日情景, 其中包含了可能的气候变率信息, 可与作物动力模式等气候影响模式嵌套, 研究作物生长发育及其产量的可能变化, 及气候变率变化的可能影响等.     

我国华东地区月尺度气候动力预测的研究:(Ⅰ)区域模式建立及模拟检验

用一个耦合了VXM水文模型的区域气候模式RegCM3,采用了较高的水平分辨率(40 km),对我国华东地区进行月尺度短期气候模拟及评估。本文主要介绍系统建立和使用1981~2000年共20 d的月尺度资料进行的气候模拟试验和检验研究,使用国家气候中心提出的计算评估方法,针对近地层温度和降水做了评估。结果表明,本系统在“消除”系统模拟偏差后,可以较稳定地对我国华东地区的温度和降水进行月尺度短期模拟,评分结果较高。总之,由对此区域气候模式的模拟能力的初步检验与评估看来,可进一步研究此模式,以作为业务预报模式投入实际应用。     

气候变化综合评估模型的损失函数研究进展

该研究从综合评估模型(IAM)的模型耦合视角出发,介绍了当前损失函数的研究进展,主要从损失函数的构建方法、损失函数与IAM气候模块和经济模块的耦合以及IAM与气候模式的耦合角度分析了损失函数的耦合功能及其存在的科学问题,探讨了损失函数的改进方向。通过文献梳理发现,损失函数的构建方法上,主要采用专家判断法、元分析法和统计学方法,但各有优缺点;与气候模式的耦合功能上,损失函数多以温升为气候变化因素,降水等气候变化信息无法表达,且由全球尺度的年平均值进行标定,不能体现区域的差异和季节的变化,无法直接描述极端气候事件造成的巨大损失;与经济模块的耦合功能上,基于生产部门的损失函数缺乏间接损失评估功能,缺乏对经济增长的动态影响机制。针对上述IAM中气候变化对经济影响的反馈机制的不足,需重点从细化区域气候变化因素影响和细分经济产业部门两个方向重构损失函数,紧密连接气候模式与经济模块,全面评估气候变化经济损失,并需要从技术上解决损失函数在耦合经济模块与气候模式时出现的时空尺度不匹配问题,最终为IAM与气候模式甚至地球系统模式的耦合提供重要的解决方案。     

一个区域气候模式水文过程的改进及年尺度模拟研究

本文将更符合物理过程实际的考虑入渗非均匀和降水非均匀的水文模型VXM并入区域气候模式RegCM3模式,利用此区域水文气候模式分别对1988、1990、1991年3个不同气候年的水文气候进行了模拟.模拟结果表明,模式对入渗非均匀和降水非均匀的响应在年尺度上是敏感的:模式能成功模拟年平均降水及降水的年内变化,较好地再现了降水分布和大小;并入VXM模型后模式对南方径流的模拟能力得到较大的提高,模拟的年平均及年内变化与实际较为一致.结果还表明,径流机制的改进有助于改善降水模拟能力,并引起蒸发、温度等气候要素相应的变化;并入VXM模型后对模拟结果的影响更主要体现在夏季.     

为IPCC第五次评估报告提供的全球气候模式预估

IPCC自1990年到2007年的4次评估报告都进行了未来气候变化预估,唱主角的一直是全球气候模式.从对未来气候变化的预估,到气候变化影响和对策评估研究,全球模式起了主导作用.因此,关注全球气候模式预估动态对第五次评估报告是非常重要的一个环节.     

全球变暖中的科学问题

2013年各国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第一工作组发布了第五次气候变化科学评估报告,以大量的观测分析和气候模式模拟证据,继续强调由于人类排放增加,全球正在变暖,未来将继续变暖的观点。本文综述研究全球变暖的几个深层次的科学问题,即多套全球气温观测资料的差异、不同标准气候态时段的作用、20世纪全球变暖的检测和归因及未来全球气温变化的走向,以此提出需进一步研究的科学问题。结果表明;需要进一步提高观测资料的质量;注意不同标准气候态时段对应的数值的不同;应进一步改善气候模式模拟年代际变率的能力及研究近15 a全球变暖减缓和停滞的原因,从而改善气候模式的模拟效果;造成预估未来全球气候变化的不确定性主要来自气候模式的差异、未来排放情景的差异及气候系统内部变率影响和自然外强迫的作用。     

从检验CMIP5气候模式看CMIP6地球系统模式的发展

世界气候研究项目（WCRP）正在组织第六次气候模式对比计划（CMIP6）,全球各个气候模式组正在抓紧发展新模式和做多种相关的数值试验。此时,有必要回顾大量CMIP5气候模式模拟气候变化的效果,以便展望CMIP6的地球系统模式的可能发展前景。目前IPCC第六次评估报告正在启动和进行中,其中所用的主要工具是CMIP6的地球系统模式。     

自然气候变异与人为气候变化对径流影响研究进展

 在回顾IPCC于1990-2007年4次关于气候变化对径流影响的评估报告进展的基础上,将第一次与第二次评估报告归纳为第一代--以气候均值变化对径流影响及其适应为主要特征;第三次与第四次评估报告为第二代--突出人为气候变化与自然气候变异对径流影响及其适应问题,分析了常规的气候变化对水文水资源影响评估方法的发展过程及存在的问题。研究结果反映了年代际时间尺度的自然气候变异的影响,而未能考虑与极端事件发生频次和强度变化密切相联的日、季和年际尺度的气候变异的影响,从而低估了气候变暖对洪水、干旱以及农业灌溉需水的负面作用。在介绍国内外研究的基础上,为第五次IPCC评估报告提出了加强交叉学科综合研究的建议。     

气候变暖条件下水文循环变化检测与归因研究的几点认识

气候变化检测与归因的实践指南(GPGP)综合了4种检测归因方法,它囊括了目前研究这一因果链采用的不同途径。自1990年政府间气候变化专门委员会(IPCC)第一次评估报告以来,气候变化的检测与归因从气温升高和其他系统或变量变化趋势的研究开始,经历了从全球、半球、海洋与陆地、七大洲乃至区域尺度的细化进程。人为气候变化的指纹检测与归因方法已普遍用于全球大尺度水文循环要素——纬度带平均降水、强降水、径流、比湿、水汽含量等时空型态变化的研究,个别地也应用到流域尺度,如以冰雪融水补给为主的河流的天然流量、积雪和最低温度变化的研究。对于以降水为主,且受人类活动干扰较大的流域,观测的水文循环要素变化的检测与归因,大多数聚焦于观测的气候要素及非气候变量对其的影响,而不回答变化是自然的还是人为强迫引起的。这种方法要求高质量长系列的观测数据、先进的统计检验技术以及物理基础好的水文模型。对于水文循环要素对气候变化敏感的流域,若观测数据满足要求,则采用正规的检测与归因方法或最优指纹法识别外强迫及驱动因子的影响研究,将具有重要科学意义和发展前景。     

自然气候变异与人为气候变化对径流影响研究进展

在回顾IPCC于1990-2007年4次关于气候变化对径流影响的评估报告进展的基础上,将第一次与第二次评估报告归纳为第一代--以气候均值变化对径流影响及其适应为主要特征;第三次与第四次评估报告为第二代--突出人为气候变化与自然气候变异对径流影响及其适应问题,分析了常规的气候变化对水文水资源影响评估方法的发展过程及存在的问题。研究结果反映了年代际时间尺度的自然气候变异的影响,而未能考虑与极端事件发生频次和强度变化密切相联的日、季和年际尺度的气候变异的影响,从而低估了气候变暖对洪水、干旱以及农业灌溉需水的负面作用。在介绍国内外研究的基础上,为第五次IPCC评估报告提出了加强交叉学科综合研究的建议。     

土地利用变化对气候影响的研究进展

为满足人类对食物、纤维、水和居住地的需求,全球土地利用格局发生了巨大的变化,IPCC 第四次评估报告（IPCC,2007）指出土地利用变化是人类影响气候的重要强迫之一。土地利用变化对气候的影响分为生物地球物理作用和生物地球化学作用。分别对有关生物地球物理作用和生物地球化学作用的研究进展以及研究热点进行了综述;并从定量评估两者对气候影响的相对贡献以及两者共同效应的角度,回顾了辐射强迫计算和耦合模式数值模拟两种方法的研究进展,及其在森林恢复、人工造林以及碳封存等气候变化应对措施可行性评估中的应用。最后分析和展望了当前土地利用变化对气候影响相关研究中的不确定性以及未来发展方向。