基于 ＩＰＣＣ-ＡＲ４模式资料的地面气温超级集合预测

利用参与IPCC-AR4的8个全球气候系统模式对20世纪气候模拟情景下地面气温的模拟结果,对其进行多模式集成处理。在此基础上,对这些全球气候系统模式在各种能源之间的平衡（A1B）情景下2010—2030年的地面气温进行多模式超级集合预测。结果发现,8个全球气候系统模式模拟的地面温度均方根误差都比多模式简单集合平均的大。超级集合相对于各个模式及简单集合平均的模拟效果更好,其均方根误差比最好的模式误差减小了13℃。在A1B情景下,超级集合预测未来20 a北半球平均地面气温将普遍升高,大洋上的增温幅度比陆地上小。中国东部地区以及青藏高原、新疆大部未来20 a气温将明显升高,内蒙东部和辽宁西部最高升温可达20~24 ℃,其余地区升温在20 ℃以内。     

基于CMIP5多模式回报资料的地面气温超级集合研究

利用CMIP5的15个全球气候系统模式对东亚及周边地区(70~150°E,0°~60°N)地面气温的回报结果进行超级集合(简称SUP)试验,以欧洲中期天气预报中心ERA逐月气温资料作为观测值,并采用均方根误差(RMSE)、距平相关系数(ACC)、绝对误差(MAE)对多模式集合平均(EMN)以及超级集合(SUP)的回报结果进行检验和评估。结果表明,超级集合回报结果一定程度上取决于训练期的长度。随训练期长度的增加,距平相关系数呈增大的趋势,均方根误差呈减小的趋势,但训练期达到一定长度后,误差不再有明显的减小,甚至出现误差增长。15个全球气候系统模式对东亚及周边地区的地面气温具有一定的回报能力,可以较好地回报出地面气温的年际变化和空间分布,海洋上回报的均方根误差小于陆地。但不同模式回报的结果不尽相同,在单模式中CCSM4对地面气温的回报效果最好。多模式集成的回报效果优于单模式的回报效果,SUP的回报效果优于EMN,其区域平均的均方根误差比多模式集合平均小0.43℃,超级集合极大地改善了地面气温的回报效果。     

CMIP5多模式资料中气温的BMA预测方法研究

利用CMIP5的8个全球气候系统模式对气温的回报结果进行贝叶斯模式平均(简称BMA)试验,并采用均方根误差、距平相关系数、连续等级概率评分等对多模式集合平均(简称EMN)和BMA的回报结果进行检验、评估。结果表明,EMN的回报效果优于8个单模式的回报效果,而BMA的回报效果最好,其区域平均的均方根误差比EMN小0.5℃左右。在此基础上,利用中等排放情景RCP4.5下CMIP5模式中的年际年代际预估资料对2011—2035年的气温进行预估。研究发现东亚地区在2011—2035年气温将普遍升高,海洋上的增暖幅度较小,陆地上的增暖幅度较大,且增暖幅度随纬度升高而增大。青藏高原及中国北方大部分地区气温将明显升高,升温幅度在1℃左右,而南方的升温幅度较小,约为0.3~0.6℃。     

CMIP5模式对21世纪全球和中国年平均地表气温变化和2℃升温阈值的预估

基于参加国际耦合模式比较计划第5阶段（CMIP5）的29个全球气候模式开展的历史气候模拟和3种典型浓度路径（RCP2.6、RCP4.5、 RCP8.5）下21世纪气候预估的结果,分析了单个模式和多模式集合平均（MME）的21世纪全球与中国年平均地表气温（ASAT）变化特征及2℃升温阈值的出现时间。多模式集合平均的结果显示：全球和中国年平均地表气温均将继续升高,21世纪末的升温幅度随着辐射强迫的增大而增大。RCP2.6情景下,年平均地表气温增幅先升高后降低,全球（中国）年平均地表气温在2056年（2049年）达到升温峰值,21世纪末升温1.74℃（2.12℃）;RCP4.5情景下,年平均地表气温在21世纪前半叶逐渐升高,之后升温趋势减缓,21世纪后期趋于平稳,21世纪末全球（中国）年平均地表气温增幅为2.60℃（3.39℃）;RCP8.5情景下,21世纪年平均地表气温快速升高,21世纪末全球（中国）年平均地表气温增幅为4.75℃（6.55℃）。全球平均的年平均地表气温增幅,在RCP2.6情景下没有超过2℃,RCP4.5和RCP8.5情景下分别在2047和2038年达到2℃。RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景下中国年平均地表气温增幅连续5 a不低于2℃的时间分别在2032、2033和2027年,明显早于全球平均。任一典型浓度路径情景下,达到2℃升温的时间,北半球同纬度地区早于南半球,同半球高纬度地区早于低纬度地区,同纬度地区陆地早于海洋。3种不同典型浓度路径情景下21世纪全球和中国年平均地表气温将继续升高这一结果是可信的,RCP4.5和RCP8.5情景下全球和中国年平均地表气温增幅超过2℃的结果模式之间有较高的一致性。多模式预估的全球和中国年平均地表气温升幅和不同幅度升温的出现时间均存在一定的不确定性,预估结果的不确定性随预估时间的延长而增大;相同情景下,中国年平均地表气温预估的不确定性大于全球。     

IPCC AR4多模式对海河流域气候模拟能力的评估及预估

根据海河流域1961-2010年气象观测资料,检验IPCC AR4中全球气候模式和多模式集合的模拟能力,并预估未来2011-2050年气候变化的可能趋势,结果表明:全球气候模式以及多模式集合对海河流域都具有一定的模拟能力,其中MIUB_ECHO_G模式和多模式集合具有相对较好的模拟能力.海河流域气温和降水未来情景预估表明:气温整体呈现增加趋势,尤其是A1B情景下各模式的年升温率均高于全国水平;未来降水也呈现增加趋势,在A1B和B1情景下,各模式都为夏季降水增加显著.A2情景下,春季时各模式降水均增加显著,A1B情景下,MIUB_ECHO_G模式模拟在2013年出现突变,降水量出现显著增长,A2情景下,MIUB_ECHO_G模式和多模式集合模拟的降水量则是在2031年和2001年出现突变,出现显著增长.     

基于TIGGE资料的地面气温多模式超级集合预报

基于TIGGE资料, 采用均方根误差分别对欧洲中期天气预报中心、日本气象厅、美国国家环境预报中心和英国气象局4个中心集合预报的地面气温场集合平均结果进行检验评估, 比较各中心地面气温的预报效果。并利用超级集合、多模式集合平均和消除偏差集合平均3种方法对4个中心的地面气温预报进行集成, 同时对预报结果进行分析。结果表明: 2007年夏季日本气象厅与欧洲中期天气预报中心在北半球大部分地区预报效果最好, 各中心在不同地区预报效果不同。超级集合与消除偏差集合平均降低了预报误差, 预报效果优于最好的单个中心预报和多模式集合平均。对于较长的预报时效, 消除偏差集合平均表现出了更好的预报性能。     

多模式集合对中国气温的模拟效果及未来30年中国气温变化预估

利用1961-1999年中国区域701个气象站气温观测资料,分析了20个全球气候模式(IPCCAR4)在中国区域地面气温的模拟能力;利用三因素统计方法,先确定各模式气温模拟的权重因子,最后对多模式做不等权重和等权重的集合模拟.在此基础上分析了A2,A1B,B1排放情景下未来时段(2011-2040年)中国区域的气温变化...     

东亚夏季海陆热力对比对全球变暖的响应

利用耦合模式比较20世纪气候模拟试验和21世纪SRES(Special Report on Emissions Scenarios)A1B情景气候预估试验结果,探讨了东亚区域海陆热力对比对全球变暖的响应。首先通过超级集合方法,重建了20世纪40a(1960—1999年)和预估了21世纪40 a(2020—2059年)东亚地区的海陆热力对比;在此基础上,分析了东亚夏季海陆热力对比的过去40 a的变化特征及其未来的可能变化趋势。结果表明,超级集合的方法能够有效地降低单个模式存在的不确定性,其结果优于多模式的算术平均结果。利用超级集合方法能够很好地再现1960—1999年间海陆热力差指数的变化特征,并且有效地降低与再分析资料的均方根误差。进一步分析发现,陆面温度在全球变暖背景下变化较明显,尤其在华南地区存在显著增温;而东亚大陆季风区,存在明显的降温趋势。利用超级集合方法预估未来海陆热力对比的结果表明,在2040年前存在较强的海陆热力差,而2050后海陆热力对比有减弱趋势。     

全球气候模式对宁夏区域未来气候变化的情景模拟分析

利用多个全球气候模式(GCM)的情景模拟结果分析只考虑温室气体效应的IS92a GG情景和同时考虑温室气体效应和硫化物气溶胶辐射效应的IS92aGS情景以及SRESA2、B2情景下宁夏区域21世纪地面气温和降水量的可能变化,并进行不确定性分析。气候基准时段(1961~1990年)模拟结果与观测资料的对比分析表明,GCM对宁夏气候具有一定的模拟能力;整体上讲,GCM对地面气温的模拟值偏低,对降水量的模拟值偏高,其中ECHAM4和HadCM3对宁夏基准时段地面气温和降水量的模拟结果与观测比较接近。各GCM模拟值的平均结果显示,4种温室气体排放情景下21世纪宁夏区域气温持续升高,至21世纪末宁夏升温幅度可达4~6℃,与全国平均的增温幅度大致相当;与升温趋势相应的是降水量的增加,但降水变化呈现出很大的波动性,至21世纪末宁夏的降水变化幅度可达10%~40%。各个GCM模拟的宁夏气候变化的总趋势是一致的,但各模式在不同情景下模拟结果的差异很大,存在较大的不确定性。     

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。     

1.5℃与2℃温升目标下“一带一路”主要陆域气温和降水变化的CMIP6多模式预估

基于CMIP6的16个全球模式试验数据,多模式集合预估了《巴黎协定》1.5℃/2℃温升目标下"一带一路"倡议的主要陆域未来气温和降水变化。与观测相比较,多模式集合能够比较准确地刻画"一带一路"主要陆域1995～2014年气温和降水的空间结构特征。在SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5三种不同路径情景下,相对于工业革命前(1850～1900年),全球升温1.5℃与2℃分别将发生在2020年代中后期与2040年左右。全球1.5℃与2℃温升目标下,预计"一带一路"陆域平均的气温分别显著升高1.84℃和2.43℃,两者相差0.59℃,模式间标准差分别为0.18℃和0.21℃;区域平均的降水分别显著增加20.14 mm/a和30.02 mm/a,相差9.88 mm/a,模式间标准差分别为10.79 mm/a和13.72 mm/a。两种温升目标下,"一带一路"主要陆域气温空间上均表现为一致性显著增暖,高纬度的增温幅度普遍比低纬度大;降水变化具有明显的空间差异性,地中海与黑海地区、中国南部至中南半岛地区减少,其他地区的降水普遍增加。P-E指数表征的干旱化未来在欧洲地区、中国南部至中南半岛地区、南亚印度东部地区、东南亚和赤道非洲中部地区达到最大。     

南极地区气候系统变化: 过去、现在和将来

南极科学委员会（SCAR）下属的"南极与全球气候系统（AGCS）计划"专家委员会发布了"南极与南大洋气候系统（SASOCS）"白皮书,重点评估了过去50 a南极地区气候系统的变化并预估了未来100 a情景。白皮书总体认为,过去50 a南极气候系统变化表现出很强的区域特征。南极半岛地区升温明显,半岛及亚南极岛屿上的冰川均处于退缩状态;南半球环状模（SAM）转为正位相,西南极上空的暖湿气团入侵加强,南极冬季对流层有升温趋势,平流层变冷,极涡消退日期推迟;东南极外围的南极底层水变淡,Weddell海区的底层水有变暖趋势。虽有上述区域变化,整个南极地区在过去50 a中近地面气温并无明显升高,降水亦无明显增加。自20世纪80年代以来海冰面积也无明显变化,只在某些扇区变化强烈。模式预估结果为：到21世纪末南极内陆地区将增暖（3.4±1.0）℃, 海冰面积将缩小约30%。现有的冰盖模式尚不足以回答未来气候变暖情景下冰盖融化与海平面变化之间的定量关系,有待更深入研究。     

南极地区气候系统变化: 过去、现在和将来

 南极科学委员会（SCAR）下属的"南极与全球气候系统（AGCS）计划"专家委员会发布了"南极与南大洋气候系统（SASOCS）"白皮书,重点评估了过去50 a南极地区气候系统的变化并预估了未来100 a情景。白皮书总体认为,过去50 a南极气候系统变化表现出很强的区域特征。南极半岛地区升温明显,半岛及亚南极岛屿上的冰川均处于退缩状态;南半球环状模（SAM）转为正位相,西南极上空的暖湿气团入侵加强,南极冬季对流层有升温趋势,平流层变冷,极涡消退日期推迟;东南极外围的南极底层水变淡,Weddell海区的底层水有变暖趋势。虽有上述区域变化,整个南极地区在过去50 a中近地面气温并无明显升高,降水亦无明显增加。自20世纪80年代以来海冰面积也无明显变化,只在某些扇区变化强烈。模式预估结果为：到21世纪末南极内陆地区将增暖（3.4±1.0）℃, 海冰面积将缩小约30%。现有的冰盖模式尚不足以回答未来气候变暖情景下冰盖融化与海平面变化之间的定量关系,有待更深入研究。     

CMIP5模式对中国地区气温模拟能力评估与预估

利用第五次国际耦合模式比较计划（CMIP5）中29个气候模式的气温模拟结果,评估了各模式对中国地区年平均气温的模拟能力,对未来不同典型浓度路径（RCPs）下中国地区气温的可能变化给出了预估。结果表明：各模式能较好地模拟过去100多年中国地区增温趋势和年平均气温的空间分布,从模式间标准差来看,各模式对中国中部、南部气温模拟具有较高的一致性。利用相对均方根误差分析了各模式的模拟能力,对于多时间尺度（月、年）气温的气候平均态,有7个模式表现良好,高于中等水平,5个模式的模拟能力低于中等水平,模式集合平均值的模拟效果优于大多数单个模式。根据29个模式的评估结果,使用模拟性能相对较好的模式分析了未来不同排放情景下中国地区气温变化,21世纪前期,不同排放情景之间的预估结果差别较小,21世纪中期各情景之间的差别逐渐增大,到21世纪后期,3种排放情景的升温差别明显增大。     

青海高原未来SRESA1B情景下气候变化分析

利用国家气候中心发布的中国地区气候变化预估数据集中的全球气候模式加权平均集合数据,分析了未来温室气体中等排放情景下(SRESA1B),青海高原不同地区未来气候变化趋势,并分析了2020时段和2050时段青海高原不同地区的气候特点,分析结果表明:2001—2100年青海各地气温均呈明显的增加趋势,全省平均增温率为4.09℃/100年,年降水量呈增多趋势,全省平均变化率为62.63mm/100年。与气候基准年相比,2020年全省年平均气温升高1.44℃,全省平均降水距平百分率为4.18%;2050年全省平均升温幅度为2.63℃,全省平均降水距平百分率为8.75%。由于目前全球气候模式的分辨率还较低,气候模式在诸多方面还有待完善,因此所提供的未来情景数据存在一定的不确定性。     

青藏高原未来30～50年A1B情景下气候变化预估

基于政府间气候变化委员会第四次评估报告(IPCC-AR4)所采用的20个气候模式在未来大气温室气体中等排放情景(A1B)下模拟结果的集合平均以及一个全球气候模式模拟输出驱动下的动力降尺度(downscaling)分析结果,对青藏高原地区未来30～50年的气候变化趋势进行了预估研究.结果表明,从2030-2049年相对于1980-1999年气候平均值的变化来看,青藏高原大部分地区年平均地面气温的升温幅度在1.4～2.2℃之间,高海拔地区的增温一般更为显著,西藏西部的冬季增暖将达到2.4℃以上.降水量的变化相对较小,青藏高原大部分地区和全年多数季节降水可能增加,但未来30～50年青藏高原地区降水率增量通常不超过5%.考虑到未来大气温室气体排放程度、多模式集合预估以及区域尺度气候模拟等多方面均可能存在不确定性,这里给出的青藏高原未来气候变化预估结果应适时检验和修正.     

2℃全球变暖背景下中国未来气候变化预估

相对于工业化革命前期, 全球年平均地表气温上升2℃的时间和相应的气候变化受到了广泛关注, 特别是包括欧盟成员国在内的许多国家和国际组织已经将避免2℃全球变暖作为温室气体减排的首要目标。为此, 本文作者基于16个气候模式在20世纪气候模拟试验和SRES B1、A1B和A2温室气体和气溶胶排放情景下的数值模拟试验结果, 采用多模式集合方法预估研究了2℃全球变暖发生的时间、对应的大气中主要温室气体浓度以及中国气候变化情况。根据模式集合平均结果, 三种排放情景下2℃全球变暖分别发生在2064年、2046年和2049年, 大气二氧化碳当量浓度分别为625 ppm、645 ppm和669 ppm (1 ppm=10-6)。对应着2℃全球变暖, 中国气候变暖幅度明显更大。从空间分布形势上看, 变暖从南向北加强, 在青藏高原地区存在一个升温大值区; 就整体而言, 中国区域平均的年平均地表气温上升2.7～2.9℃, 冬季升温幅度 (3.1～3.2℃) 要较其他季节更大。年平均降水量在华南大部分地区减少0～5%, 而在其余地区增加0～20%, 中国区域年平均降水增加3.4%～4.4%, 各季节增加量在0.5%～6.6%之间。     

Climate Change over China with a 2°C Global Warming

相对于工业化革命前期,全球年平均地表气温上升2℃的时间和相应的气候变化受到了广泛关注,特别是包括欧盟成员国在内的许多国家和国际组织已经将避免2℃全球变暖作为温室气体减排的首要目标.为此,本文作者基于16个气候模式在20世纪气候模拟试验和SRES B1、A1B和A2温室气体和气溶胶排放情景下的数值模拟试验结果,采用多模式集合方法预估研究了2℃全球变暖发生的时间、对应的大气中主要温室气体浓度以及中国气候变化情况.根据模式集合平均结果,三种排放情景下2℃全球变暖分别发生在2064年、2046年和2049年,大气二氧化碳当量浓度分别为625 ppm、645 ppm和669 ppm(1 ppm=10-6).对应着2℃全球变暖,中国气候变暖幅度明显更大.从空间分布形势上看,变暖从南向北加强,在青藏高原地区存在一个升温大值区;就整体而言,中国区域平均的年平均地表气温上升2.7～2.9℃,冬季升温幅度(3.1～3.2℃)要较其他季节更大.年平均降水量在华南大部分地区减少0～5％,而在其余地区增加0～20％,中国区域年平均降水增加3.4％～4.4％,各季节增加量在0.5％～6.6％之间.     

西北地区未来10a气候变化趋势模拟预测研究

应用中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体动力学数值模拟国家重点实验室研发的全球海洋-大气-陆面过程气候系统耦合模式(IAP/LASGGOALS),引入IPCC AR5提供的温室气体情景排放浓度,模拟检验1951—2015年西北地区的气候变化并预测未来10 a西北地区气候变化趋势。结果表明,西北地区增温始于1970年代末期,明显增温开始于1980年代中期;模式能基本体现西北地区的气候变化。未来10 a,西北地区年平均气温依然呈上升趋势,到2030年,西北地区年平均气温将会上升约1. 67℃,其中,西北地区西部升温幅度最大、北部最小、东部介于两者之间;降水的时空分布比较复杂,总体而言,西北地区西部降水将会增多,而东部地区降水依然相对偏少,干旱程度可能会进一步加重。     

华中地区2030年前气温和降水量变化预估

根据区域气候模式对华中地区1961-1990年和2001-2030年的逐月平均气温和降水量的模拟值（0.5°×0.5°经纬度格点,A2情景）,以1961-1990年为基准,计算并分析了该区域未来30 a（2001-2030年）的年、季平均气温和降水量的变化趋势。对气温变化而言,未来30 a华中地区年平均气温呈上升趋势,平均升温0.3℃,东部增温大于西部;春、夏季平均气温上升,分别为0.1～1.3℃、0.8～2.2℃;秋季北部地区气温下降,南部地区气温升高;冬季平均气温下降0.0～1.0℃。就降水而言,未来30 a华中地区年平均降水量大部分地区呈减少趋势,空间分布有南增北减的特点;春、夏、冬季平均降水量大部分地区减少,冬季平均降水量的减幅要大于春、夏季;秋季大部分地区平均降水量增加。