CMIP5多模式预估的1.5℃升温背景下中国气温和降水变化

本文使用国际耦合模式比较计划第五阶段（CMIP5）中39个全球气候模式的试验数据,预估了相对于工业革命前期全球1.5℃升温背景下中国气温和降水变化。根据多模式中位数预估结果,在不同典型浓度路径（RCPs）情景下,相对于工业革命前期全球1.5℃升温分别发生在2034年（RCP2.6）、2033年（RCP4.5）和2029年（RCP8.5）。全球升温1.5℃时,中国年和季节气温平均上升1.8℃和1.6～2.1℃,其中冬季最强。增温总体上由南向北加强,青藏高原为高值中心。年和各季节增温均超过其自然内部变率,区域平均的信噪比分别为3.4和1.6～2.7。年和季节降水整体上在中国北方增加、华南减少;区域平均的年降水增加1.4%,季节降水增加0.1%～5.1%,冬季增幅最大。年和季节降水变化要远小于其自然内部变率,区域平均的信噪比仅为0.1和0.01～0.2。总体上,模式对气温预估的不确定性较小,对降水的偏大,其中对季节尺度预估的不确定性要高于年平均结果。     

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。     

“一带一路”区域未来气候变化预估

利用耦合模式比较计划第5阶段(CMIP5)提供的18个全球气候模式的模拟结果,预估了3种典型浓度路径(RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5)下“一带一路”地区平均气候和极端气候的未来变化趋势。结果表明:在温室气体持续排放情景下,“一带一路”地区年平均气温在未来将会持续上升,升温幅度随温室气体浓度的增加而加大。在高温室气体排放情景(RCP8.5)下,到21世纪末期,平均气温将普遍升高5℃以上,其中北亚地区升幅最大,南亚和东南亚地区升幅最小。对于降水的变化,预估该区域大部分地区的年降水量将增加,其中西亚和北亚增加最为明显,而且在21世纪中期,RCP2.6情景下的增幅要比RCP4.5和RCP8.5情景下的偏大,而在21世纪后期,RCP8.5情景下降水的增幅比RCP2.6和RCP4.5情景下的偏大。未来极端温度也将呈升高的趋势,增温幅度高纬度地区大于低纬度地区、高排放情景大于低排放情景。而且在高纬度区域,极端低温的增暖幅度要大于极端高温的增幅。连续干旱日数在北亚和东亚总体呈现减少趋势,而在其他地区则呈增加趋势。极端强降水在“一带一路”区域总体上将增强,增强最明显的地区位于南亚、东南亚和东亚。     

气侯变化对东部季风区赣江和官厅流域径流的影响

选取中国东部季风区南方赣江流域和北方官厅流域,基于逐日气象和水文观测数据率定和验证了HBV水文模型,并以国际耦合模式比较计划第五阶段（CMIP5）中输出要素最多的5个全球气候模式在3种典型浓度路径（RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5）下的预估结果驱动HBV模型,预估了气候变化对21世纪两个流域径流的影响。结果表明：(1) 1961—2017年,赣江和官厅流域年平均气温均呈显著上升趋势,升温速率分别为0.17℃/(10 a)和0.28℃/(10 a);同期,赣江流域降水显著增加,官厅流域降水微弱下降。不同RCP情景下,21世纪两个流域均将持续变暖、降水有所增加,北方官厅流域的气温和降水增幅均大于南方赣江流域。(2) 21世纪,官厅流域年、季径流增幅远大于赣江流域。官厅流域年径流在近期（2020—2039年）、中期（2050—2069年）、末期（2080—2099年）均呈增加趋势,RCP8.5情景下增幅最大、RCP4.5最小。赣江流域在RCP4.5下,近期、中期年径流相对基准期略有减少,但在整个21世纪径流呈上升趋势;RCP2.6和RCP8.5下,21世纪中期以后径流增幅下降。(3) 21世纪,东部季风区北部的官厅流域发生洪涝、南方赣江流域发生干旱的可能性增大,不同RCP情景预估得到相同的结论。     

RCPs情景下汉江流域未来极端降水的模拟与预估

采用应用于跨行业影响模式比较计划(ISIMIP)的5个CMIP5全球气候模式模拟的历史和未来RCP排放情景下的逐日降水数据,在评估模式对汉江流域1961—2005年极端降水变化特征模拟能力的基础上,进一步计算了RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5排放情景下汉江流域未来2016—2060年极端降水总量(R95p)、极端降水贡献率(PEP)、连续5 d最大降水(RX5d)和降水强度(SDII),结果表明:RCP4.5情景下的极端降水指数上升最明显,R95p和RX5d分别较基准期增加12.5%和8.2%,PEP增加3.2个百分点,SDII微弱上升。在不同排放情景下,PEP均有一定的增幅,以流域西北和东南部增幅较大;R95p在流域绝大部分区域表现出一定的增加,且流域东南部和北部是增幅高值区;RX5d在RCP2.6和RCP4.5情景下整体表现为增加的特征,但在RCP8.5情景下整体表现为减少的特征。对极端降水预估的不确定性中,SDII的不确定性最小,RX5d的不确定性最大;不确定性大值区主要位于流域东部、东南部和西北部部分区域。     

CMIP5和RegCM4.0模式对西南区域未来降水的预估

利用CMIP5全球模式数据集和RegCM4.0区域气候模式进行连续积分获得的模拟数据,对西南区域未来在RCP2.6,RCP4.5和RCP8.5几种温室气体排放情景下年平均降雨、四季降水,极端降雨事件的特征及其相对历史基准期的变化进行预估。结果表明,不同RCP情景下西南区域降水都将呈持续上升趋势,3种情景下西南区域降水在2020—2050年变化特征差别较小,2050年后差别较大,RCP2.6情景下降水变化幅度最小,CMIP5和RegCM4.0模式模拟的西南区域降水变化的地理分布特征基本一致,降水的高值区都位于青藏高原东南部,横断山脉和四川中部,差异在于RegCM4.0模拟的西藏西部的降雨量级更小,而青藏高原东南部、四川中部和贵州的降雨高值区量级更大。未来近期2020—2060年和远期2061—2099年RCP4.5情景下暴雨天数显著减少的区域主要在西藏东南部(0.5~1 d),未来远期2061—2099年RCP4.5情景云南南部和贵州东部区域暴雨天数显著性增加,而RCP8.5情景下上述区域暴雨天数显著性减少。     

2℃全球变暖背景下青藏高原平均气候和极端气候事件变化

利用CMIP5耦合模式RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景预估结果,以1890一1900年为基准气候,确定了2℃全球变暖时间、对应时期青藏高原平均气候和极端气候事件变化幅度,多模式集合平均结果表明:RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景下2℃全球变暖分别发生在2063年、2040年和2036年;对应着2℃全球变暖,三种情景下青藏高原平均气温分别升高2.99℃、3.22℃和3.28℃,均超过全球2℃的升温水平;年降水量亦增加,分别增加8.35%、7.16%和7.63%。受气温升高和降水量增多影响,RCP4.5情景下霜冻日数、冰封日数减少,暖夜日数、暖昼日数增多;RCP4.5情景下中雨日数、强降水量、降水强度均增加,持续干期天数减少。从各地平均气候和极端气候事件变化结果来看,柴达木盆地是青藏高原气候变化的敏感区。     

基于高分辨率模拟数据RCP4.5情景下的华中区域气候变化预估

基于RegCM4.4高分辨率区域气候模式数据和华中区域1986—2005年逐日气象观测资料,在对模式模拟性能检验的基础上,对中国华中区域未来不同时期、1.5℃和2℃温升阈值下气候变化进行预估。结果表明：模拟结果能较准确反映出区域气温、降水年内变化特征及空间分布特征;与观测值相比,气温模拟值偏低、降水模拟值偏大;与1986—2005年相比,未来RCP4.5温室气体排放情景下2020—2098年中国华中区域气温增幅为2.1℃,且以0.3℃/10 a的趋势增加,降水量无明显变化趋势;远期（2080—2098年）气温将上升2.88℃,降水将增加7.58%,均高于近期（2020—2035年）和中期（2046—2065年）;1.5℃温升情景下华中区域气温上升1.22℃,降水增加1.93%;2℃温升情景下,华中区域气温上升1.36℃,降水增加3.57%。     

中国降水季节性的预估

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数据,通过评估择优选取了14个模式来预估21世纪中国各季节降水百分率及其变率。结果表明,模式集合平均能够较好地模拟各季节降水百分率及其变率,但模式与观测间、各模式间都存在一定不同,空间上西部差异较大,季节上夏季差异明显。21世纪中国降水百分率整体表现为夏季大冬季小,但存在区域性,如华南春季降水百分率大于夏季。与1986~2004年相比,中国降水百分率整体表现为在夏季显著减少,冬春季显著增加,但高原则与之相反。此外,模式对于长江中下游地区降水百分率的预估存在较大不确定性。RCP8.5情景下降水季节性变幅要大于RCP4.5情景。降水季节性的变率在四季均表现出一定的增加趋势,但21世纪早、中和末期与1986~2004年相比并无显著差异（置信水平为95%）。     

CMIP5全球气候模式对贵州省极端气温的预估

利用泰勒图客观地评估了贵州省在参照时段1986—2005年8个CMIP5模式试验结果对气温的模拟能力,并采用在等权重系数条件下的集合平均结果计算了贵州省21世纪不同阶段不同情景下未来极端气温指数.研究表明：8个模式的集合平均的模拟效果能较好地模拟用于计算极端气温指数的基础数据,包括日平均气温、日最低气温和日最高气温.根据集合平均的结果,不同RCPs排放情景下21世纪贵州省相对于基准期大于25℃的高温日数（SU）、最低气温的最低值（TNN）和生长季长度（GSL）均表现为增加的趋势,而小于0℃的霜冻日数（FD）则呈现减少的趋势,排放越高,增加或减少的趋势越明显.RCP8.5、RCP4.5和RCP2.6情景下2006—2099年贵州省极端气温指数相对于1986—2005年SU、TNN、FD和GSL的变化速率分别为8.06~1.30 d／（10 a）、0.49~0.07℃／（10 a）、-4.99~-0.97 d／（10 a）和3.33~0.04 d／（10 a）.     

我国夏季降水及相关大气环流场未来变化的预估及不确定性分析

利用政府间气候变化专门委员会第四次评估报告(IPCCAR4)的15个耦合气候模式在不同排放情景下的模拟结果,对我国夏季降水及相关大气环流场的未来时空变化特征与模式之间的不确定性作了研究。结果表明,在全球变暖背景下,我国夏季降水表现出较强的局地特征。其中,我国东部和高原地区的降水在21世纪表现出明显的增加趋势,而且这种趋势随着变暖的加剧而增强,同时模式模拟结果之间的一致性也更好,表明这一结果的可信度较高。在全球变暖背景下,我国新疆南部地区表现为持续的降水减少趋势,而我国西南地区夏季降水的变化则呈现出先减少(21世纪初)后增加的特征,不同模式对降水这些局地特征的模拟也都表现出较好的一致性。其他地区夏季降水在21世纪的变化不大,同时模式模拟的一致性也较差。多模式模拟的我国未来百年夏季降水的这些变化特征在温室气体高、中、低不同排放情景下基本一致,A2情景预估结果变化最大,A1B次之,B1相对最小。东亚夏季大气环流场的预估结果显示,在全球变暖的背景下,大部分模式的模拟结果都表明,东亚夏季风环流有所增强,从而使得由低纬度大洋和南海地区向我国大陆的水汽输送增加,造成该地区大气含水量的增多,从而为我国东部地区夏季降水的增加提供有利条件。此外,随着全球变暖的加剧,西太平洋副热带高压持续增强,其变化对我国东部地区夏季降水的影响程度和范围也明显增大。这些环流场及其不确定性的分析结果进一步加强了我国夏季降水未来变化预估结果的可信度。     

气候变化及其未来情景

论述了百余年来气候变化的事实及对未来情景的预估。1861年以来,全球平均温度升高了0.6±0.2℃。20世纪90年代是20世纪最暖的10a。近百年来,降水分布也发生了变化,大陆地区尤其是中高纬地区降水增加,非洲等一些地区降水减少。气候模式模拟表明:全球平均地表气温到2100年时将比1990年上升1.4￣5.8℃。21世纪全球平均降水将会增加,但大部分年平均降水增加的区域很可能同时出现大的年际变化。全球平均海平面到2100年时将比1990年上升0.09￣0.88m。北半球雪盖和海冰范围将进一步缩小。未来,若干极端事件发生的频率会增加。     

Projections of annual mean air temperature and precipitation over the globe and in China during the 21st century by the BCC Climate System Model BCC_CSM1.0

Evaluating the projection capability of climate models is an important task in climate model development and climate change studies. The projection capability of the Beijing Climate Center (BCC) Climate System Model BCC CSM1.0 is analyzed in this study. We focus on evaluating the projected annual mean air temperature and precipitation during the 21st century under three emission scenarios (Special Report on Emission Scenarios (SRES) B1, A1B, and A2) of the BCC CSM1.0 model, along with comparisons with 22 CMIP3 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 3) climate models. Air temperature averaged both globally and within China is projected to increase continuously throughout the 21st century, while precipitation increases intermittently under each of the three emission scenarios, with some specific temporal and spatial characteristics. The changes in globally-averaged and China-averaged air temperature and precipitation simulated by the BCC CSM1.0 model are within the range of CMIP3 model results. On average, the changes of precipitation and temperature are more pronounced over China than over the globe, which is also in agreement with the CMIP3 models. The projection capability of the BCC CSM1.0 model is comparable to that of other climate system models. Furthermore, the results reveal that the climate change response to greenhouse gas emissions is stronger over China than in the global mean, which implies that China may be particularly sensitive to climate change in the 21st century.     

A Simulation of the Upper-Tropospheric Temperature Pattern in BCC_CSM1.1

A simulation of the upper-tropospheric temperature (UTT) by the Beijing Climate Center Climate System Model version 1.1 (BCC_CSM1.1) model is evaluated through a comparison with NCEP/NCAR reanalysis data. It is shown that this model has the ability to simulate the climate pattern of the UTT in all four seasons. The spatial correlation on the climatological distribution between the simulation and the observation is 0.92, 0.93, 0.90, and 0.93 for spring, summer, autumn, and winter, respectively. The first leading mode of the UTT in the simulation agrees with that in the observation, except that the simulated second leading mode corresponds to the observed first leading mode in spring. The standard deviation distribution of the simulation is also roughly consistent with the observation, with a pattern coefficient of 0.82, 0.78, 0.82, and 0.82 in spring, summer, autumn, and winter, respectively. The potential UTT change in the second half of the 21st century under the Representative Concentration Pathway 8.5 (RCP8.5) scenario is examined. The prominent change is that the summer UTT will increase over Eurasia and decrease over the North Pacific compared with the present, indicating that the zonal thermal contrast between Asia and the North Pacific will be strengthened within the context of future global warming. The intensity of the interannual variability of the UTT over the Asian-Pacific region is also generally increased. The zonal thermal contrast between Asia and the North Pacific will tend to be enhanced in winter, concurrent with the intensified interannual variability.     

Changes in Mean and Extreme Temperature and Precipitation over the Arid Region of Northwestern China:Observation and Projection

This paper reports a comprehensive study on the observed and projected spatiotemporal changes in mean and extreme climate over the arid region of northwestern China, based on gridded observation data and CMIP5 simulations under the RCP4.5 and RCP8.5 scenarios. The observational results reveal an increase in annual mean temperature since 1961, largely attributable to the increase in minimum temperature. The annual mean precipitation also exhibits a significant increasing tendency. The precipitation amount in the most recent decade was greater than in any preceding decade since 1961. Seasonally,the greatest increase in temperature and precipitation appears in winter and in summer, respectively. Widespread significant changes in temperature-related extremes are consistent with warming, with decreases in cold extremes and increases in warm extremes. The warming of the coldest night is greater than that of the warmest day, and changes in cold and warm nights are more evident than for cold and warm days. Extreme precipitation and wet days exhibit an increasing trend, and the maximum number of consecutive dry days shows a tendency toward shorter duration. Multi-model ensemble mean projections indicate an overall continual increase in temperature and precipitation during the 21 st century. Decreases in cold extremes, increases in warm extremes, intensification of extreme precipitation, increases in wet days, and decreases in consecutive dry days, are expected under both emissions scenarios, with larger changes corresponding to stronger radiative forcing.     

The Projection of Temperature and Precipitation over China under RCP Scenarios using a CMIP5 Multi-Model Ensemble

Climate changes in 21st century China are described based on the projections of 11 climate models under Representative Concentration Pathway (RCP) scenarios. The results show that warming is expected in all regions of China under the RCP scenarios, with the northern regions showing greater warming than the southern regions. The warming tendency from 2011 to 2100 is 0.06°C/10 a for RCP2.6, 0.24°C/10 a for RCP4.5, and 0.63°C/10 a for RCP8.5. The projected time series of annual temperature have similar variation tendencies as the new greenhouse gas (GHG) emission scenario pathways, and the warming under the lower emission scenarios is less than under the higher emission scenarios. The regional averaged precipitation will increase, and the increasing precipitation in the northern regions is significant and greater than in the southern regions in China. It is noted that precipitation will tend to decrease in the southern parts of China during the period of 2011-2040, especially under RCP8.5. Compared with the changes over the globe and some previous projections, the increased warming and precipitation over China is more remarkable under the higher emission scenarios. The uncertainties in the projection are unavoidable, and further analyses are necessary to develop a better understanding of the future changes over the region.     

中国未来极端气温变化的概率预估及其不确定性

本文基于第五次耦合模式比较计划的23个全球气候模式所提供的最高气温与最低气温在RCP4.5情景下的逐日格点资料,根据模式对5个极端气温指数的模拟能力,使用秩加权方法研究了中国未来极端气温变化的概率预估及其不确定性。结果表明,21世纪中期（2046—2065年）中国区域平均最高气温和平均最低气温的增加幅度相对于历史时期（1986—2005年）可能超过2.0℃（概率>66%),增加的大值区主要位于青藏高原南部。暖夜指数在中国大部分地区增加超过15%,西南和东南部沿海是增加的大值区,增幅超过20%。霜冻日数在全国范围内减少,减少的大值区位于青藏高原周围,减少日数超过了20 d。热浪指数在整个中国区域可能增加10 d以上,大值区位于西藏西南部,可达30 d。不确定性的结果表明,除热浪指数的可信度较低外,其余指数都有较高的可信度。到21世纪末期（2081—2100年),中国区域极端气温增加幅度超过前期,平均最高气温和平均最低气温很可能增加超过2.0℃（概率>90%),大值区除中国西部地区外,还扩展到了东北和青藏高原西南地区。中国大部分地区的暖夜指数增加超过15%,西南和南部沿海可能超过25%。大部分地区的霜冻日数减少20 d,青藏高原周围减少超过40 d。热浪指数在中国范围内增加20 d,青藏高原西南部增加40 d以上。除霜冻指数的信噪比略比21世纪中期大外,其余指数的信噪比与中期基本一致。     

CSIRO Mk3.6.0模式及其驱动下RegCM4.4模式对中国气候变化的预估

使用区域气候模式RegCM4.4,对全球模式CSIRO-Mk3.6.0在RCP4.5情景下的气候变化试验结果（1950-2100年）在东亚地区进行25 km动力降尺度试验,比较了CSIRO-Mk3.6.0和RegCM4.4预估中国地区的21世纪气候变化。结果表明,两个模式预估未来中国地区气温持续升高,升温幅度具有区域性特征,RegCM4.4预估区域平均升温幅度低于CSIRO-Mk3.6.0,但二者年际波动基本一致。两个模式预估未来降水在中国西部以持续增加为主,东部则表现出较大的不一致性,预估区域平均年降水量变化不大,呈现冬季明显增加,夏季微弱减少的特点。此外,为了解区域气候模式对中国降水预估的不确定性,对本研究和以往RegCM3使用相同分辨率模拟得到的未来降水预估进行了对比,两个区域模式预估中国西部大部分地区未来降水一致性增加,东部存在明显不一致（冬季中、高纬除外）。     

松花江流域气候变化及ECHAM5模式预估

 根据松花江流域1961-2000年观测气温、降水量资料和ECHAM5/MPI-OM模式对该流域21世纪前50 a气候变化的预估结果,分析了松花江流域1961-2000年年平均气温和年降水量变化,并对21世纪前50 a气温和降水量变化趋势进行了预估。结果表明,在全球变暖的背景下,作为中国气候变暖区域响应的先锋,松花江流域年平均气温自1980年代初持续升高,升温幅度比较显著;年降水量在1961-2000年无明显增加或减少趋势,年代际差异也不大。相对于1961-1990年的气候场,21世纪前半叶,年平均气温仍将呈明显增加趋势,到2040年代升温幅度达1℃以上,年降水量变化趋势不显著,可能微弱增加,但冬季平均气温和冬季降水量都呈增加趋势,春季降水量也为增加趋势。     

Projections of Annual Mean Air Temperature and Precipitation over the Globe and in China During the 21st Century bythe BCC Climate System Model BCC_CSM1.0

Evaluating the projection capability of climate models is an important task in climate model development and climate change studies. The projection capability of the Beijing Climate Center (BCC) Climate System Model BCC_CSM1.0 is analyzed in this study. We focus on evaluating the projected annual mean air temperature and precipitation during the 21st century under three emission scenarios (Special Report on Emission Scenarios (SRES) B1, A1B, and A2) of the BCC_CSM1.0 model, along with comparisons with 22 CMIP3 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 3) climate models. Air temperature averaged both globally and within China is projected to increase continuously throughout the 21st century, while precipitation increases intermittently under each of the three emission scenarios, with some specific temporal and spatial characteristics. The changes in globally-averaged and China-averaged air temperature and precipitation simulated by the BCC_CSM1.0 model are within the range of CMIP3 model results. On average, the changes of precipitation and temperature are more pronounced over China than over the globe, which is also in agreement with the CMIP3 models. The projection capability of the BCC_CSM1.0 model is comparable to that of other climate system models. Furthermore, the results reveal that the climate change response to greenhouse gas emissions is stronger over China than in the global mean, which implies that China may be particularly sensitive to climate change in the 21st century.