气候模式与水文模拟关键技术研究进展及展望

近几十年来国内外研究者针对全球气候变化与水文模拟相关的科学问题进行了大量的研究,因此有必要对其进行系统的回顾。首先以降水和气温为例,回顾了历史时期观测到的气候变化;然后结合最新的CMIP6计划,简要叙述了气候模式研究与水文模拟研究的关键技术方法,包含气候模式的研究进展、气候变化情景的构建技术、气候模式的评估与未来的预估、水文模型的选择和气候模式-水文模型的连接技术;同时拓展到气候变化影响评估的不确定性来源及量化方法;最后讨论了气候变化与水文模拟研究中存在的问题,并结合国家和行业发展需求提出了研究展望。     

北京气候中心气候系统模式研发进展——在气候变化研究中的应用

较全面地介绍了北京气候中心气候系统模式(BCC_CSM)研发所取得的一些进展及其在气候变化研究中的应用,重点介绍了全球近280 km较低分辨率的全球海-陆-气-冰-生物多圈层耦合的气候系统模式BCC_CSM1.1和110 km中等大气分辨率的BCC_CSM1.1(m),以及大气、陆面、海洋、海冰各分量模式的发展。BCC_CSM1.1和BCC_CSM1.1(m)气候系统模式均包含了全球碳循环和动态植被过程。当给定全球人类活动导致的碳源排放后,就可以模拟和预估人类活动对气候变化的影响。BCC_CSM1.1和BCC_CSM1.1(m)已应用于IPCC AR5模式比较,为中外开展气候变化机理分析和未来气候变化预估提供了大量的试验数据。还介绍了BCC_CSM1.1和BCC_CSM1.1(m)参与国际耦合模式比较计划(CMIP5)的大量试验分析评估结果,BCC_CSM能够较好地模拟20世纪气温和降水等气候平均态和季节变化特征,以及近1000年的历史气候变化,所预估的未来100年气候变化与国际上其他模式的CMIP5试验预估结果相当。初步的分析表明,分辨率相对高的BCC_CSM1.1(m)在区域气候平均态的模拟上优于分辨率较低的BCC_CSM1.1。     

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。     

BCC气候系统模式开展的CMIP5试验介绍

气候系统模式是研究气候变化机理和预测未来气候变化不可替代的工具。世界气候研究计划(WCRP)组织的耦合模式比较计划(CMIP),为国际耦合模式的评估和后续发展提供了重要的平台。参与该计划的试验数据资料被广泛应用于气候变化     

IPCC AR6报告解读：人类活动对气候系统的影响

2021年8月9日,IPCC发布了第六次评估报告(AR6)第一工作组报告,报告第三章“人类活动对气候系统的影响”定量评估了人类活动对气候系统的影响程度以及气候模式对观测到的平均气候、气候变化和气候变率的模拟性能。报告基于气候系统的多个圈层变量的综合评估明确指出,毋庸置疑的是,自工业化以来人为影响已经使大气、海洋和陆地升温;支撑本次评估的国际耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）气候模式模拟的大多数大尺度气候指标的近期平均气候,相比前一次评估报告（AR5）中的CMIP5模式结果有所改进。报告在更广泛的领域和区域提供了更多证据表明气候系统中的人类活动影响,但受制于观测、模式与过程认知的不足,在大气、海洋、冰冻圈、生物圈及气候变率模态的多个指标变化中人为影响的贡献方面仍然存在不确定性甚至缺少研究。     

第四次国际古气候模拟比较计划（PMIP4）概况与评述

古气候模拟比较计划（PMIP）是古气候数值模拟领域一项重大的国际合作研究计划,其主旨是为古气候模拟和模拟结果评估提供一个协调机制,理解过去气候变化的物理机制和气候反馈的重要作用,为未来气候预估提供科学依据。同时,通过对比分析验证模式的模拟性能,探索其不确定性,促进耦合气候系统模式的发展。PMIP目前进行到第四阶段（PMIP4)。PMIP4进一步加强了与第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）的协作,选取了5组共同关注的PMIP4-CMIP6古气候模拟试验（中全新世、末次盛冰期、过去千年、末次间冰期和上新世暖期),考察气候系统对不同气候背景的综合响应。除此以外,PMIP4还设计了众多敏感性试验研究不同外强迫因子的影响。PMIP4模拟试验不仅为古气候研究提供大量的模拟数据,还将服务于CMIP6及其他众多模式比较计划。     

淮河流域水文极值预测模型研究

为探索气候变化影响下水文极值的非平稳性和预测方法,建立了水文极值非平稳广义极值（GEV）分布的统计预测模型。利用1952-2010年淮河上游流域累计面雨量和流量年最大值资料、同期500 hPa环流特征量资料以及17个CMIP5模式对环流特征量的模拟结果,筛选出对水文极值影响显著的年平均北半球极涡强度指数作为GEV分布参数的预测因子。分析了在RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景下2006-2050年淮河上游流域水文极值对气候变化的响应。结果表明,10年以下与10年以上重现期的水文极值在非平稳过程中呈现前者下降而后者上升的相反变化趋势;多模型预测的集合平均在未来情景中均呈现上升趋势,情景排放量越大增幅越大,重现期越长增幅也越大。与极值的常态相比,极值的极端态更易受气候变化影响。     

CMIP5模式对西太平洋副热带高压的模拟和预估

利用国际耦合模式比较计划第五阶段（CMIP5）26个模式的模拟结果,从空间分布和振幅变化、年际周期及年代际趋势等方面,初步评估了CMIP5模式对西太平洋副热带高压（副高）的模拟能力。在此基础上,还对未来不同典型浓度路径（RCPs）情景下副高的可能变化给出了定性的预估。CMIP5模式历史试验结果显示,大多数模式对500 hPa位势高度气候平均值的模拟有明显误差,这主要是由于模式对热带印度洋和西太平洋地区海表温度（SST）的模拟普遍较观测值低,从而导致模式对副高的模拟能力有限。但大多数模式对高度场和纬向风场变化的空间形态与振幅都有较强的模拟能力。因此,通过用NCEP/NCAR再分析资料的气候平均值替代CMIP5模式气候平均值的简单方法,对CMIP5模拟结果进行了订正。经订正后的模式结果均有能力刻画副高指数的历史时间序列,且能够反映出20世纪70年代末期之后,副高面积增大、强度增强和显著西伸的变化趋势。此外,通过对副高指数的长期趋势、年际周期及标准差等的定量评估,注意到CNRM-CM5、FGOALS-g2、FIO-ESM、MIROC-ESM和MPI-ESM-P这5个模式对副高的模拟能力较强。未来气候预估试验中,副高面积和强度均增大,且显著西伸;其线性增长趋势在RCP8.5情景下最高,RCP4.5情景下次之,RCP2.6情景下最弱。有趣的是副高脊线指数在3种排放情景下都没有明显的长期变化趋势。这些结果为选取和利用CMIP5模式进行东亚地区气候变化的归因分析和未来预估提供了一定的科学依据。     

CMIP5全球气候模式对中国黄河流域气候模拟能力的评估

利用格点化观测资料,对第5次耦合模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project phase 5,CMIP5)提供的18个全球气候模式在黄河流域的模拟能力进行评估和客观选择。结果表明:基于1961—2005年黄河流域逐日的气温和降水观测资料,对黄河流域气候进行了模拟评估,通过对气候平均态、年际变率、季节循环、年际变化主要模态及概率密度函数等方面的模拟能力进行统计评价,分析得到所有模式模拟能力的综合评分排序,剔除较差的模式样本。最终选择的5个全球气候模式分别为MIROC-ESM-CHEM、CSIRO-Mk3-6-0、NorESM1-M、CNRM-CM5和EC-EARTH,5个全球气候模式综合评分较优,且基本可以覆盖18个CMIP5模式对黄河流域未来平均气温预估的不确定性分布,形成了可用于黄河流域气候变化研究的多模式集合系统。     

气候变化对淮河蒙洼蓄滞洪区启用风险影响评估

基于RCP情景下47个IPCC CMIP5气候模式模拟数据和大尺度水文模型VIC,预估了未来（2021-2050年）气候变化对淮河蒙洼蓄滞洪区启用的可能影响。结果表明：与基准期（1971-2000年）相比,多模式预估淮河上游未来多年平均气温一致呈增加趋势,平均增幅范围0.2～1.7℃。不同模式对降水预估差异较大,但有超过70%的模式预估降水呈增加趋势,平均增幅为3.4%～4.1%。未来气候情景下,王家坝断面洪水总体呈增加趋势,20年一遇的洪水强度平均增幅19%,洪水频率将增大,蒙洼蓄滞洪区启用可能更加频繁,启用的风险加大。     

全球海气耦合模式对中国区域年代际气候变化预测能力的评估

利用4个海气耦合模式对1960～2005年的多年代际回报结果,评估模式对中国区域年代际气候变化(温度和降水)的预测潜力,并初步给出2005～2015年的气候预测结果。与CMIP3多模式集合1960～2000年结果以及观测实况比较的结果表明:融入观测资料进行同化的年代际气候预测模式,对中国区域温度和降水的模拟能力总体好于CMIP3模式。年代际气候预测模式对温度气候场的模拟仍以"冷偏差"为主,但较之CMIP3模式已有显著改进,中国区域平均的冷偏差减少1.3°C;对降水气候场的模拟仍以"湿偏差"为主,但在华南沿海和西北内陆降水的模拟能力优于CMIP3模式,中国区域平均的湿偏差降低了20%。年代际模式和CMIP3模式都能较好地模拟出中国区域尤其是北方20世纪后期的增暖信号;但CMIP3模式对20世纪后期中国东部降水的旱涝结构演变的模拟与观测相反;而年代际气候预测模式未能再现华北偏旱的变化,但能成功地模拟江淮流域和华南沿海的旱涝演变。2005～2015年的10年预测表明中国区域将继续增暖0.3～0.7°C,且增温幅度北方大于南方,增幅中心位于西北内陆和青藏高原;而降水的变化趋势不显著,黄淮地区、西北内陆和青藏高原的降水略有增加,而西南地区降水将减少。但需要指出的是,这种预测的不确定性是相当大的。     

<气象>1999年选题计划要点

1 综合评述 本专题主要刊登关于气象及相关学科国内外研究动态的综合评述: 1.1 气候变化、气候模拟、短期气候预测、气候变化对人类社会和经济的影响的研究进展及发展趋势;     

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.     

CMIP6全球气候模式对中国极端降水模拟能力的评估及其与CMIP5的比较

对CMIP6全球气候模式在中国地区极端降水的模拟能力进行了综合评估。基于CN05.1观测数据集和32个CMIP6全球气候模式的降水数据,采用8个常用极端降水指数对极端降水进行了定量描述。研究结果表明,在极端降水的气候平均态方面,CMIP6多模式集合对1961—2005年中国地区区域平均的8个极端降水指数模拟的平均相对误差为29.94%,相较CMIP5降低了2.95个百分点。极端降水的气候变率方面,CMIP6多模式集合对区域平均的8个极端降水指数模拟的平均相对误差为10.10%,相较CMIP5降低5.45个百分点。此外,利用TS评分进行模式间比较,CMIP6的平均分（0.78）高于CMIP5（0.75）,且模拟能力排名前五的模式中CMIP6占4个。对比14个同源模式的TS评分可以发现,CMIP6（0.91）相对于CMIP5（0.68）的模拟能力显著提高。进一步研究发现,CMIP6相对于CMIP5对不同区域极端降水模拟能力的改进有所区别:CMIP6对干旱区平均的气候态和变率方面改进明显,而对于湿润区的改进主要表现在对极端降水空间相关模拟能力的提高。综上,在中国地区,CMIP6相较于CMIP5对极端降水的模拟能力总体上有提升。      

白垩纪温室气候机制的模拟研究评述

 白垩纪是地质史上一个典型的温室气候时期，国际上围绕白垩纪气候成因开展了一系列模拟研究。在评述白垩纪古气候模拟的基础上，讨论了气候模式的应用和发展、古气候边界场设置和模拟试验，分析白垩纪温室气体、古地理、古海洋以及海陆生态系统对气候的作用和反馈。这些古气候模拟试验锁定在气候变化的关键时段和驱动因子、测试地球内外动力和地球各圈层反馈作用，可为认识温室气候的成因、探讨气候变化内在机制和预测未来气候提供重要的科学依据。     

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.     

CMIP5和CMIP3对东亚降水和全球热带气旋模拟效果的评估

<正>自IPCC第五次评估报告2013年正式发表以来,对全球气候模式模拟效果的评估有进一步深入的研究,一些最新的评估对CMIP3和CMIP5的大量模式对东亚降水和全球热带气旋的模拟效果做了定量检验~([1-4])。众所周知,东亚地区的降水量和全球热带气旋是气候模式模拟的难点,因此定量评估大量气候模式对这几个变量的模拟效果是值得重视的。1对东亚地区降水量的模拟效果评估选用31个CMIP5模式(其中4个中国模式BCC-     

Evaluation of the performance of CMIP5 and CMIP6 models in simulating the South Pacific Quadrupole-ENSO relationship

先前的观测研究表明,南太平洋四极子海温模态(SPQ)可以有效地作为ENSO的前兆信号.本文利用20个CMIP6模式及其对应的20个先前的CMIP5模式的工业化前气候模拟试验数据,评估和比较了CMIP6以及CMIP5模式对SPQ与ENSO的关系的模拟能力.结果表明,大多数CMIP5和CMIP6模式可以合理地模拟SPQ的基本特征.与早期的CMIP5模式相比,CMIP6模式能够更加真实地模拟SPQ与ENSO之间的关系.进一步分析表明,CMIP6模式模拟SPQ与ENSO关系的能力提高,是因为CMIP6模式能够更好地模拟出在副热带/热带太平洋上与SPQ相关的表面海气热力耦合过程,以及在赤道太平洋上与SPQ相关的次表层海温的异常相应.     

CMIP6的设计

正目前第六阶段耦合模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project Phase 6,简称CMIP6)正在紧张有序地进行中,这次参加对比的气候模式都是地球系统模式,其所有模式的全部计算结果将提供给各国科学家在研究全球和区域气候变化科学、影响和对策中使用。为便于大家了解和在未来的应用,这里简述CMIP6的设计~([1])。1 CMIP6设计考虑的科学焦点(1)科学背景。核心是生物地球化学强迫和反     

青藏高原21世纪气候的降尺度预估

青藏高原作为世界的“第三极”,影响中国乃至全球的气候变化,准确预测其未来气候变化对指导区域可持续发展具有重要意义。为此,以1979—2015年为基准期,对三个地球系统模式（GFDL-ESM2G,IPSL-CM5R-MR,MIROC5）进行统计降尺度,预估了2021—2100年青藏高原年均气温和降水量的时空变化特征,并分析了冷、暖季平均气温和降水量的变化趋势。结果表明：时间上,气温和降水量均显著增加;空间上存在差异,西部和东南部气温变化趋势率大而中部小,降水量变化趋势率的变化范围随模拟排放强度的增加而加大,同时年平均气温和年降水量都在未来10年变化趋势率最大。预测气温和降水量变化趋势率与排放情景有关,RCP85情景下气温和降水量的增加趋势率最大,RCP45情景次之,RCP26情景最小。随着排放强度的增加,冷暖季气温和降水量变化趋势差异加大。降尺度数据可支撑气候、水文和作物等模式进行情景研究,可为未来气候变化以及水循环研究提供重要的基础信息。