CAMS-CSM模式及其参与CMIP6的方案

世界气候研究计划(WCRP)组织开展的耦合模式比较计划已实施到第六阶段（CMIP6),中国气象科学研究院发展的气候系统模式CAMS-CSM是注册参加CMIP6的模式之一。除CMIP6要求的气候诊断、评估和描述试验（DECK）以及历史气候模拟试验（Historical）外,CAMS-CSM还计划参加情景模式比较计划（ScenarioMIP)、云反馈模式比较计划（CFMIP)、全球季风模式比较计划（GMMIP）和高分辨率模式比较计划（HighResMIP)这4个模式比较子计划（MIPs)。文中通过介绍CAMS-CSM的基本情况和模拟性能,以及计划参加的CMIP6试验及MIPs,为模式试验数据使用者提供参考。     

CMIP6HighResMIP对青藏高原气候模拟的评估和预估

高分辨率模式模拟被认为是研究资料相对欠缺的青藏高原地区气候变化的重要方法之一。第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)新增了高分辨率模式比较计划(HighResMIP),但其对青藏高原气候的模拟性能尚未系统评估。本研究分析了6对(更高、较低分辨率)CMIP6 HighResMIP模式对青藏高原当前气候的模拟能力,并集合预估了近期青藏高原气候的变化趋势。相对较粗分辨率模拟,所有(2/3)模式的更高分辨率模拟减少了平均降水(气温)的区域平均偏差。泰勒图涉及指标的综合评估显示,约1/3模式的更高分辨率对平均气温和降水模拟效果优于较低分辨率,其余模式的更高分辨率则接近或者劣于较低分辨率。集合平均结果优于单个模式,且其更高分辨率模拟效果总体优于较低分辨率。更高分辨率模式集合预估显示,相对于1995—2014年,在SSP5-8.5情景下到2021—2040年青藏高原整体呈增温趋势,东南部增温相对较弱;降水从北到南呈增加-减少-增加的变化模态;青藏高原气温将平均增加(0.81±0.91) ℃,降水将平均增加(0.05±0.25) mm/d。     

FGOALS-g模式及其参与CMIP6的方案

为参加第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）和进一步提高模式的模拟能力,大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（LASG）模式团队发展了新一代的格点大气版本的FGOALS-g耦合模式。新版本模式在大气分辨率、海洋网格,以及各分量模式的物理过程等方面都有一定的改进,并正在参与CMIP6最核心的试验以及多个CMIP6模式比较子计划试验。给定CMIP6外强迫,模式在工业革命前参照试验（piControl）和大气模式比较计划（AMIP）试验中模拟的初步结果都比较合理。     

清华大学CIESM模式及其参与CMIP6的方案

世界气候研究计划（WCRP）组织实施第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6),清华大学联合国内多家单位,通过多年的模式研发,完成联合地球系统模式（CIESM),除了CMIP6的气候诊断、评估和描述试验（DECK）和历史气候模拟试验（Historical),模式拟参与6个CMIP6子计划。通过介绍该模式的基本情况及其参与的试验子计划,为今后模式试验数据使用者提供参考。     

CMIP5气候模式对东亚夏季平均环流场模拟能力的评估

利用第五次耦合模式比较计划(Phase 5 of Coupled Model Intercomparison Project,CMIP5)提供的30个全球气候模式模拟的1961~2005年的夏季逐月环流场资料及同期NCEP再分析资料,引入泰勒图及各种评估指标,探讨全球气候模式对东亚夏季平均大气环流场的模拟能力,寻求具有较好东亚夏季环流场模拟能力的气候模式。结果表明:1)全球气候模式能够模拟出东亚夏季平均大气环流的基本特征,CMIP5模式的总体模拟能力较第三次耦合模式比较计划(CMIP3)有较大程度的提高,如CMIP5模式对东亚大部分地区夏季海平面气压(Sea Level Pressure,SLP)场的模拟偏差在6 h Pa以内。2)模式对不同层次环流场的模拟能力存在差异,500 h Pa高度场的模拟能力最强,其次为100 h Pa高度场、850 h Pa风场,SLP场最弱;对东亚夏季主要环流系统的模拟对比发现,模式对印度热低压及东伸槽强度指数的模拟能力最好。3)综合CMIP5模式对东亚夏季各层次平均环流场以及主要环流系统的模拟能力,发现模拟较好的5个模式为CESM1-CAM5、MPI-ESM-MR、MPI-ESM-LR、MPI-ESM-P和Can ESM2。4)相对于单一模式,多模式集合平均(MME)模拟能力较强,但较优选的前5个模式集合平均的模拟能力弱。     

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.     

CMIP5全球气候模式对中国地区降水模拟能力的评估

使用多种观测资料和43个参加耦合模式比较计划第五阶段（CMIP5）的全球气候模式模拟数据,评估分析了全球气候模式对中国地区1980-2005年降水特征的模拟能力。结果表明：多数CMIP5模式能够模拟出中国降水由西北向东南递增的分布特点,这与耦合模式比较计划第三阶段（CMIP3）的模式模拟结果类似,但华南地区降水模拟偏少,西部高原地区降水模拟偏多。模式能够较好地模拟出降水冬弱夏强的季节变化特征,但降水模拟系统性偏多。从EOF分析结果来看,多数CMIP5模式可以再现中国地区年平均降水的时空变化特征,集合平均的表现优于CMIP3。多模式集合在月、季、年时间尺度下模拟的平均值优于大部分单个模式的结果。CMIP5中6个中国模式的模拟能力与其他模式相当,其中FGOALS-g2、BCC-CSM1-1-m的模拟能力相对较好。     

BCC模式及其开展的CMIP6试验介绍

世界气候研究计划（WCRP）正在组织实施第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6),国家气候中心作为参与单位之一,通过近几年的模式研发,推出3个最新模式版本参与该计划,包括含有气溶胶化学模块的地球系统模式BCC-ESM1.0、中等分辨率气候模式BCC-CSM2-MR和高分辨率气候模式BCC-CSM2-HR。除了CMIP6中的气候诊断、评估和描述试验（DECK）和历史气候模拟试验（Historical),这3个模式共将参与CMIP6中的10个模式比较子计划。文中主要介绍这3个模式的基本情况以及所开展的CMIP试验,并对BCC-CSM2-MR模式的Historical试验结果进行简要评估,为试验数据使用者提供参考。     

FGOALS高分辨率气候模式系统模式研制与应用综述

当今气候系统模式发展的重要趋势之一,是通过提高模式的空间分辨率,改进对气候系统中多尺度相互作用过程和极端事件的模拟能力。过去5年里,中国科学院大气物理研究所发展并完善了25 km分辨率大气环流分量模式FAMIL2.2、1/10°分辨率海洋环流分量模式LICOM3.0,并以此为基础建立了高分辨率气候系统模式FGOALS-f3-H。利用上述高分辨率模式,开展了大量的数值模拟试验和预报/预测研究,其中包括国际耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）的高分辨率模式比较子计划（HighResMIP）,建立了海洋环流预测系统（LFS）等。初步评估分析表明,相对于低分辨率模式,高分辨率模式对气候平均态和气候变率的模拟能力均有明显改进。其中高分辨率大气环流模式可以更好地模拟台风、极端降水事件,高分辨率海洋模式可以更好地模拟海洋中尺度涡旋和西边界流,而高分辨率耦合模式则可以更好重现中尺度海气相互作用过程、热带不稳定波动（TIW）等事件。     

CMIP模式对冬季北半球大气环流与青藏高原冬春季气温相关关系的模拟评估

本文评估了36个CMIP5模式和39个CMIP6模式对近期观测中揭示的北半球冬季大气环流与高原冬春气温之间的相关关系的模拟能力。利用最大协方差(MCA)分析方法,计算并比较了观测和模式中冬季北半球200 hPa位势高度场与同后期青藏高原近地面气温的耦合关系。整体而言,大部分CMIP模式能够模拟出显著的冬季北半球大气环流与青藏高原气温之间的相关关系,且CMIP6模式模拟相关特征和作用机制的能力较CMIP5均有所提升。与观测相比,历史情景下36个CMIP5模式中有26个能够模拟出显著的大气环流与同后期高原气温之间的相关关系,其中对于相关的位势高度场空间模态的模拟明显好于对高原气温异常场空间模态的模拟。同情景下39个CMIP6模式中有37个能模拟出显著相关关系,且CMIP6模式更能模拟出观测中MCA模态的位势高度场上北极涛动(AO)和西太平洋遥相关型(WP)反相位叠加的大气环流特征。在对MCA模态时间变率的模拟上,大部分模式都能重现青藏高原整体变暖的趋势,部分模式能够模拟出观测中位势高度场时间主成分的年际变率,并且CMIP6表现要优于CMIP5。对耦合环流型的动力诊断显示,相比CMIP5模式,CMIP6中有更多模式可以模拟出极地—高原之间的遥相关波列,且对波列结构的模拟更完整。     

Performance of CMIP6 models in simulating the dynamic sea level: Mean and interannual variance

Observational data from satellite altimetry were used to quantify the performance of CMIP6 models in simulating the climatological mean and interannual variance of the dynamic sea level (DSL) over 40°S–40°N. In terms of the mean state, the models generally agree well with observations, and high consistency is apparent across different models. The largest bias and model discrepancy is located in the subtropical North Atlantic. As for simulation of the interannual variance, good agreement can be seen across different models, yet the models present a relatively low agreement with observations. The simulations show much weaker variance than observed, and bias is apparent over the subtropics in association with strong western boundary currents. This nearshore bias is reduced considerably in HighResMIP models. The underestimation of DSL interannual variance is at least partially due to the misrepresentation of ocean processes in the CMIP6 historical simulation with its relatively low resolution. The results identify directions for future model development towards a better understanding of the mean and interannual variability of DSL.摘要本研究采用卫星测高数据与第六次国际耦合模式比较计划 (CMIP6) 海平面动力进行对比, 重点针对40°S–40°N地区的动力海平面 (DSL) , 评估了模式对其平均态与年际变率的综合模拟能力. 结果表明, 对于DSL平均态的模拟, 模式与观测结果非常吻合, 模式之间的差异较小. 其中, 副热带北大西洋是模拟偏差和模式间差异较为显著的区域. 对于DSL年际变率的模拟, 模式之间保持较高的一致性, 但是, 模式与观测结果存在明显差异, 模式普遍低估了DSL的年际方差; 其中, 误差大值区域出现在副热带西边界流附近. 模式分辨率会影响CMIP6对中小尺度海洋过程的重现能力, 这可能是导致CMIP6历史模拟出现误差的原因之一.     

CMIP6与CMIP5对历史大气层顶和地表辐射收支模拟的时空对比

基于云和地球辐射能量系统观测数据集（CERES),对比分析了耦合模式比较计划第五（CMIP5）和第六阶段（CMIP6）模拟的历史大气层顶和地表辐射收支的年际变化和空间分布,明确了多模式间不确定性大的关键区域。结果表明：在年际尺度上,除地表向上长波辐射外,CMIP6的辐射分量的集合均值较CMIP5更接近于CERES观测值,全球地表向下短波辐射的高估和大气逆辐射的低估在CMIP6中分别降低了1.9 W/m²和3.3 W/m²。除大气逆辐射外,CMIP6的辐射分量在多模式间的一致性较CMIP5提高。在北极,CMIP6对大气层顶反射短波、大气层顶出射长波和地表向下短波辐射的模拟偏差较CMIP5大。在南北纬60°,CMIP6对大气逆辐射的模拟偏差较CMIP5大。其他区域CMIP6的辐射分量更接近CERES观测值。CMIP6模拟的地表向下短波辐射和大气逆辐射的不确定性较大区域面积较CMIP5减小,但不确定性极大区域面积无变化。地表净辐射的不确定性空间分布在两代CMIP间变化甚小。青藏高原、赤道太平洋、热带雨林、阿拉伯半岛和南极洲沿海依然是地球系统模式模拟辐射收支不确定性极大的关键区域。     

CMIP3及CMIP5模式对冬季和春季北极涛动变率模拟的比较

结合NCEP再分析资料,评估了28个参加第五次耦合模式比较计划（CMIP5）的耦合模式对1950-2000年冬、春季北极涛动（AO）变率的模拟能力,并与CMIP3模式模拟结果进行了对比。结果表明,尽管CMIP5模式没能模拟出冬、春季AO指数前30年处于显著的负位相期而后20年处于显著的正位相期的特征,但是基本能够模拟出冬、春季AO指数1950-2000年显著的增强趋势以及振荡周期,多模式集合改进了模拟效果。同样,CMIP3模式没能模拟出冬、春季AO指数前30年处于显著的负位相而后20年处于显著的正位相的特征,而且1950-2000年冬、春季AO指数的增强趋势在CMIP3模式模拟结果中也没有表现出来,多模式集合没有改进模式模拟效果。不仅如此,CMIP3模式对AO指数的长期变化周期模拟不好,只是模拟出了冬季周期为2～3 a的振荡,没有模拟出春季AO指数的4～5 a振荡周期。尽管CMIP5模式对冬、春季AO指数的模拟能力还不够理想,没有完全模拟出AO指数的变化特征,但是相对于CMIP3模式,无论是对AO指数变化趋势的模拟还是对其变化周期的模拟,CMIP5模式都有所提高。     

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。      

第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）评述

世界气候研究计划（WCRP）发起了新一轮的国际耦合模式比较计划（CMIP6),目的是回答当前气候变化领域面临的新的科学问题,为实现WCRP“大挑战”计划所确立的科学目标提供数据支撑。文中回顾了CMIP的发展历程,介绍了CMIP6的组织思路,阐述了CMIP6核心试验及23个模式比较子计划（MIPs）的科学关注点,总结了参与CMIP6的全球模式概况以及中国的贡献。最后,从继承性和创新性等角度对CMIP6进行了评述,指出了CMIP6组织和实施中存在的问题,并对CMIP未来的发展进行了展望。     

Does CMIP6 Inspire More Confidence in Simulating Climate Extremes over China?

Based on climate extreme indices calculated from a high-resolution daily observational dataset in China during1961–2005, the performance of 12 climate models from phase 6 of the Coupled Model Intercomparison Project(CMIP6),and 30 models from phase 5 of CMIP(CMIP5), are assessed in terms of spatial distribution and interannual variability. The CMIP6 multi-model ensemble mean(CMIP6-MME) can simulate well the spatial pattern of annual mean temperature,maximum daily maximum temperature, and minimum daily minimum temperature. However, CMIP6-MME has difficulties in reproducing cold nights and warm days, and has large cold biases over the Tibetan Plateau. Its performance in simulating extreme precipitation indices is generally lower than in simulating temperature indices. Compared to CMIP5, CMIP6 models show improvements in the simulation of climate indices over China. This is particularly true for precipitation indices for both the climatological pattern and the interannual variation, except for the consecutive dry days. The arealmean bias for total precipitation has been reduced from 127%(CMIP5-MME) to 79%(CMIP6-MME). The most striking feature is that the dry biases in southern China, very persistent and general in CMIP5-MME, are largely reduced in CMIP6-MME. Stronger ascent together with more abundant moisture can explain this reduction in dry biases. Wet biases for total precipitation, heavy precipitation, and precipitation intensity in the eastern Tibetan Plateau are still present in CMIP6-MME, but smaller, compared to CMIP5-MME.     

CAS FGOALS-f3-H Dataset for the High-Resolution Model Intercomparison Project (HighResMIP) Tier 2

Following the High-Resolution Model Intercomparison Project (HighResMIP) Tier 2 protocol under the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6), three numerical experiments are conducted with the Chinese Academy of Sciences Flexible Global Ocean-Atmosphere-Land System Model, version f3-H (CAS FGOALS-f3-H), and a 101-year (1950–2050) global high-resolution simulation dataset is presented in this study. The basic configuration of the FGOALS-f3-H model and numerical experiments design are briefly described, and then the historical simulation is validated. Forced by observed radiative agents from 1950 to 2014, the coupled model essentially reproduces the observed long-term trends of temperature, precipitation, and sea ice extent, as well as the large-scale pattern of temperature and precipitation. With an approximate 0.25o horizontal resolution in the atmosphere and 0.1° in the ocean, the coupled models also simulate energetic western boundary currents and the Antarctic Circulation Current (ACC), reasonable characteristics of extreme precipitation, and realistic frontal scale air-sea interaction. The dataset and supporting detailed information have been published in the Earth System Grid Federation (ESGF, https://esgf-node.llnl.gov/projects/cmip6/).