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。     

中全新世时期中国地区水循环因子变化的模拟研究

利用全球气候模式CAEM3嵌套区域模式MM5模拟了现代和中全新世时的气候,从模拟结果可以发现中全新世有效降水变化中心随季节变化,最大的有效降水增加出现在夏季东北地区和内蒙古东部,最大值超过3 mm/d;同时,黄河与长江之间区域降水减少,最大变化超过2 mm/d.中国北方地区云量增加,同时,中国东部的长江流域云量减少.高云量变化较小,低云量变化最大,最大变化超过2成.夏季,对应着黄河与长江之间区域的云量减少,这个区域的温度升高最大.从水汽的变化可以看到长江流域地区水汽减少,相对湿度也减少,这与云量的变化一致;华南地区水汽的变化与季节有关;东北地区水汽增加,相对湿度增大,对应云量的增加和降水增多.从结果可以发现相对湿度最大的变化超过15%,不是一个常数.有些地区温度升高,但是水汽却减少.但是,在LGM的温度降低的区域,水汽一致减少.这说明温度降低水汽对应减少,但温度升高不一定对应水汽增加.这与全球尺度水汽相对湿度基本保持常数的结果不同.中全新世时,长江流域除春季外变得干燥、少雨和高温,东北和内蒙古东部变得多雨和潮湿.     

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。     

用一个耦合的全球格点大气环流模式-植被模式模拟中全新世气候变化

用一个耦合的全球格点大气环流模式－植被模式模拟中全新世的气候变化，模拟试验中考虑了地球轨道参数的变化，而其他强迫条件均取成现今值。结果表明，耦合的模式能够模拟出较今强的大尺度夏季风，特别是亚洲－非洲季风，而其他季节和区域的变化值一般都比较小。季风环流和季风降水都大幅度地增大了。结果还显示，耦合模式模拟的大尺度季风系统的变化同单纯大气环流模式模拟的结果非常相似，但是，在非洲北部季风区耦合模式模拟的降水和温度变化较单纯大气模式模拟的值要大，而且，耦合模式模拟的冬季降温值要比单纯大气模式模拟的结果小。     

8.2 ka BP冷事件

全新世11.5 ka BP以来遭受的最强的一次冷事件是8.2 ka BP事件.全新世气候的基调是温暖湿润.但是,大量的古气候资料表明,全新世气候也有不稳定性[1],至今可能已发生过8～9次冷事件,8.2 kaBP事件就是其中的一次[2].     

全新世大暖期

全新世大暖期,简称大暖期,指全新世气候最温暖的时期。这是自11.5 kaBP进入全新世以来的重要气候时期,在20世纪早、中期就有不同学者提出大暖期的概念,但是使用的名称不同,如     

MM5对中全新世时期中国地区气候的模拟研究

MM5模式结果与地质记录的对比表明,这个模式系统可以较好地模拟中全新世时气候的变化,特别是模式模拟的降水变化与地质记录吻合得较好.区域模式的结果比全球模式结果有所改进.模式结果显示:与现代相比,中全新世时,中国地区的气温升高,夏季升温超过冬季.同时,中国的内蒙古东部地区、东北地区和华北地区降水显著增加;而中国的华东、华中、华南和西南地区降水减少.中国东部30°N以北地区夏季风增强;中国东部的冬季风减弱.从一系列敏感试验结果,可以发现:在中全新世时,中国地区的气温、风场和降水的变化主要受大尺度环流背景场变化的影响,其对降水变化的影响超过50%.其次受地表状况和植被变化的影响,植被的变化主要影响中国东部地区,使得在冬季和夏季中国地区均升温;而且,对华北部分地区降水变化的影响最大超过25%.地球轨道的变化使得中全新世时太阳辐射的季节变化较大,造成中全新世时中国地区在冬季降温,在夏季升温;同时,对东北和华北地区的降水有重要影响,其影响与植被变化的影响相当.中全新世时,大气中CO2的体积混合比为280×10-6,CO2的变化使得中伞新世时气温降低,但量级较小.影响中全新世时中国地区气候变化的因子,按影响程度由大到小的排序为:大尺度环流背景场、植被变化、地球轨道参数变化和CO2浓度变化.     

区域环境系统集成模式对1997/1998年夏季中国两个极端气候事件模拟能力分析

区域环境系统集成模式(RIEMS2.0,Regional Integrated Environment Modeling System Version 2.0)是由中国科学院大气物理研究所东亚区域气候环境重点实验室在RIEMS1.0基础上发展的区域气候模式。为了检验RIEMS2.0对短期气候的模拟能力,利用降水和气温(2 m)观测资料检验RIESM2.0不同物理过程和初始条件集合模拟1997/1998年夏季中国华北地区高温干旱和长江流域洪涝两个连续极端气候事件的能力(连续积分时间(1997年3月1日—1998年8月31日)共18个月),比较模拟和观测的1997/1998年夏季降水和气温。集合模拟结果表明RIEMS2.0能很好模拟1997/1998年夏季降水和气温及其两年差值分布;模拟和观测的日降水和平均气温结果有很好的相关性,但是降水模拟总体高估,干旱和江淮及江南区气温模拟偏高而半干旱和湿润区气温模拟偏低。在不同物理过程集合模拟中,虽然集合平均距平相关系数(ACC)和均方根误差(RMSE)并不是优于所有集合成员值,但集合模拟能减小模式的不确定性,在一定程度上提高模拟精度。不同显式水汽方案和积云参数化方案对降水、气温模拟效果表现出很好的一致性,湿润区一致性最好。因此,RIEMS2.0模拟能揭示1997/1998年两个连续极端气候事件夏季降水和气温空间分布,反映不同子区域降水和气温分布特征,各集合成员的模拟结果存在差异的同时也保持了很好的稳定性,选择合适的物理过程可以提高模式对区域气候的模拟能力。     

区域海气耦合模式FROALS的发展及其应用

区域海气耦合模式是研究局地海气相互作用过程影响气候变率的重要平台,也是对全球气候模式进行"动力降尺度"的重要工具.本文介绍了LASG(State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics)/IAP(Institute of Atmospheric Physics)发展的区域海气耦合模式FROALS(Flexible Regional Ocean-Atmosphere-Land System model),并总结了过去五年围绕该区域海气耦合模式开展的研究工 作.FROALS的特点之一是有两个完全不同的大气模式分量和海洋模式分量选项,可以适应不同的模拟研究需 求.针对区域海气耦合模式在西北太平洋地区的模拟偏差,通过分步骤考察不同大气模式分量和不同海洋模式分量对模式模拟性能的影响,指出大气模式是导致区域海气耦合偏差的主要分量.通过改进对流触发的相对湿度阈值标准,有效地改善了此前区域海气耦合模式在亚洲季风区普遍出现的"模拟海温冷偏差".改进的FROALS对西北太平洋地区的大气和海洋环境有较好的模拟能力,合理地再现了西北太平洋地区表层洋流气候态和年际变率.较之非耦合模式,考虑区域海气耦合过程后,改进了东亚和南亚地区的降水和热带气旋潜势年际变率的模拟.最后,针对东亚—西北太平洋地区,利用FROALS对IAP/LASG全球气候模式模拟和预估的结果进行了动力降尺 度,得到了东亚区域50 km高分辨率区域气候变化信息.分析显示,FROALS模拟得到的东亚区域气候较之全球气候模式和非耦合区域气候模式结果具有明显的"增值",显示出区域海气耦合模式在该区域良好的应用前景.     

海气耦合对MJO数值模拟的影响

采用一种基于降水异常追踪MJO（Madden–Julian Oscillation）东传的MJO识别方法（MJO Tracking）评估了参与MJOTF/GASS（MJO Task Force/Global Energy and Water Cycle Experiment Atmospheric System Study）全球模式比较计划的全海气耦合模式（CNRM-CM）、半海气耦合模式（CNRM-ACM）和大气模式（CNRM-AM）1991～2010年模拟MJO的能力,探究了海气耦合过程对模式模拟MJO能力的影响机理。CNRM-CM模式模拟的MJO结构更加接近观测,该模式不仅具有最高的MJO生成频率,也能够模拟较强的MJO强度以及较远的传播距离。海气耦合过程会造成CNRM-CM和CNRM-ACM模式中印度洋—太平洋暖池区域海温气候态的冷偏差。但是这种海温气候态的偏差基本没有改变模式模拟MJO的能力。CNRM-CM中MJO对流中心东（西）侧存在较强的季节内尺度海温暖（冷）异常,纬向梯度明显,而CNRM-ACM和CNRM-AM中不存在这样的海温东西不对称结构。结果表明在CNRM模式中海气耦合过程调控模式海温季节内尺度变率对模式MJO模拟能力的影响比调控模式海温气候态更加重要。     

近50年中国风速变化多气候模式模拟检验

近年来,随着气候模式研究的快速发展,全球气候模式在模拟20世纪气候和气候变化特征,尤其是在模拟温度、降水等要素特征和变化及其人类活动对这些要素的影响等方面取得了丰硕的成果.然而,全球气候模式对近地层风速的模拟情况如何,目前仍缺少分析和检验.本文利用中国区域近地层风速观测资料,检验评估了参与IPCC AR4"20世纪气候耦合模式模拟"(20C3M)的19个伞球气候模式和国家气候中心新一代伞球气候模式(BCC_CSM1.0.1)模拟的1956-1999年中国近地层(10m)风速及其变化的模拟能力.研究发现,20个伞球气候模式基本上都能模拟出中国多年年(或季)平均风速分布状况,但模式模拟的平均风速一般小于观测值,尤以观测风速较大的北部和西北部地区模拟值偏小显著.气候模式模拟秋冬季风速分布的能力强于模拟夏春季的能力.模式基本上能模拟出冬、春季平均风速大于夏、秋季平均风速,但是模拟不出春、冬、夏、秋季平均风速依次减小的季节变化特征.模式及模式集成难以模拟出观测到的近50年中国年(或季)平均风速明显减小的变化趋势,少数模式能模拟出年(或季)平均风速略呈减小的变化趋势,但与观测值比相差约一个量级.模式对北部和西南部地区平均风速的变化模拟效果较好,而模式难以模拟东南-南部地区风速变化特征.     

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.     

区域气候模式对华北夏季降水的气候模拟

使用美国ＮＣＡＲ区域气候模式ＲｅｇＣＭ２对１９９１和１９９４年我国华北夏季降水进行了气候模拟研究,以检验ＮＣＡＲ区域气候模式对华北夏季降水的气候预测能力。模拟结果表明,该模式能较好地模拟华北夏季降水的主要分布特征,对华北少水年（１９９１年）和我水年（１９９４年）夏季降水的模拟都比较成功。模式还能罗好地模拟夏季季风的发展过程,地环流场的模拟也与分析场比较一致,因而该模式可以用于研究物预测华北夏季降水     

全球海-陆-气耦合模式大气模式分量的发展及其气候模拟性能Ⅰ——水平分辨率的影响

对中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室的全球海一陆一气耦合气候系统模式(GOALS／LASG)的大气分量进行了发展，主要是提高模式的分辨率。水平分辨率由原来的菱形15波截断(R15)提高到菱形42波截断（R42)；并用实际的海温、海冰为外强迫积分模式10年，将积分结果与观测资料比较以检验模式的气候模拟性能，重点是检验全球季节变化和年际变化的模拟能力。从检验结果看，分辨率增加后模式能成功地模拟出全球气候的主要特征，多种要素场的季节变化与观测也一致；对EI Nifio的响应特征也有很好的反映。但与其它气候模式一样，也存在一些误差。对结果的分析表明，云、辐射方案影响模式的能量平衡，进而影响陆面系统的模拟及降水的分布：对流参数化方案对模拟结果也有很大影响。     

地球轨道偏心率变化对东亚季风气候模拟的影响

采用较为真实的椭圆轨道代替了原区域气候模式中的圆近似轨道,并进行了10年模拟试验,用以了解该模式对东亚季风区气候年际变化的模拟能力,同时比较地球轨道参数计算变化对现代东亚季风气候模拟的影响.结果表明:当把模式中的地球轨道计算从圆形改为椭圆时,中国东部的降水模拟有所改进,东亚地区的温度、降水、比湿等气候要素均出现夏季降低(减少)而冬季升高(增加)的季节变化趋势,而且亚洲冬、夏季风也均有减弱.但从总体上说,现代气候状况的模拟对地球公转轨道的计算方案不敏感.通过该工作的模拟研究说明,对较短时期的现代气候模拟,地球公转轨道采用圆近似是可行的.     

黑龙江省近10a气温预报模拟检验与未来40a气温预测的分析

使用近10 a气温降水资料,采用CCCma、Ccsr、Gfdl、Csiro和Hadley海-气数值模式对哈尔滨、齐齐哈尔、牡丹江、佳木斯和4市平均的2000、2009年平均气温变化进行模拟预报,对模拟结果进行气候态方法检验。结果表明,部分气候模式模拟的气温气候预报检验达到可信的程度,可以使用其结果作延伸预报;2010-2050年气候模拟预报结果表明未来的40 a年平均气温累计上升1.1℃。     

古气候研究进展

总结回顾了二十年来古气候研究的进展,着重揭示古气候变化的事实.共分析了10个问题:(1)威尔逊旋回,(2)冰河时代,(3)生物大灭绝,(4)人类走出非洲,(5)第四纪冰期一间冰期旋回,(6)下一个冰期何时到来,(7)末次冰期冰盛期,(8)冰期气候的不稳定性,(9)全新世气候的不稳定性,(10)全新世气候变化趋势.     

6kaBP中国陆地生态系统净初级生产力的模拟

利用植被与大气相互作用模式（AVIM）模拟了全新世中期（6 kaBP）及现代中国陆地植被净初级生产力（NPP）的大小与分布特征,计算了以上两个时期我国陆地植被NPP的碳总量。结果表明：全新世中期以来气候的变化是影响我国陆地植被NPP变化的主要原因,6 kaBP时期NPP平均值为409 g/（m2·a）, NPP碳总量为3.89 Pg/a,分别比现在高15%和19%。全新世中期至今,我国陆地植被NPP的变化特征与对应时期中国土壤碳储量的变化趋势具有很好的一致性,这表明了利用生态模式模拟长时间尺度下我国陆地植被NPP的变化特征是可行的。     

江淮流域的旱涝研究

在江淮流域，梅雨等降水异常引发的旱涝经常发生。作者对江淮流域的灾害背景、气候特征及其影响因子等作了分析，发现在近50年中，降水有明显的年际和年代际异常，20世纪80年代以后，该区的降水有显著增加的趋势。典型旱涝年降水异常的时空分布表明，引起降水异常的因子非常复杂，即使在同一年中，不同月份的异常型也可能有差别。对于不同年份，降水异常型更为不同。影响江淮流域降水异常的因子的作用，可通过数值模拟进行“分离性” 研究，但由于模式的系统性误差，模拟结果也只有参考意义。因此，发展具有不同动力框架和热力过程的多种模式，仍是当前的重要任务。     

多模式集合预估21世纪淮河流域气候变化情景

利用政府间气候变化委员会第四次评估报告(the Fourth Assessment Report of the Intergov-ernmental Panel on Climate Change,IPCC AR4)的14个全球气候耦合模式对中国淮河流域气温和降水的模拟能力进行了评估,预估了该地区21世纪的降水和气温变化。同时,还分析了14个气候模式对1961-1999年气温和降水的模拟能力,并且根据Taylor方法选取具有较好模拟能力的模式做集合分析。结果表明,不同的气候模式对淮河流域的气温和降水都具有一定的模拟能力,但大多数模式模拟的气温偏低、降水偏多;选取的模式集合可以明显改善模式的模拟能力,但是没有表现出明显的优势。对淮河流域降水和气温未来情景的预估表明,各模式给出的情景结果尽管存在一定的差异,但模拟的21世纪气候变化的趋势基本一致,即气温持续增加,降水出现区域性增加;还重点分析了14个模式集合的结果在2010-2039年、2040-2069年和2070-2099年3个时段的年平均、季节平均降水和气温变化及其时空变化特征,结果表明,3个时段的气温和降水在不同情景下都是逐渐增加的,A2情景下增幅最显著,B1情景下增幅最小。