CMIP5模式对登陆中国热带气旋活动的模拟和预估

基于中国气象局热带气旋最佳路径数据集,结合7个全球耦合模式在4个气候情景(Historical、RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5)下的模拟场,对比分析了模式模拟1986—2005年登陆我国热带气旋(LTC)活动的气候特征,并评估了未来(2026—2045年)不同气候情景下LTC活动的频数和强度变化特征。结果表明:在Historical情景下虽然各模式模拟的1986—2005年LTC均少于观测值,但仍然较好的再现LTC的季节分布、地理位置分布和强度分布特征。未来气候情景下不同强度LTC的频数预估则显示,相对于Historical情景,RCP2.6和RCP8.5情景下较弱的LTC有减少的趋势,而较强的LTC则表现为略微的增加。另外,对比不同模式的结果可以发现,模式中若中国大陆近海区域平均垂直风切变和海平面气压较大,则其对应的LTC活动较少;若模式中海表温度较高,则LTC的平均登陆强度较大。     

CMIP5模式对东太平洋ITCZ偶极子模态模拟能力的评估

本研究利用第五次国际间耦合模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project phase 5, CMIP5)中的24个模式的工业革命前控制试验(Pre-industrial Control, picontrol)模拟结果, 结合观测资料, 评估了24个CMIP5 模式对东太平洋热带辐合带偶极子(Eastern Pacific ITCZ dipole, EPID)降水模态的模拟能力, 并建立了其与模式对热带太平洋气候态模拟之间的联系。结果表明: 1) 绝大多数模式在北半球春季(2—4月)对EPID模态模拟能力较差, 主要原因在于CMIP5模式对热带辐合带(Intertropical Convergence Zone, ITCZ)的模拟偏差, 其中模拟效果较差的模式在2—4月的气候态降水分布在赤道以南, 且降水普遍偏强; 2) 对各模式的EPID模态选取的季节按照技巧评分最高进行调整后, 大部分模式能较好地模拟出EPID模态的空间分布特点, 技巧评分在0.6以上, 其中模拟效果好的模式(技巧评分大于0.7)中EPID模态出现的月份同时在中东太平洋气候态表现出“双ITCZ”特征, 且多模式集合结果的模拟误差小于绝大多数模式。     

CMIP5模式对南海SST的模拟和预估

分析了32个CMIP5模式对南海历史海表温度(SST)的模拟能力和不同排放情景下未来SST变化的预估。通过检验各气候模式对南海历史SST增温趋势和均方差的模拟,发现大部分模式都能较好地模拟出南海20世纪历史SST的基本特征和变化规律,但也有部分模式的模拟存在较大偏差。尽管这些模拟偏差较大的模式对SST多模式集合平均的影响不大,但会增加未来情景预估的不确定性。剔除15个模式后,分析了南海SST在RCP26、RCP45和RCP85三种排放情景下的变化趋势,发现在未来百年呈明显的增温趋势,多模式集合平均的增温趋势分别为0.42、1.50和3.30℃/(100a)。这些增温趋势在空间上变化不大,但随时间并不是均匀变化的。在前两种排放情景下,21世纪前期的增温趋势明显强于后期,而在RCP85情景下,21世纪后期的增温趋势强于前期。     

HYCOM模式中水平分辨率对海温模拟影响的评估

基于HYCOM模式建立两组数值试验:低水平分辨率的全球模型(0.5°)和高分辨率的嵌套试验(嵌套0.1°分辨率的热带太平洋海域),评估水平分辨率对HYCOM模式在热带太平洋海域海温模拟能力的影响。结果表明:(1) HYCOM数值模拟结果除赤道中太平洋的小部分海域误差较大外,基本较好地模拟出热带太平洋海域海表温度的分布特征,并能较好反应西太暖池空间分布的季节变化。(2)提高水平分辨率使得HYCOM对热带太平洋SST的模拟有所改进,有效减少了HYCOM对西太平洋暖池区模拟偏暖的误差,但是提高水平分辨率后使得夏秋季节暖池西缩。(3)通过代表性断面上温度分布的对比分析,两组试验等温线的密集程度均比实测结果稀疏,高分辨率模型对跃层强度的模拟偏弱,这反映模式在提高分辨率的同时要有相应的物理过程(如混合等)与之相匹配。     

热带印度洋降水、蒸发的时空特征及其对海表盐度的影响

本文利用降水、蒸发等资料分析热带印度洋年降水量、蒸发量、净淡水通量的分布特征，并选取4个典型海域来分析降水量、蒸发量、净淡水通量的季节变化和年际变化。结果表明:东印度洋的苏门答腊岛西部海域年降水量最大，季节变化较小，属全年降雨型；孟加拉湾的东北部和安达曼海的北部海域年降水量较大，其年际变化以4.2 mm/a的速率增长，强降水出现在5-9月；阿拉伯海的西部海域年降水量较小；南印度洋东部（20°~30°S，80°~110°E）海域年降水量较小，年蒸发量较大，年蒸发量在2000年之前以5.1 mm/a的速率增长，之后以4.5 mm/a的速率减小。本文还采用Argo盐度等资料探讨降水、蒸发对海表盐度的影响，研究结果表明:降水量远大于蒸发量的海域，海表盐度较低；降水量远小于蒸发量的海域，海表盐度较高。表层水平环流是导致高净淡水通量中心与低盐中心并不重合的主要原因，也是导致强蒸发中心与高盐中心并不重合的主要原因。选取的4个典型海域海表盐度的季节变化与净淡水通量关系不大，而是与表层水平环流有关。孟加拉湾强降水对表层盐度的影响显著，强降水发生后表层盐度降低0.2~0.8，其影响深度为30~50 m。     

CMIP5模式对近30年沃克环流强度变化模拟的不足及成因分析 *

太平洋沃克环流(Pacific Walker Circulation, PWC)是热带太平洋上空至关重要的大气环流系统, 但其在全球变暖背景下的长期变化仍存在争议, 换而言之, 沃克环流增强或减弱仍是有待回答的科学问题之一。观测表明近30年PWC呈增强趋势, 而气候模式无法得出观测的趋势。文章分析了参加第五次耦合模式比较计划(Coupled Model Inter-comparison Project Phase 5, CMIP5)的18个耦合模式模拟的PWC变化。结果表明, 大部分耦合模式能够较好地再现PWC的气候态分布特征, 但不能给出其加强的趋势。究其原因, 主要取决于模式对海表温度(SST)变化的模拟能力, 能模拟出PWC加强的耦合模式, 其模拟的SST趋势分布与观测相近[即类拉尼娜(La Niña)型], 但仍存在一定差异; 而模拟出PWC减弱的耦合模式, 其模拟的SST趋势分布表现为类厄尔尼诺(El Niño)型, 这与观测不符。对于后者, 如果用观测的SST驱动其大气模式却能够模拟出PWC的加强, 从另一方面也说明了SST变化对于PWC长期变化的主导作用。因此, CMIP5模式要想合理地预估PWC在全球变暖背景下的变化, 需要提高对于热带太平洋SST变化的模拟能力。     

中国近海风场未来气候变化统计降尺度预估

利用经验正交分解和多元回归相结合的方法,基于1992—2011年逐日0.25°×0.25°经纬度网格卫星反演风场和欧洲中期数值预报中心1.5°×1.5°经纬度网格的再分析海表面风场和气压场资料,建立了中国近海海表面风场的统计降尺度模型,并对模型进行了验证。将该模型应用到全球耦合模式比较计划中的8个模式输出场,对1986—2005年历史气候态模拟和2026—2045年3个不同排放情景下中国近海海表面风场的变化特征进行评估。结果表明:统计降尺度模型的交叉验证显示其较好的再现了海表面风场(SSWS)的气候态空间分布;与观测对比表明,利用模式模拟数据进行统计降尺度分析的空间分布型的模拟上要优于直接插值结果;相对于历史模拟参考时段,未来各RCP情景冬季SSWS整体变化不大,空间分布均表现为约25°N以南海域SSWS增加,夏季SSWS整体表现为略微的增加,增加主要区域为山东半岛中国黄海海域,台湾岛以东中国东海海域以及南海部分海域,不同情景之间SSWS变化的幅度和区域大小均不相同。     

地球系统模式FIO-ESM对北极海冰的模拟和预估

评估了地球系统模式FIO-ESM(First Institute of Oceanography-Earth System Model)基于CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5)的历史实验对北极海冰的模拟能力,分析了该模式基于CMIP5未来情景实验在不同典型浓度路径(RCPs,Representative Concentration Pathways)下对北极海冰的预估情况。通过与卫星观测的海冰覆盖范围资料相比,该模式能够很好地模拟出多年平均海冰覆盖范围的季节变化特征,模拟的气候态月平均海冰覆盖范围均在卫星观测值±15%范围以内。FIO-ESM能够较好地模拟1979-2005年期间北极海冰的衰减趋势,模拟衰减速度为每年减少2.24×104 km2,但仍小于观测衰减速度(每年减少4.72×104 km2)。特别值得注意的是:不同于其他模式所预估的海冰一直衰减,FIO-ESM对21世纪北极海冰预估在不同情景下呈现不同的变化趋势,在RCP2.6和RCP4.5情景下,北极海冰总体呈增加趋势,在RCP6情景下,北极海冰基本维持不变,而在RCP8.5情景下,北极海冰呈现继续衰减趋势。     

CMIP5气候模式对北半球夏季阻塞的评估

利用美国国家环境预报中心和美国大气科学研究中心(NCEP/NCAR)的逐日再分析资料,评估了耦合模式比较计划第五阶段(The fifth Phase of the Coupled Model Intercomparison Project,简称CMIP5)17个气候模式对于20世纪北半球夏季气候态阻塞频数和振幅的模拟能力,从线性趋势和年际变化2方面评估了欧亚3个关键区(欧洲区、乌拉尔山区和鄂霍次克海区)夏季阻塞频数的模拟能力。结果表明:(1)尽管模式对北半球夏季阻塞频数和振幅的模拟结果存在偏差,但大部分模式可以很好模拟出气候态特征,模式对频数的模拟结果略优于振幅;无论频数或者振幅,CanESM2均为17个气候模式中模拟效果最好的,CMCC-CESM和MIROC-ESM为模拟效果最差的,多模式集成的结果优于大部分单一模式。(2)大多数模式可以较好的模拟出欧亚3个关键区夏季平均阻塞频数和标准差,但对阻塞频数线性趋势和年际变化特征的模拟能力有限。     

热带西太平洋海表盐度的变化特征及其对淡水通量的响应

基于1980~2015年的全球简单海洋资料同化分析系统(SODA)、全球海气通量(OAFlux)和全球降水气候学计划(GPCP)等海洋、大气观测再分析资料,采用线性拟合、经验正交函数(EOF)分解、相关分析和波谱分析等数理统计方法,分析了热带西太平洋海表盐度(SSS)和淡水通量时空变化特征及其关系.结果表明,SSS与淡水通量的气候态及长期线性变化趋势有较好的空间对应关系,两者均有多种时间尺度的EOF模态,其年代际变化模态有较好的正相关关系,并与太平洋年代际振荡(PDO)有密切的滞后相关.分析表明,PDO可能通过影响Walker环流的变化来影响热带西太平洋的淡水通量分布,从而影响SSS的时空格局.     

CMIP5模式对中国近海海表温度的模拟及预估

基于观测和再分析资料;利用多种指标和方法评估了国际耦合模式比较计划（CMIP5）中21个模式对中国近海海温的月、季节和年际变化模拟能力。多模式集合能够再现气候平均意义下近海海温的空间分布特征;但量值上存在一定的低估。在渤海和黄海;集合平均与观测差别比较明显。在年际尺度上;与观测数据对比;模式模拟海温与Niño3指数相关性较小。中国近海海表面温度在1960-2002年有明显的升高趋势;从2003年开始增温趋缓。评估结果表明;ACCESS1.0、BCC-CSM1.1、HadGEM2-ES、IPSL-CM5A-MR、CMCC-CM、FGOALS-g2、CNRM-CM5-2、INMCM4八个模式对中国近海海温的变化有较好的模拟能力。利用ACCESS1.0、INMCM4、BCC-CSM1.1、IPSL-CM5A-MR、CMCC-CM这5个模式结果对中国近海海温未来的变化进行了预估。在RCP4.5、RCP8.5情景下;未来近100年中国近海海温有明显升高趋势;最优模式多模式集合平均增温分别可达到1.5℃、3.3℃;净热通量变化和平流变化共同促进了东海升温。     

CMIP5气候模式模拟的北极海冰特征及其季节变化

This paper is focused on the seasonality change of Arctic sea ice extent(SIE) from 1979 to 2100 using newly available simulations from the Coupled Model Intercomparison Project Phase 5(CMIP5).A new approach to compare the simulation metric of Arctic SIE between observation and 31 CMIP5 models was established.The approach is based on four factors including the climatological average,linear trend of SIE,span of melting season and annual range of SIE.It is more objective and can be popularized to other comparison of models.Six good models(GFDL-CM3,CESM1-BGC,MPI-ESM-LR,ACCESS-1.0,Had GEM2-CC,and Had GEM2-AO in turn) are found which meet the criterion closely based on above approach.Based on ensemble mean of the six models,we found that the Arctic sea ice will continue declining in each season and firstly drop below 1 million km~2(defined as the ice-free state) in September 2065 under RCP4.5 scenario and in September 2053 under RCP8.5 scenario.We also study the seasonal cycle of the Arctic SIE and find out the duration of Arctic summer(melting season) will increase by about 100 days under RCP4.5 scenario and about 200 days under RCP8.5 scenario relative to current circumstance by the end of the 21 st century.Asymmetry of the Arctic SIE seasonal cycle with later freezing in fall and early melting in spring,would be more apparent in the future when the Arctic climate approaches to "tipping point",or when the ice-free Arctic Ocean appears.Annual range of SIE(seasonal melting ice extent) will increase almost linearly in the near future 30–40 years before the Arctic appears ice-free ocean,indicating the more ice melting in summer,the more ice freezing in winter,which may cause more extreme weather events in both winter and summer in the future years.     

Simulation and prediction of climate changes in the 19th to 21st centuries with the Institute of Numerical Mathematics, Russian Academy of Sciences, model of the Earth’s climate system

This paper presents results from a simulation of climate changes in the 19th–21st centuries with the Institute of Numerical Mathematics Climate Model Version 4 (INMCM4) in the framework of the Coupled Model Intercomparison Project, phase 5 (CMIP5). Like the previous INMCM3 version, this model has a low sensitivity of 4.0 K to a quadrupling of CO₂ concentration. Global warming in the model by the end of the 21st century is 1.9 K for the RCP4.5 scenario and 3.4 K for RCP8.5. The spatial distribution of temperature and precipitation changes driven by the enhanced greenhouse effect is similar to that derived from the INMCM3 model data. In the INMCM4 model, however, the heat flux to the ocean and sea-level rise caused by thermal expansion are roughly 1.5 times as large as those in the INMCM3 model under the same scenario. A decrease in sea-ice extent and a change in heat fluxes and meridional circulation in the ocean under global warming, as well as some aspects of natural climate variability in the model, are considered.     

Can the mean structure of the tropical pycnocline affect ENSO period in coupled climate models?

The dynamical link between mean state biases and dominant timescales of interannual variability is examined using the output from two state-of-the-art coupled model simulations, results from an ocean-only simulation forced with observed surface fields, and various observational data sets. The focus of this study is the relative role of the mean upper ocean density structure vs. anomalous wind forcing in controlling the spectral characteristics of tropical Pacific interannual variability. It is shown that an extensive South Pacific Convergence Zone (SPCZ) creates a potential vorticity (PV) barrier in the Southern Hemisphere similar to the one associated with the Intertropical Convergence Zone (ITCZ) in the Northern Hemisphere in both climate models. The PV barrier in the Southern Hemisphere strongly constrains the mean equatorward flow in the ocean model pycnocline, creating a “choke point” for the mean flow around 10°S. It is then examined whether the PV barrier can also limit the anomalous flow associated with mass recharge/discharge to/from the equatorial thermocline at interannual timescales. If the anomalous flow were impeded by the mean PV structure the meridional extent of the area involved in the mass recharge/discharge process would be narrower, leading to a shorter adjustment (and ENSO) timescale. Comparison of the two climate models, both of which have similarly erroneous PV structures in the southern tropical Pacific, but different interannual timescales, shows that the meridional extent of the anomalous meridional transport is primarily controlled by the latitudinal location of the wind stress curl anomalies, while the mean state bias in the Southern Hemisphere does not seem to have any significant influence.     

印度洋混合层盐度季节变化机制研究

本文利用Argo盐度、SODA海流量、OAFlux蒸发量和TRMM降水量等数据,采用盐度收支方程定量给出了印度洋混合层盐度的收支,揭示了整个印度洋净淡水通量项、平流项、垂向卷夹项的分布、季节变化特征及其对混合层盐度变化的主要贡献。结果表明,就多年平均而言,平流项负贡献（15.14%）大于正贡献（9.89%）,说明平流输送把低盐水输送到高盐海域,导致印度洋高盐海域混合层的盐度降低。净淡水通量项的分布和季节变化与降水量基本一致,且正贡献（13.70%）大于负贡献（7.81%）,说明净淡水通量项使印度洋的混合层盐度升高（因为多年平均蒸发量大于降水量）。盐度季节变化显著海域的进一步分析表明,6?11月,西南季风漂流把赤道西印度洋的低盐水（相对阿拉伯海高盐水而言）输送到阿拉伯海西部海域,导致该海域的盐度降低。平流输送把孟加拉湾湾口和中部的高盐水带到北部海域,是导致北部海域盐度升高的主要原因。     

水温变暖对西北太平洋柔鱼潜在栖息地分布的影响

根据影响西北太平洋柔鱼栖息地分布的主导环境因子—海表面温度,基于最大熵模型,利用1996?2005年气候历史数据和两种不同情景（RCP4.5和RCP8.5）下的气候预估数据,分析了1996?2005年、2021?2030年、2051?2060年、2090?2100年主要捕捞月份（7?10月）柔鱼潜在栖息地变化。结果表明,柔鱼渔场纬度方向空间分布呈季节性南北移动;随着未来气候变化,在RCP4.5和RCP8.5两种情景下,2021?2030年、2051?2060年、2090?2100年7?10月柔鱼潜在栖息地分布较1996?2005年7?10月均呈现向北极移动趋势,适宜面积增加。推测柔鱼渔场季节性南北移动可能受各月适宜海表面温度范围变化的影响,在RCP4.5情景下,到21世纪末,各月柔鱼潜在最适宜生境向北移动1°～2°,适宜面积增加3%～13%;在RCP8.5情景下,到21世纪末,各月柔鱼潜在最适宜生境向北移动3°～5°,适宜面积增加42%～80%。     

理想化南极融冰方案的海洋边界条件初探

基于气候态的SODA(simple Ocean Data Assimilation)数据,比较了气候态意义下南极附近和南极绕极流区域的海洋层结,对南极融冰问题的合理海洋边界条件进行了初步探讨.结果表明:南极融冰所注入的淡水通量在大西洋东部和印度洋海区将沿着表层路径到达南极绕极流区,在大西洋西部和太平洋的经向运动路径视淡...     

基于高分辨率风场的海洋近惯性能通量计算——时空特征及其影响因素

基于高分辨率CFSR(climate forecast system reanalysis)风场资料、气候态海洋混合层厚度资料和卫星高度计海面高度异常资料,本文估计了大气风场向全球海洋混合层的近惯性能通量和近惯性能量输入功率,并探究了混合层厚度、风场时间分辨率、经验衰减系数和中尺度涡旋涡度对近惯性能通量和能量输入功率的影响。浮标实测风场和流速表明,本文所用的风场和阻尼平板模型可用于估计风场向全球海洋的近惯性能通量。本文计算得到的大气向全球海洋输入近惯性能量的功率为0.56TW(1TW=10~(12)W),其中北半球贡献0.22TW,南半球贡献0.34TW。在时间上,风场的近惯性能通量呈现各个半球冬季最强、夏季最弱的特征,这和西风带风场的季节变化有关。在空间上,近惯性能通量的高值海域为南、北半球西风带海洋,尤其是南大洋。混合层厚度和风场空间不均匀性使得西风带近惯性能通量呈现纬向变化,即海盆西部强于海盆东部。风场时间分辨率对近惯性能通量的估计至关重要,低时间分辨率风场对近惯性能通量的低估达到13%—30%。阻尼平板模型中的经验衰减系数对近惯性能通量估计的影响不超过5%。中尺度涡旋涡度仅改变近惯性能通量的空间分布,而对全球近惯性能量输入功率的影响可以忽略。     

Historical simulation and twenty-first century prediction of oceanic CO2 sink and pH change

A global ocean carbon cycle model based on the ocean general circulation model POP and the improved biogeochemical model OCMIP-2 is employed to simulate carbon cycle processes under the historically observed atmospheric CO 2 concentration and different future scenarios (called Rep- resentative Concentration Pathways, or RCPs). The RCPs in this paper follow the design of Inter- governmental Panel on Climate Change (IPCC) for the Fifth Assessment Report (AR5). The model results show that the ocean absorbs CO 2 from atmosphere and the absorbability will continue in the 21st century under the four RCPs. The net air-sea CO 2 flux increased during the historical time and reached 1.87 Pg/a (calculated by carbon) in 2005; however, it would reach peak and then decrease in the 21st century. The ocean absorbs CO 2 mainly in the mid latitude, and releases CO 2 in the equator area. However, in the Antarctic Circumpolar Current (ACC) area the ocean would change from source to sink under the rising CO 2 concentration, including RCP4.5, RCP6.0, and RCP8.5. In 2100, the anthropogenic carbon would be transported to the 40 S in the Atlantic Ocean by the North Atlantic Deep Water (NADW), and also be transported to the north by the Antarctic Bottom Water (AABW) along the Antarctic continent in the Atlantic and Pacific oceans. The ocean pH value is also simulated by the model. The pH decreased by 0.1 after the industrial revolution, and would continue to decrease in the 21st century. For the highest concentration sce- nario of RCP8.5, the global averaged pH would decrease by 0.43 to reach 7.73 due to the absorption of CO 2 from atmosphere.