三个全球气候模式对中国气温季节变化模拟能力的空间差异特征分析

针对第五次国际耦合模式比较计划（CMIP5）中3个全球气候模式对中国气温季节变化模拟能力的空间差异特征进行具体分析。结果表明：BCC-CSM1.1（m）模式和GFDL-CM3模式能够再现中国气温的季节性变化,在中国东部地区模拟能力较强,平均绝对误差和均方根误差均较小,在中国西部地区模拟能力较弱,平均绝对误差和均方根误差较大。与BCC-CSM1.1（m）和GFDL-CM3模式相比,HADGEM2-ES模式再现中国地区气温季节变化的能力最弱,平均绝对误差和均方根误差在西部部分地区、内蒙古地区和东北地区较大,在华南地区南部较小。在相同模式下,日平均气温模拟效果最好,其次是日最低气温,日最高气温模拟效果最差。纬度、经度、海拔和坡度对气候模式模拟效果的影响存在模式间的差异,而坡向和地形遮蔽度对模式的模拟效果无明显影响。     

CMIP5模式对中国西北干旱区模拟能力评价

气候模式是研究气候系统和气候变化的重要工具,气候模式结果是进行气候预测和气候变化风险评估的重要依据。基于中国西北干旱区78个气象站点1960-2005年的观测数据,对最新公布的CMIP5的39个模式在中国西北干旱区1960-2005年平均气温、降水的模拟能力进行评估。结果表明:多个模式模拟年平均气温与观测值的相关系数达到0.39,夏、秋季节的相关系数好于春、冬季,年平均气温模拟大多偏低2℃以上,其中MIROC4h、CCSM4和CMCC-CM对年平均气温的模拟绝对误差较小。模拟的年、季降水量与观测值的相关系数很差,均不到0.1。年降水量模拟普遍偏高100 mm以上,其中CMCC-CM、CNRM-CM5和MRI-CGCM3对年降水量模拟绝对误差较小。年际变化趋势上,模拟的平均气温升高趋势和降水量增加趋势均比观测趋势要低,模拟的冬季平均气温升高趋势偏低最明显,达-0.21℃/10 a,模拟夏季的降水量增加趋势偏低最明显,相对误差达-99%。CMIP5模式对中国西北干旱区的模拟效果整体上偏差较大,未来无论从物理过程还是模式算法都需要进一步研究和改进。     

IPCC AR4气候多模式对云南特征气温变化的模拟预估——滇西南区案例分析(1960-2050年)(英文)

本文针对云南地区,以滇西南区为案例,利用研究区20个气象观测站点实测逐日平均气温分析了1961-2007年各特征气温(年均气温、干季平均气温、以及湿季平均气温)的变化趋势特征;并采用IPCC AR4气候模式集成的21世纪气候变化模拟试验的预估结果,针对滇西南区各特征气温,分别就不同排放情景下的模拟结果在该区的适用性进行了详细验证和分析。主要结果如下:(1)1961-2007年间,研究区各特征气温变化表现出了非常显著的上升趋势,MK统计值均通过了95%的置信度检验。(2)标准化均方根误差和MK趋势验证的结果表明,基准期内特征气温(尤其是年均气温和干季气温)的模拟值距平变化与实测值的距平变化趋势特征非常相似,因此利用IPCC AR4气候模式的试验结果模拟研究区三种排放情景下各特征气温的变化趋势具有一定的可信度,且针对年均气温及干季平均气温的模拟效果要比湿季平均气温好。(3)未来40年内,该区各特征气温将明显上升,并且年均气温上升趋势比干季、湿季平均气温更为显著;不同排放情景下各特征气温将表现出不同的升温率:2020s期间SRESA2高排放情景下的特征气温升温率将小于SRESB1低排放情景,除此之外,各特征气温在SRESA1B中等排放情景下的升温率将最大,在SRESA2高排放情景下其次,在SRESB1低排放情景下将最小。文中对IPCC AR4气候模式在云南地区的适用性及其影响因素进行了进一步的探讨。     

IPCC-AR4全球气候模式在华东区域气候变化的预估能力评价与不确定性分析

本文分析了IPCC第四次评估报告中的全球气候模式在华东区域的气候预估能力与不确定性.以均方根误差作为衡量预估能力的标准,比较了IPCC-AR4中21个气候模式在中等排放情景下的预估能力,结果表明气候模式对华东区域气候变化的模拟能力差异较大,模式NCAR-CCSM3和MRI_CGCM2_3.2在年平均气温和年降水2个要素的均方根误差均较小.说明它们对华东区域的气候预估能力比其他模式强.在中等排放情景下,气候模式能够模拟出接近观测实况的年平均气温与降水的空间分布特征,但是由于空间分辨率较低,模式不能模拟出局部细致的结构:多模式集合平均对华东区域气温预估存在明显系统偏差,比观测实况偏低1.6℃以上,偏低幅度超过了不确定性(一倍的模式间标准偏差)能涵盖的范围;华东区域年降水模式间标准偏差占模式集合平均百分比为26.7%,表明直接用AR4多模式集合平均的结果难以准确反映华东区域该要素的未来变化.     

ERA-Interim和GHCN-CAM再分析气温数据在天山山区的适应性分析

天山山区是新疆主要河流的发源地,对该区域再分析气温数据进行适应性分析具有重要的研究意义,气温观测数据由于受到太阳辐射、海拔、大气环流和传感器角度等因素的影响,导致诸多误差;在其应用之前需要验证,尤其在海拔差异较大的天山山区。为验证ERA-Interim和GHCN-CAM两种再分析气温数据在天山山区的适应性,本文在数据预处理的基础上,利用45个气象站点日平均气温数据分别计算偏差(BIAS)、相关系数(R)、均方根误差(RMSE)等统计指标,并从不同海拔、偏差的空间分布上对天山山区1984—2016年ERA-Interim和GHCN-CAM逐月平均气温数据进行了适应性分析。结果表明:(1) GHCN-CAM(R=0. 94; BIAS=0. 55℃; RMSE=4. 08℃)气温值在天山山区的适应性强于ERA(R=0. 95; BIAS=2. 35℃; RMSE=4. 21℃)。(2)在气温的年内变化上,两种再分析数据值均低于观测值,表现为低估。(3)在季节尺度上,冬季(12月、1月和2月)表现为冷偏差,其他季节暖偏差。春秋两季模拟精度比夏冬两季高。(4)在1500～2000 m地区气温的模拟最好。从偏差的空间分布来看,天山中部、东部的再分析数据比天山南、北部能更好的反映气温的空间分布特征。山区地形复杂度和气象站点的不均匀是影响再分析数据精度的主要因素。     

利用MODIS影像和气候数据模拟青藏高原草地地上生物量（英文）

精确量化高寒区域的草地地上生物量在精确量化全球碳循环方面起着非常重要的作用。本研究利用月尺度的归一化植被指数、增强型植被指数、平均空气温度、≥5℃积温、总降水、降水积温比模拟了青藏高原高寒草地地上生物量。本研究对比分析了三种多重逐步回归模型,即地上生物量与归一化植被指数和增强型植被指数的逐步回归模型,地上生物量与空气温度、积温、降水和降水积温比的逐步回归模型,地上生物量与归一化植被指数、增强型植被指数、空气温度、积温、降水和降水积温比的逐步回归模型。结果表明,在高寒草甸,归一化植被指数模拟的地上生物量与观测的地上生物量间的平均绝对误差和均方根误差分别为31.05 g m~(-2)和44.12 g m~(-2);在高寒草原,归一化植被指数模拟的地上生物量与观测的地上生物量间的平均绝对误差和均方根误差分别为95.43 g m~(-2)和131.58 g m~(-2)。在高寒草原,积温模拟的地上生物量与观测的地上生物量间的平均绝对误差和均方根误差分别为33.61g m~(-2)和48.04 g m~(-2)。在高寒草甸,植被指数和气象数据模拟的地上生物量与观测的地上生物量间的平均绝对误差和均方根误差分别为28.09 g m~(-2)和42.71 g m~(-2);在高寒草原,植被指数和气象数据模拟的地上生物量与观测的地上生物量间的平均绝对误差和均方根误差分别为35.86 g m~(-2)和47.94 g m~(-2)。因此,植被指数和气候数据同时参与的逐步回归模型比植被指数或气候数据单独参与的逐步回归模型的精度高;不同高寒草地类型的回归模型精度不同。     

全球平均气温未来情景的降尺度分析

如何提高全球气候模拟数据的分辨率,以满足全球、区域乃至局地陆地生态系统全球变化响应的定量分析,是当今全球气候变化研究的核心内容之一。在全球尺度上,本文利用全球气象观测站点的气候数据和DEM 数据,对全球年平均气温与纬度和海拔高程之间相关性进行回归分析,建立全球气候降尺度空间模拟的统计转移函数,并与高精度曲面建模(HASM)方法进行集成,从而实现IPCC GCM HadCM3 的模拟数据从3.75° × 2.5°到 0.125° × 0.125°的降尺度处理。研究结果表明,在3 种气候情景的T1-T4 时段内,格陵兰岛平均气温在0℃以下的区域和南极洲平均气温在-35℃以下的区域均呈逐渐缩减趋势,赤道至南北回归线之间的平均气温大于40℃以上的区域呈逐渐增加趋势。其中,A1Fi 情景的平均气温上升速度最快,A2 情景次之,B2 情景的平均气温上升速度最慢。构建降尺度方法有效地将IPCC GCMs的粗分辨率的气候情景数据降尺度转换成高分辨率的气候数据,并克服和弥补了目前IPCC GCMs的模拟数据因分辨率低而不能对区域乃至局地气候变化的细节及趋势进行刻画的缺陷。     

CMIP3气候模式对北疆气候变化模拟评估及未来情景预估

利用北疆地区1961～2000年气温、降水观测数据和CMIP3(phase 3of the CoupledModel Inter-comparison Project)提供的20个海气耦合模式在该地区的模拟结果,评估了各气候模式对北疆地区降水、气温的模拟效果。结果表明:各气候模式对气温、降水模拟效果差异较大。从对气候平均态的模拟来看,有5个模式对降水的模拟相对较好,2个模式对气温的模拟相对较好;所有模式均能模拟出气温的年内变化特征,其中MPI_ECHAM5模式结果与观测数据结果最为接近;但各模式对降水的模拟效果均较差。在月尺度上,一些模式结果与降水观测数据呈负相关性,但对于月气温,大多数模式与其相关性较好,且各模式间月气温均方根误差变化幅度相对较小。综合来看,大部分气候模式在该地区模拟能力比中国东部地区要弱;气候模式的降水数据包括多模式集合数据还不适合用于未来北疆地区降水变化预估分析。最后,采用累计分布函数法(CDF_S)仅对北疆地区2011～2050年时段的气温进行偏差校正与预估分析,结果表明未来40年北疆地区气温在三种排放情景下均呈上升趋势。     

塔里木河流域极端气候事件模拟与RCP4.5情景下的预估研究

利用塔里木河流域1986-2005年气温、降水逐日格点数据和MPI-ESM-LR模式驱动的CCLM区域模式模拟数据,评估了CCLM模式对塔里木河流域极端气候事件的模拟能力。同时采用EDCDF法对最高气温、最低气温和降水预估数据进行偏差校正,并计算了2016-2035年极端气候指数。结果表明:该区域气候模式对塔里木河流域年平均最高气温、最低气温和降水的空间分布具有较强的模拟能力,特别是气温空间相关系数在0.97以上;该模式对于极端气候事件也有着较强的模拟能力,大部分极端气候指数的空间相关系数达到了0.01的显著性水平。通过偏差校正,有效地提高了气候要素及相应的极端气候指数的模拟精度。预估未来RCP4.5情景下,塔里木河流域未来(2016-2035年)极端暖事件(暖期持续指数、气温日较差、暖昼、极端最高气温)有增加的趋势,未来流域中部的干旱可能更严重,而流域内环塔里木盆地区域将变湿。     

基于CMIP5多模式集合资料的中国气温和降水预估及概率分析

选用国际耦合模式比较计划第五阶段（CMIP5）提供的30个全球大气-海洋耦合模式（AOGCMs）在典型浓度路径（RCPs）情景下气温和降水量的预估结果,采用扰动法,用站点观测资料作为气候背景场替代AOGCM模拟的气候平均,尝试校正气候预估结果的系统性偏差。通过集合方法,用概率的形式给出中国平均气温升高1 ℃,2 ℃和3 ℃以及降水量增加10%,20%和30%概率的空间分布,讨论了中国未来平均气温和降水量可能的变化。结果表明：经过扰动法处理后的气温和降水量预估集合保留了当前气候的局地信息。预估平均气温在中国均有上升,北方地区尤其是青藏高原地区变暖的程度大于南方地区,北方大部分地区平均气温升高的趋势为0.28 ℃/10a。在21世纪初,中国北方地区年平均气温升高1 ℃的可能性超过50%。到了21世纪末期,中国大部分地区平均气温升高2 ℃的可能性超过60%,新疆北部以及青藏高原南部地区气温升高3 ℃的可能性超过50%。预估中国降水量普遍增多,中国北方地区降水量增多的程度要明显大于江淮流域及其以南地区,尤其是西北地区降水量增多非常显著,降水量增多30%的可能性超过70%以上。     

中国气温未来情景的降尺度模拟

由于GCM模拟的气温数据分辨率不高,很难用于区域尺度上各种生态系统的模拟。本文基于长时间序列（1964～2007年）的全国气温观测数据,结合经纬度数据、以及DEM、坡向、坡度等系列地形特征数据,利用空间统计方法,在构建年平均气温降尺度模型的基础上,运用高精度曲面建模（HASM）方法对HadCM3的A1Fi、A2a和B2...     

Simulation of equatorial wind field patterns with TAPM during the 1997 haze episode in Peninsular Malaysia

The large‐scale forest fires that occurred during the major El Niño event in 1997 can be counted among the worst environmental disasters in Southeast Asia. This study investigates atmospheric mesoscale features over Sumatra and the Klang Valley in Peninsular Malaysia during the resultant haze episode of September 1997 utilizing a limited area mesoscale three‐dimensional meteorological and dispersion model, The Air Pollution Model (TAPM). Mesoscale features that would not be highlighted by global numerical prediction models, such as the daily land and sea breeze conditions at the selected air pollution stations located near the west coast of Peninsular Malaysia, were predicted with an Index of Agreement of 0.3, which implied a moderate conformity between the predicted and observed values. Tracer analysis of air particles at a selected location in the Straits of Malacca verified the existence of the landward and shoreward movement of the air during the simulation of the low‐level wind field. Air pollutants from the burning areas of neighbouring Sumatra just across the straits were transported towards the Klang valley during the daytime and seawards during the nighttime, highlighting the recirculation features of aged and newer air particles over the seven days (13–18 September) of the model simulation. The presence of the central Main Range east of the Klang valley to a certain extent limited further eastward movement of the air particles. Near calm conditions at low levels were simulated from midnight to midday on 14 September, where the movement of the polluted air particles from the uncontrolled burning in Sumatra was confined within the Straits of Malacca. Turbulence within the planetary boundary layer in terms of the total kinetic energy was found to be weak from 14 to 15 September, congruent with the weak strength of low level winds that reduced the ability of the air to transport the pollutants during the period of severe smoke haze. Statistical evaluation showed that parameters such as the systematic RMSE (root mean square error) and unsystematic RMSE for the zonal wind component were slightly higher than for the meridional one, indicating higher errors between the observed and simulated zonal values. Otherwise, the equatorial meteorological parameters such as wind speed and temperature were successfully simulated by the model with comparatively high correlation coefficients, lower RMSEs and moderately high indices of agreement with observed values.     

IPCCSRES情景下新疆未来气候变化格局分析

全球气候模型（GCM）提供了有效的方法来评估全球气候变化的过程,并可预估包括人类活动因素驱动在内的未来气候变化情景。然而其较低的分辨率并不能捕捉到那些地表特性复杂区域的气候变化特性。因此,使用包括区域气候模型（RcM）、偏差校正法和统计方法等方法在内的降尺度方法来处理GCM的原始数据以达到评估区域的气候变化的目的。本研究应用使用偏差校正法中的delta方法将24个GCM在IPCC三种气候变化情景下的月尺度数据水平分辨率降尺度到0．5℃,进而用于分析新疆未来气候变化格局。基于降尺度后的计算结果与GCM模型原始数据比较表明：降尺度方法可以改善复杂地表和地形的区域气候变化预估特征,并降低GCM生成的气候数据在新疆地区的不确定性。结果表明：AIB、A2和B1三种情景模式下年均气温和年降水量在21世纪早期具有相似的空间格局与变化趋势,到21世纪中期会产生波动变化。年平均气温在A1B,A2和B1三种情景下到21世纪末将分别达到10℃,11．1℃和8．5℃;与此同时,年降水量将会有波动性的增加趋势。在2020—2070年间,AIB情景下区域年平均气温大于其他两个情景。A1B情景下的年降水量在2020-2040年间也大于其他两个情景。然而,在不同的情境下年平均气温与年降水存在很大的不确定性。不同情景下年平均气温的差异达6℃,而年平均降水差异大约200mm。在区域气候变化格局方面,到21世纪末,在天山中部、伊犁河流域、天山南部和塔里木河下游的年平均气温的增长要比准噶尔盆地、帕米尔高原和昆仑上北坡的小。年降水量在南疆西部呈现出轻微的下降趋势,但是在昌吉,吐鲁番,哈密和阿尔金山北部呈现出增长趋势。     

一种土壤属性制图的曲面建模方法(英文)

High accuracy surface modeling(HASM) is a method which can be applied to soil property interpolation.In this paper,we present a method of HASM combined geographic information for soil property interpolation(HASM-SP) to improve the accuracy.Based on soil types,land use types and parent rocks,HASM-SP was applied to interpolate soil available P,Li,pH,alkali-hydrolyzable N,total K and Cr in a typical red soil hilly region.To evaluate the performance of HASM-SP,we compared its performance with that of ordinary kriging(OK),ordinary kriging combined geographic information(OK-Geo) and stratified kriging(SK).The results showed that the methods combined with geographic information including HASM-SP and OK-Geo obtained a lower estimation bias.HASM-SP also showed less MAEs and RMSEs when it was compared with the other three methods(OK-Geo,OK and SK).Much more details were presented in the HASM-SP maps for soil properties due to the combination of different types of geographic information which gave abrupt boundary for the spatial varia-tion of soil properties.Therefore,HASM-SP can not only reduce prediction errors but also can be accordant with the distribution of geographic information,which make the spatial simula-tion of soil property more reasonable.HASM-SP has not only enriched the theory of high accuracy surface modeling of soil property,but also provided a scientific method for the ap-plication in resource management and environment planning.     

西北干旱区极端气候水文事件特征分析

中国西北干旱区是对全球变化响应最敏感地区之一。气候变化导致气候水文系统的不稳定性加剧,极端气候水文事件的频度和强度增大、重现期缩短,灾害程度加重。借助资料分析和文献阅读,对过去50 a中国西北干旱区极端气候/水文事件的发生规律、影响机制及未来趋势进行了梳理总结,主要结论如下：（1）西北干旱区的极端气候/水文事件呈逐年增加趋势,特别是20世纪70年代以来增加显著;气温和降水极值都表现为一致的增强趋势。降水量的增多是降雨频率和强度共同增加的结果。（2）中国西北干旱区低温、降水极值在1986年左右发生了明显的突变,高温极值在1996年左右发生突变。突变后,气温和降水极值均发生了显著增强变化。（3）北半球极涡面积指数和青藏高原指数对西北干旱区气候极值变化具有重要影响,冬季极值还受冬季北极涛动和北大西洋涛动等影响。（4）新疆地区有变暖湿趋势,而河西走廊东部则为变干趋势。强大的西伯利亚高压和增强的贝加尔湖气流造成新疆地区降水增加,而河西走廊干旱增加是由东亚夏季风减弱引起的。     

黑碳和有机碳气溶胶对大气温度影响的数值模拟

黑碳气溶胶和有机碳气溶胶是大气气溶胶的重要组成成分,对区域和全球气候有重大影响。利用区域气候模式RegCM3模拟了2000年7月中国黑碳气溶胶和有机碳气溶胶的辐射强迫,分析了这两种气溶胶对大气温度的影响。结果发现,黑碳气溶胶在模式顶层产生正的辐射强迫,而有机碳气溶胶在模式顶层产生的辐射强迫并非全为正值,在地表两种气溶胶都产生负的辐射强迫。黑碳气溶胶和有机碳气溶胶的辐射强迫引起的温度反馈表现在:7月这两种气溶胶的加入使得28°—30° N之间的地区的气温显著升高,35°—36.2° N区域气温降低。黑碳气溶胶的升温效应强于有机碳气溶胶。     

IPCC-AR4模式对中国21世纪气候变化的情景预估

利用政府间气候变化委员会(IPCC)第四次评估报告提供的13个新一代气候系统模式的模拟结果,分析了不同情景下(高排放SRES A2、中等排放A1B、低排放B1)中国区域未来100年的气候变化。结果表明,21世纪中国气候预估显著变暖、变湿,世纪末变暖范围在1.6℃~5℃之间,年降水量增加1.5%~20%。在A2、A1B和B1情景下,21世纪末期增暖幅度依次为5.3℃、4.3℃和2.8℃,平均3.5℃,年降水量预估增加依次为11%、9.6%和6.4%,平均达7.5%。气温和降水变化的地理分布显示:北方增温幅度大于南方,降水的增加也主要集中在北方。冬季变暖最明显,降水则在冬、春季增加较显著。模式预估结果的不确定性分析表明,新一代全球系统模式对21世纪中国气候变化预估的可靠性得到了提高。     

Terrain revised model for air temperature in mountainous area based on DEMs： A case study in Yaoxian county

In mountainous area, spatial interpolation is the traditional method to calculate air temperature by use of observed temperature data. Due to lack of sufficient observation data in mountainous areas many precise interpolation methods could give only coarse result which could not meet the demand of precision agriculture and local climate exploration. Based on DEMs of 25 m resolution, a reversed model is constructed, with which temperature is simulated to the corresponding slope unit from the solar radiation. Taking Yaoxian county as a test area, and mean monthly temperature data as basic information sources, which are collected from 15 weather stations around Yaoxian county in Shaanxi province from the year of 1970 to 2000, a simulation for the solar radiation cell by cell is completed. By simulating solar radiation at each slope and flat cell unit, the terrain revised temperature model could be realized. A comparison between the simulated temperature and the radiation temperature from TM6 thermal infrared image shows that the terrain improved model gets a finer temperature distribution at local level. The accuracy of simulated temperature in mountainous area is higher than it is in flat area.     

基于GIS的农业气候资源区域化问题研究——以甘肃省为例

在农业气候资源研究中,站点数据的区域化问题是进行资源优化配置和高效利用的一个重要环节。通过采用逐步回归分析与空间插值相结合的方法,以甘肃省及其相邻省区的112个站点1970~2001年31年的月平均温度和降水数据以及计算得到的月平均太阳辐射和潜在蒸散量为数据源,对甘肃省气候资源进行了区域化。对每种气象要素都采用了两种空间插值方法,并对插值结果运用了绝对验证和相对验证两种方法进行了验证和对比。结果表明:温度残差的平均绝对误差(MAE)是Spline< IDW, 其值分别为:0.744℃和0.754℃,平均相对误差(RME)分别为:9.56%和9.66%。降水的平均绝对误差是Kriging温度>潜在蒸散量>降水,但都达到了较高的精度。