CMIP5模式对中国地区气温模拟能力评估与预估

利用第五次国际耦合模式比较计划（CMIP5）中29个气候模式的气温模拟结果,评估了各模式对中国地区年平均气温的模拟能力,对未来不同典型浓度路径（RCPs）下中国地区气温的可能变化给出了预估。结果表明：各模式能较好地模拟过去100多年中国地区增温趋势和年平均气温的空间分布,从模式间标准差来看,各模式对中国中部、南部气温模拟具有较高的一致性。利用相对均方根误差分析了各模式的模拟能力,对于多时间尺度（月、年）气温的气候平均态,有7个模式表现良好,高于中等水平,5个模式的模拟能力低于中等水平,模式集合平均值的模拟效果优于大多数单个模式。根据29个模式的评估结果,使用模拟性能相对较好的模式分析了未来不同排放情景下中国地区气温变化,21世纪前期,不同排放情景之间的预估结果差别较小,21世纪中期各情景之间的差别逐渐增大,到21世纪后期,3种排放情景的升温差别明显增大。     

CMIP5多模式对阿留申低压气候特征的模拟检验与预估

利用观测的海温资料和海平面气压资料,检验了CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project 5,CMIP5)多模式对阿留申低压(Aleutian Low,AL)特征指数的时空分布和变化的模拟能力;从AL周期及变化趋势等方面,分析了CMIP5模式预估的未来AL的变化特征。结果表明,CMIP5模式及其集合平均能够很好地模拟AL的环流结构,对AL的气候态有着较强的模拟能力,尤其是模式对于东太平洋海表温度的模拟能力直接影响其对于AL的模拟效果。模式的集合平均对变率强度的模拟偏强,且对于变率的模拟效果逊于对气候态的模拟。22个模式中的16个模式能模拟出AL强度指数的年代际变化周期,对年代际周期有着较好的刻画能力。Historical试验下对于AL的变化趋势存在着较大的不确定性,而相对于两种不同排放情景,随着排放的增加,AL更加偏北,强度增强,年际、年代际周期变得更加显著。在两种排放情景下模式的集合平均以及多数模式模拟出AL有着向北和增强的趋势。     

青藏高原未来气候变化预估:CMIP5模式结果

本文使用国际耦合模式比较计划第5阶段(CMIP5)中对青藏高原气候模拟较优的气候模式, 在RCP4.5中等偏低辐射强迫情景下对青藏高原未来气候变化进行了预估研究。结果表明, 青藏高原年均地表气温在2006~2100年的线性趋势平均为0.26℃/10a, 增暖幅度与海拔高度大体成正比;相比于1986~2005年参考时段, 2090年代平均升温2.7℃, 21世纪末期增温幅度明显高于早期和中期;在早、中和末期, 年均增温分别为0.8~1.3℃、1.6~2.5℃和2.1~3.1℃;各季节也均为变暖趋势, 其中冬季增温最大。对于年均降水来说, 未来百年将小幅增加, 集合平均趋势为1.15%/10a, 2090年代较参考时段增加10.4%;在早、中和末期的变化范围分别为-1.8%至15.2%、-0.9%至17.8%和1.4%至21.3%;季节降水也呈增加趋势, 夏季增幅明显高于其余三个季节且在21世纪末期较大, 青藏高原未来年均降水增加主要来自于夏季。需要指出的是, 上述预估结果在气候模式间存在着一定的差异, 未来气候变化的不确定性范围较大, 地表气温的可信度相对较高, 而降水的则偏低。     

CMIP5耦合模式对北半球3—4月积雪面积的历史模拟和未来预估

基于卫星观测数据,评估了23个CMIP5耦合模式对北半球3—4月积雪面积的模拟能力,在此基础上应用多模式集合平均结果,预估了未来不同温室气体排放情景下北半球3—4月积雪面积的变化情况。结果表明:整体上看,CMIP5耦合模式对北半球3—4月积雪面积具有一定的模拟能力,模式基本能再现北半球3—4月积雪面积的分布特征,但对高原等复杂地形地区积雪的模拟偏差较大并且低估了北半球积雪的减少趋势,这些可能是由卫星资料本身的缺陷以及模式参数化方案的不同造成的。多模式集合预估结果表明,未来几十年北半球3—4月积雪将继续减少并且集中发生在欧亚大陆中西部地区。温室气体排放将会对未来北半球积雪的变化产生显著影响。在RCP8.5情景下,未来北半球积雪减少最显著;在RCP4.5和RCP6.0情景下,在21世纪前半叶北半球积雪减少趋势与RCP8.5情景相当,但是在21世纪后半叶积雪的减少趋势明显小于RCP8.5情景;在RCP2.6情景下,北半球积雪减少趋势最小。所以,控制温室气体排放对于未来北半球积雪的生存至关重要。     

CMIP5模式对青藏高原地表温度的模拟与预估

利用1980~2005年英国东英吉利亚大学的 CRU全球陆面月平均地面数据集资料,对历史数据进行集合平均,结合泰勒诊断,开展青藏高原地区地表温度及其变化趋势的统计分析与模式模拟,并通过CRU观测资料和模式的历史资料集合平均得到年平均地表温度变化趋势,从而对高原未来的地表温度进行预估。结果表明：CMIP5中大多数模式对高原地区的年平均地表温度的模拟效果较好,但会受到季节差异的影响;多模式集合平均的模拟能力总体比单个模式模拟的性能更优,与观测场的数据更加接近;青藏高原未来的增温趋势与外辐射强迫的强度呈正相关,高原地区对高浓度排放情景下的增温效应比中低浓度更加剧烈,并且升温值在21世纪末极有可能突破6.5℃。     

东北地区气候变化CMIP5模式预估

利用CMIP5的多模式集合资料,从时间变化和空间分布两方面分析了不同情景下(RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5)中国东北地区未来100年的气候变化。结果显示:3种排放情景下,21世纪东北地区气温和降水呈显著增长趋势,中期和末期增幅较明显,冬季增幅高于其他季节,RCP8.5情景下气温增暖最为显著,RCP4.5次之,RCP2.6最小,随着年代的推移,气温和降水年较差逐渐减小;空间分布显示:3种排放情景下各个时期的增温分布形式基本一致,由南向北逐渐增大,辽宁南部增温幅度最小,最显著地区位于黑龙江大兴安岭;不同情景下气温变化率的分布形势略有不同,但均呈显著增温趋势;3种排放情景下降水距平百分率均为增加趋势,呈由东向西逐渐增大的经向分布特征;不同情景下的降水变化率分布形势相似,呈南大北小特征,辽宁地区增长最为明显,黑龙江西部地区增长相对较小。     

基于CMIP5模拟的中国区域陆气耦合强度评估及未来情景预估

基于第五次国际耦合模式比较计划(CMIP5)11个模式历史情景的模拟结果计算得到了中国区域夏季的陆气耦合强度并进行集合平均,结果表明,位于半干旱区的华北和内蒙古地区陆气耦合强度相对较强,西部干旱区的陆气耦合强度相对较弱,位于湿润区的中国东北地区东部、长江中下游和西南地区陆气耦合强度最弱。利用上述模式集合平均结果与由NCEP再分析资料和欧洲中心的中期气象预报40年再分析资料(ERA40)计算得到的陆气耦合强度相比较,结果显示这些模式的集合平均与再分析资料NCEP和ERA40的计算结果有较好的一致性。利用历史情景模拟和不同的典型排放路径(RCP),即低排放情景RCP2.6、中排放情景RCP4.5和高排放情景RCP8.5下的模拟结果预估陆气耦合强度未来变化。结果显示:与历史情景相比较,位于湿润区的中国南方地区蒸散发的主要控制因子是温度,在3种排放情景下随着温度上升引起蒸散发增加所导致陆气耦合强度升高;位于青藏高原以及半干旱区的内蒙古大部分地区蒸散发在未来的年际变化幅度减弱导致陆气耦合指数降低;位于西北干旱区陆气耦合强度在RCP2.6和RCP4.5情景上升,然而在RCP8.5情景下陆气耦合强度下降,其原因是在高排放情景下,水汽平流输送明显增强,局地蒸散发异常对空气湿度变化的贡献减弱,导致了陆气耦合强度降低。未来预估结果在中国南方可信度相对较高,从全国来看,在RCP4.5情景下可信度相对较高。     

CMIP5气候模式对亚洲升温幅度的模拟与预估

基于新的全球表面温度数据集CMST(China merged surface temperature),全面评估了参加国际耦合模式比较计划第5阶段(CMIP5)的27个全球气候模式1900—2017年的气候模拟结果(1900—2005年为模式历史模拟,2006—2017年为不同典型浓度路径下的预估)。泰勒图及各种统计参数的对比表明,一些模式无论在历史模拟时段,还是在历史模拟和近期预估拼接时段,都稳定、较好地模拟出了观测序列的变化特征。利用筛选出模拟效果相对较优的9个模式,系统比较了其集合平均MT9(mean model top 9)与所有模式的集合平均MAM(mean all models)。分析结果表明:无论在哪种排放路径下,不管是时间变化,还是从空间分布方面,多数模式可能高估了亚洲区域增暖趋势,导致MAM过高估计了亚洲区域温度变化幅度与长期趋势,而优选的模式集合MT9明显比MAM更接近于观测值。进一步,采用了MT9的预估结果分析了2018—2099年的亚洲区域预估的地表升温幅度:到2099年,在RCP2.6浓度路径下,MT9预估亚洲地区的升温幅度较小,约为0.08℃;在RCP4.5浓度路径下,升温约为1.20℃;在RCP8.5浓度路径下,升温将达3.54℃,这些结果均略小于所有模式集合MAM的升温幅度,因而更加合理;同时还基于MT9预估分析了2018—2099年的温度距平的空间变化。     

CMIP5模式对未来30a新疆夏季降水的预估

选用参与气候变化政府间合作委员会(IPCC)第5次评估报告的25个气候耦合模式(CMIP5),基于GPCP(Global Precipitation Climatology Project)降水资料,采用多种统计方法,综合评估模式历史试验对1979—2005年新疆夏季降水的模拟能力,优选出模拟性能较好的模式,进而利用其RCP8.5排放路径下的模拟结果来预估未来30 a(2021—2050年)新疆夏季降水的变化。从气候平均场和年际变率来看,25个CMIP5模式的模拟性能差异显著,部分模式可模拟出新疆夏季降水的主要空间分布特征,如伊犁河谷地区的降水中心以及南疆和东疆地区的少雨区。从优选出的9个模式的集合平均结果来看,对南疆西部山区与昆仑山北侧地区降水强度和范围模拟偏强,对年际变率的模拟偏弱,但其降水的空间分布与观测比较一致,可较准确地捕捉到高、低值中心,空间相关性也较好。因此,利用该集合平均结果对未来新疆降水进行预估是可信的。预估结果表明:(1)未来30 a北疆大部分地区和东疆部分地区夏季降水略微减少,伊犁河谷和南疆大部分地区显著增多,且增幅中心出现在南疆西部和昆仑山北侧地区;(2)山区年际变率较其他地区明显,且伊犁河谷、南疆西部和昆仑山北侧地区的年际变率呈现逐渐增大趋势;(3)降水变化与500 hPa环流配置异常密切相关,北疆地区偏南气流加强,表现为反气旋性环流,南疆地区偏东气流加强,表现为气旋性环流,因而导致未来新疆地区夏季降水南增北减。     

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。     

The Southwest Indian Ocean thermocline dome in CMIP5 models: Historical simulation and future projection

Using 20 models of the Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5), the simulation of the Southwest Indian Ocean (SWIO) thermocline dome is evaluated and its role in shaping the Indian Ocean Basin (IOB) mode following El Niño investigated. In most of the CMIP5 models, due to an easterly wind bias along the equator, the simulated SWIO thermocline is too deep, which could further influence the amplitude of the interannual IOB mode. A model with a shallow (deep) thermocline dome tends to simulate a strong (weak) IOB mode, including key attributes such as the SWIO SST warming, antisymmetric pattern during boreal spring, and second North Indian Ocean warming during boreal summer. Under global warming, the thermocline dome deepens with the easterly wind trend along the equator in most of the models. However, the IOB amplitude does not follow such a change of the SWIO thermocline among the models; rather, it follows future changes in both ENSO forcing and local convection feedback, suggesting a decreasing effect of the deepening SWIO thermocline dome on the change in the IOB mode in the future.     

Evaluating the formation mechanisms of the equatorial Pacific SST warming pattern in CMIP5 models

Based on the historical and RCP8.5 runs of the multi-model ensemble of 32 models participating in CMIP5, the present study evaluates the formation mechanisms for the patterns of changes in equatorial Pacific SST under global warming.Two features with complex formation processes, the zonal El Ni ?no-like pattern and the meridional equatorial peak warming(EPW), are investigated. The climatological evaporation is the main contributor to the El Ni ?no-like pattern, while the ocean dynamical thermostat effect plays a comparable negative role. The cloud–shortwave-radiation–SST feedback and the weakened Walker circulation play a small positive role in the El Ni ?no-like pattern. The processes associated with ocean dynamics are confined to the equator. The climatological evaporation is also the dominant contributor to the EPW pattern, as suggested in previous studies. However, the effects of some processes are inconsistent with previous studies. For example,changes in the zonal heat advection due to the weakened Walker circulation have a remarkable positive contribution to the EPW pattern, and changes in the shortwave radiation play a negative role in the EPW pattern.     

Poleward expansion of the hadley circulation in CMIP5 simulations

Observational analyses have demonstrated that the Hadley circulation has expanded poleward in recent decades. Important issues are what caused the widening of the Hadley circulation and whether the observed widening is related to anthropogenic forcing. In the present study, we use currently available simulations of the Coupled Model Intercomparison Project Phase-5 (CMIP5) to analyze changes in the width of the Hadley circulation. It is found that CMIP5 historical simulations with greenhouse gas (GHG) forcing generate a total widening of ～0.15o0.06o in latitude (10 yr)-1 for the period 1979--2005, and the widening in CMIP5 historical simulations with all forcings is ～0.17o0.06o per decade. Similar to that in CMIP3, the simulated poleward expansion in CMIP5 is much weaker than the observational reanalyses. In CMIP5 projection simulations for the 21st century, magnitudes of widening of the Hadley circulation increase with radiative forcing. For the extreme projected radiative forcing of RCP8.5, the total annual-mean widening of the Hadley circulation is ～0.27o0.04o(10 yr)-1 in the 21st century. Although CMIP5 underestimates observed poleward expansion of the Hadley circulation, the results of this study suggest that the observed trends in the width of the Hadley circulation are caused by anthropogenic forcing and that increasing GHGs play an important role in the observed poleward expansion of the Hadley circulation, in addition to other forcings emphasized in previous studies.     

The Project Siberian High in CMIP5 Models

The Siberian high(SH)experienced a decline from the 1970s to 1990s and a recovery in recent years.The evolution of the SH under global warming is unclear.In this study,41 Coupled Model Intercomparison Project Phase 5(CMIP5)climate models are evaluated in terms of their ability to simulate the temporal evolution of the SH in the 19th and 20th centuries and the spatial pattern of the SH during 1981–2005.The results show that 12models can capture the temporal evolution of the SH center intensity(SHCI)for 1872–2005.The linear correlation coefficient between the SHCI from the Twentieth Century Reanalysis and the simulated SHCI from the multi-model ensemble(MME)of the 12 models is 0.3 on annual and inter-annual scales(above the 99%confidence level).On decadal and multi-decadal time scales,the MME also captures the pronounced reduction(between 1981–2000and 1881–1900 period)and the recovery(during1991–2005)of the SH intensity.Finally,the future evolution of the SH is investigated using the MME of the 12models under the+4.5 and+8.5 W m-2 Representative Concentration Pathway(RCP)scenarios(RCP4.5 and RCP8.5).It is shown that the SHCI,similar to the SHCI in the 20th century,has no significant long-term trend in the 21st century under global warming(RCP8.5 scenario).At the end of 21st century(2081–2100),the SH shows stronger interannual variability than the SH at the end of20th century(1981–2000).The increased interannual variability likely favors the increased interannual variability in winter air temperature over midlatitude Eurasia at the end of 21st century.     

亚非夏季风的年代际变化:大西洋多年代际振荡与太平洋年代际振荡的协同作用

亚非夏季风系统包括非洲夏季风、南亚夏季风和东亚夏季风。它是全球季风系统中具有高度整体一致性变化的系统,其主要原因是亚非夏季风系统具有相同的主要驱动力:AMO(Atlantic Multidecadal Oscillation,大西洋多年代际振荡)和PDO(Pacific Decadal Oscillation,太平洋年代际振荡)海洋年代际变化模态。在此前提下,本文首先阐述了AMO对亚非夏季风的强迫作用与遥相关作用,特别强调了它在亚非夏季风及其降水年代际转型中的作用;其次讨论了PDO与冬春积雪的年代际变化对东亚夏季风雨带的协同作用;最后综合分析了AMO、PDO与IOBM(Indian Ocean Basin Mode,印度洋海盆一致模态)的协同作用,指出印度洋海洋模态在年代尺度上独立于AMO与PDO的相关组合,主要起着加强东亚夏季风活动的作用。     

The hiatus and accelerated warming decades in CMIP5 simulations

Observed hiatus or accelerated warming phenomena are compared with numerical simulations from the Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 （CMIP5） archives,and the associated physical mechanisms are explored based on the CMIP5 models.Decadal trends in total ocean heat content （OHC） are strongly constrained by net top-of-atmosphere （TOA） radiation.During hiatus decades,most CMIP5 models exhibit a significant decrease in the SST and upper OHC and a significant increase of heat penetrating into the subsurface or deep ocean,opposite to the accelerated warming decades.The shallow meridional overturning of the Pacific subtropical cell experiences a significant strengthening （slowdown） for the hiatus （accelerated warming） decades associated with the strengthened （weakened） trade winds over the tropical Pacific.Both surface heating and ocean dynamics contribute to the decadal changes in SST over the Indian Ocean,and the Indonesian Throughflow has a close relationship with the changes of subsurface temperature in the Indian Ocean.The Atlantic Meridional Overturing Circulation （Antarctic Bottom Water） tends to weaken （strengthen） during hiatus decades,opposite to the accelerated warming decades.In short,the results highlight the important roles of air-sea interactions and ocean circulations for modulation of surface and subsurface temperature.     

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...     

Tropical cyclone genesis potential index over the western North Pacific simulated by CMIP5 models

Tropical cyclone(TC) genesis over the western North Pacific(WNP) is analyzed using 23 CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5) models and reanalysis datasets. The models are evaluated according to TC genesis potential index(GPI). The spatial and temporal variations of the GPI are first calculated using three atmospheric reanalysis datasets(ERA-Interim, NCEP/NCAR Reanalysis-1, and NCEP/DOE Reanalysis-2). Spatial distributions of July–October-mean TC frequency based on the GPI from ERA-interim are more consistent with observed ones derived from IBTr ACS global TC data. So, the ERA-interim reanalysis dataset is used to examine the CMIP5 models in terms of reproducing GPI during the period 1982–2005. Although most models possess deficiencies in reproducing the spatial distribution of the GPI, their multimodel ensemble(MME) mean shows a reasonable climatological GPI pattern characterized by a high GPI zone along 20?N in the WNP. There was an upward trend of TC genesis frequency during 1982 to 1998, followed by a downward trend. Both MME results and reanalysis data can represent a robust increasing trend during 1982–1998, but the models cannot simulate the downward trend after 2000. Analysis based on future projection experiments shows that the GPI exhibits no significant change in the first half of the 21 st century, and then starts to decrease at the end of the 21 st century under the representative concentration pathway(RCP) 2.6 scenario. Under the RCP8.5 scenario, the GPI shows an increasing trend in the vicinity of20?N, indicating more TCs could possibly be expected over the WNP under future global warming.     

中国CMIP5模式对未来北极海冰的模拟偏差

本文对中国参加CMIP5的6个气候模式对未来北极海冰的模拟情况进行了评估。通过与1979-2005年海冰的观测值以及2050年代的多模式集合平均值对比发现,中国的气候模式对海冰范围的模拟结果与CMIP5模式的平均水平存在一定差距,具体表现为：BNU-ESM和FGOALS-s2对当前海冰范围估计很好,但对温度敏感性略偏高;FIO-ESM对当前海冰范围估计很好,但由于海冰对温度的敏感性偏低,导致其模拟的未来海冰在各种RCP情景中都融化缓慢;FGOALS-g2（BCC-CSM1-1和BCC-CSM1-1-m）对当前海冰范围的模拟存在显著偏多（显著偏少）的问题,这导致其对未来海冰融化的估计也持续偏多（偏少）。中国模式对北极海冰的模拟偏差导致它们对极区地表大气温度和湿度的模拟出现偏差,并且这些极区气象要素的偏差会进一步通过动力过程传导到对秋、冬季西风带、极涡的模拟中去。研究表明：从对海冰本身的模拟以及海冰偏差带来的气候影响这两个角度看,BNU-ESM在中国模式中水平较高,但总体上中国6个气候模式在海冰分量的模拟上仍与世界平均水平存在差距,这需要中国各模式中心的持续改进。