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模式对中国东北气候模拟能力的评估

利用CN05观测资料和参与IPCC第五次评估报告的45个全球气候系统模式的模拟结果,分析了新一代全球气候模式对中国东北三省(1961~2005年)气温和降水的模拟能力。结果表明:1)绝大多数模式都能较好地模拟出研究区内显著增温的趋势,对气温的年际变化模拟能力则相对有限;2)所有模式均能很好地再现气温气候态的空间分布特征,且多模式集合模拟结果优于绝大多数单个模式,空间相关系数达到了0.96;3)对于降水的模拟结果,模式间差异较大,多模式集合能较好地再现其空间分布规律(空间相关系数为0.86),对降水年际变化及线性变化趋势的模拟能力则较差。总体来说,多模式集合对东北气候的时空变化特征具有一定的模拟能力,且对气温模拟效果优于降水,对空间分布的模拟能力优于时间变化。     

CMIP5全球气候模式对青藏高原地区气候模拟能力评估

青藏高原是气候变化的敏感和脆弱区,全球气候模式对于这一地区气候态的模拟能力如何尚不清楚。为此,本文使用国际耦合模式比较计划第五阶段（CMIP5）的历史模拟试验数据,评估了44 个全球气候模式对1986~2005 年青藏高原地区地表气温和降水两个基本气象要素的模拟能力。结果表明,CMIP5 模式低估了青藏高原地区年和季节平均地表气温,年均平均偏低2.3℃,秋季和冬季冷偏差相对更大;模式可较好地模拟年和季节平均地表气温分布型,但模拟的空间变率总体偏大;地形效应校正能够有效订正地表气温结果。CMIP5 模式对青藏高原地区降水模拟能力较差。尽管它们能够模拟出年均降水自西北向东南渐增的分布型,但模拟的年和季节降水量普遍偏大,年均降水平均偏多1.3 mm d-1,这主要是源于春季和夏季降水被高估。同时,模式模拟的年和季节降水空间变率也普遍大于观测值,尤其表现在春季和冬季。相比较而言,44 个模式集合平均性能总体上要优于大多数单个模式;等权重集合平均方案要优于中位数平均;对择优挑选的模式进行集合平均能够提高总体的模拟能力,其中对降水模拟的改进更为显著。     

CMIP5模式对ENSO现象的模拟能力评估

针对参与耦合模式比较计划(CMIP5)的17个海-气耦合模式对20世纪气候的模拟结果,从热带太平洋海表温度和大气海平面气压变化的综合分析角度较详细评估了模式对厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)现象的模拟能力。结果表明,这些模式基本上能模拟出ENSO现象的一些主要特征,包括热带太平洋海温的空间分布及其时空演变特征、与海平面气压变化的关联、ENSO周期变化及锁相特征等,但不同模式的模拟结果仍然差异较大。(1)从模拟的热带太平洋年平均海温的偏差来看,多模式集合平均值与观测的均方根误差小于1.0℃,但单个模式的误差相对要大一些。误差较小的为1.2—1.3℃,多数模式在1.6℃以下,但也有个别模式的误差超过2.0℃。(2)从经验正交函数分解结果来看,热带太平洋实测月平均海表温度距平和海平面气压距平的年际尺度变化第1模态主要表现为ENSO变化特征,第2模态反映的是海温的长期变化趋势。只有少数几个CMIP5模式能够再现这种特征,多数模式所模拟的海温距平/海平面气压距平时空变化的第1、第2特征向量分布顺序与观测分析正好相反,ENSO变成了第2模态,趋势成了最主要的模态。尽管如此,所有模式都能模拟出南方涛动变化与热带太平洋海温距平时空变化的密切关联,无论是作为第1还是第2特征模态,所有模式模拟的南方涛动与热带太平洋海温距平时空变化都有密切相关。(3)谱分析结果表明,ENSO现象具有2—7年的周期,其中,4年的周期最明显。大多数模式模拟的ENSO周期在此范围内,但有些模式的主要周期偏短,为2年左右。个别模式的ENSO主要周期为11年,已超出2—7年的范围。(4)多数模式模拟的厄尔尼诺及拉尼娜的峰值出现在冬季(11—2月),与观测基本吻合。另有少数模式模拟的峰值出现在9—10月,比观测略提前。只有个别模式模拟的峰值出现在夏季,与观测相差太大。     

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。     

CMIP6模式对中国气温日较差的模拟能力评估北大核心CSCD

利用CRU_TS v4.04观测数据作为验证,对28个CMIP6(Coupled Model Intercomparison Project 6)模式模拟中国区域内气温日较差(Diurnal Temperature Range,DTR)年际变化、气候平均态变化以及不同区域和不同季节尺度变化的能力进行评估。结果表明:在百年尺度上,CMIP6模式能够反映出年际变化中DTR下降的演变趋势,模式与观测之间的相关系数在0.1~0.7,均方根误差在0.6~1.5,Taylor评分(Taylor Score,TS)在0.2~0.7,MRI-ESM2-0模式与观测之间的相关系数(0.65)最大,均方根误差(0.8)最小,TS(0.67)最高,模拟能力最好;在30年气候平均态尺度上,CMIP6模式符合观测呈现的DTR北方地区高、南方地区低,西部地区高、东部地区低,内陆地区高、沿海地区低,高原地区高、平原盆地地区低的空间分布特征,基本可以再现中国大范围区域内DTR下降的空间分布特征,对不同区域和不同季节DTR变化也有较好的模拟,以EC-Earth3模式的模拟能力最好。然而,单模式存在不同程度的高估或低估DTR变化的现象,多模式中位数集合能够模拟出DTR在年际变化和气候平均态变化中的一些特征,对于春季和冬季的模拟,多模式集合优于单模式模拟。     

23个CMIP5模式对厄尔尼诺事件生命史模拟能力的评估

利用23个CMIP5气候模式历史模拟试验数据,评估模式对于厄尔尼诺事件生命史的模拟能力。评估结果显示,有1/3的模式可以很好地再现厄尔尼诺生命史演变过程,而另有1/3的模式对厄尔尼诺生命史模拟能力较弱。观测分析结果表明,动力(海洋温度平流)和热力(海洋表面热量通量)强迫作用对厄尔尼诺快速衰减过程都有贡献。前者主要与西北太平洋区域风场响应有关,而后者主要与"云—辐射—海温"负反馈过程有关。模拟能力较强的CMIP5模式中海温距平中心相对偏东,因此海洋纬向平流负反馈和短波辐射负反馈作用较强,衰减阶段中海温衰减更快。而模拟能力较弱的气候模式中海温距平中心相对偏西,因此动力和热力过程较弱,海温衰减缓慢。由于衰减变率不同,前者海表温度距平在发展年次年夏季时符号发生改变,而后者依然维持相同的符号。由季节决定的大气—海洋相互作用所引发的不稳定增长过程在北半球秋季时期进一步参与其中,因此较好的模式中负海温距平继续增长并转变成拉尼娜,而模拟能力较弱的模式中始终维持暖海温距平,没有形成拉尼娜。分析结果同时表明,仍然有1/3的气候模式不能很好地模拟出厄尔尼诺事件位相锁定特征。     

CMIP6全球气候模式对中亚极端降水模拟能力的评估

本文基于NOAA再分析逐日降水数据和22个CMIP6模式的降水模拟数据,选取了6个极端降水指数,从气候态和相对变率两个角度对CMIP6模式在中亚地区极端降水方面的模拟能力开展了评估。结果表明,在气候态方面,中亚地区降水的空间分布表现为由西南向东北递增,其东南部山地迎风侧降水偏多;多模式集合对SDII(简单降水强度)和CDD(最大无雨期)模拟的平均误差分别为-5.43%和0.45%,对PRCPTOT(年总降水量)、R1mm(有雨日数)、Rx5day(最大连续五日降水)和CWD(最大雨期)的模拟结果存在明显高估,且在中亚东南部高海拔地区误差偏高。在相对变率方面,多模式集合模拟的中亚极端降水的相对变率偏小,其中对CWD的模拟效果相对较好,平均误差为-4.78%;对R1mm的模拟效果最差,平均误差为-36.16%。模式间进行比较,TaiESM1、EC-Earth3-Veg-LR和GFDL-ESM为22个CMIP6模式中模拟能力最好的前3个模式。     

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。     

CMIP5模式对拉尼娜生命史模拟能力的评估

利用19个CMIP5模式输出资料,评估模式对于拉尼娜事件特殊生命史发展过程的模拟能力。评估结果显示,仅有少数模式可以很好地再现拉尼娜事件缓慢衰减并再次增强的生命史发展过程,而多数模式中拉尼娜事件持续衰减直至消亡。观测分析结果表明,一个可能导致拉尼娜再次增强的原因是风场强迫作用下的海洋赤道波动过程。模拟能力较好的模式可以建立起"SST—对流—风场"正反馈过程,使得拉尼娜事件再次发展。而模拟能力较弱的模式中正反馈过程无法建立,因此拉尼娜事件最终消亡。另一个可能导致拉尼娜事件再次增强的原因是海洋平均经圈环流的作用。模拟能力较好的模式可以很好地模拟出气候态海洋经圈环流强度,因此海洋平均经向冷平流会帮助赤道地区负海温距平再次增强。而模拟能力较弱的模式中海洋经圈环流强度较弱,因此赤道地区负海温距平持续衰减,最终回归到气候态。     

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。     

由最高最低气温求算的平均气温对我国年平均气温序列影响

针对研究全国近百年平均气温长期变化的实际需要,利用603个测站1961—2002年气温观测资料,比较分析了最高最低平均气温距平序列和4次观测记录平均气温距平序列的差异,讨论了最高、最低气温变化趋势。结果表明：两种统计方法得到的平均气温距平序列及增温速率的差异均不明显,在一定条件下两者可以互相替换。此外,最高、最低气温变化普遍存在不对称现象,且可分为4种类型,这种不对称性对平均气温变化速率并没有明确一致的影响。     

不同水平分辨率BCC_CSM模式对中亚地面气温模拟能力评估

本研究基于IPCC AR5(Intergovernmental Panel on Climate Change:Fifth Assessment Report)中BCC_CSM1.1(Beijing Climate Center Climate System Model version 1.1)和BCC_CSM1.1(m)(Beijing Climate Center Climate System Model version 1.1 with a Moderate Resolution)气候模式的历史试验结果和CRU(Climatic Research Unit)资料, 采用趋势分析和滑动平均等方法检验了两个版本BCC_CSM模式对中亚地区1948～2011年平均地表气温、各热通量及其趋势的模拟性能, 并讨论了不同模式水平分辨率的影响, 结果显示:BCC_CSM1.1和BCC_CSM1.1(m)两个模式均能够模拟出中亚地区显著增温以及感热通量、长/短波净辐射等要素由南向北递减的总体趋势。其中, BCC_CSM1.1(m) 在对中亚地面年平均气温、感热通量和长/短波净辐射空间分布的模拟结果好于BCC_CSM1.1, 但对于气温标准差的模拟, BCC-CSM1.1模式略好于BCC-CSM1.1(m)。模式分辨率的提高, 能够更好地表现出地形的影响, 对气温和各热通量模拟性能改善较大, 在中亚地区年平均气温的模拟中表现出了一定的优势。     

Assessment of Historical Climate Trends of Surface Air Temperature in CMIP5 Models

This study assesses the historical climate trends of surface air temperature（SAT）, their spatial distributions, and the hindcast skills for SAT during 1901– 2000 from 24 Coupled Model Intercomparison Project Phase 5（CMIP5） models. For the global averaged SAT, most of the models（17/24） effectively captured the increasing trends（0.64°C/century for the ensemble mean） as the observed values（- 0.6°C/century） during the period of 1901–2000, particularly during a rapid warming period of 1970–2000 with the small model spread. In addition, most of the models（22/24） showed high hindcast skills（the correlation coefficient, R 〉 0.8）. For the spatial pattern of SAT, the models better simulated the relatively larger warming at the middle-to-high latitudes in the Northern Hemisphere than that in the Southern Hemisphere and the greater warming on the land than that in the ocean between 40°S and 40°N. The simulations underestimated the warming along some ocean boundaries but overestimated warming in the Arctic Ocean. Most of the coupled models were able to reproduce the large-scale features of SAT trends in most regions excluding Antarctica, some parts of the Pacific Ocean, the North Atlantic Ocean near Greenland, the southwestern Indian Ocean, and the Arctic Ocean. The outgoing longwave radiation（OLR） and incoming shortwave radiation（ISR） at the top of the atmosphere（TOA） and the downward longwave（LW） radiation and sensible heat flux at the surface had positive contributions to the increasing trends in most of the models.     

Observed Changes in One-in-20 Year Extremes of Canadian Surface Air Temperatures

Weather and climate extremes are often associated with substantial adverse impacts on society and the environment. Assessment of changes in extremes is of great and broad interest. This study first homogenizes daily minimum and maximum surface air temperatures recorded at 146 stations in Canada. In order to assess changes in one-in-20 year extremes (i.e., extremes with a 20-year return period) in temperature, annual maxima and minima of both daily minimum temperatures and daily maximum temperatures are derived from the homogenized daily temperature series and analyzed with a recently developed extreme value analysis approach based on a tree of generalized extreme value distributions (including stationary and non-stationary cases). The procedure is applied to estimate the changes over the period 1911 to 2010 at 115 stations, located mainly in southern Canada, and over the period 1961 to 2010 at 146 stations across Canada (including 37 stations in the North). The results show that warming is strongest for extreme low temperature and weakest for extreme high temperature and is much stronger in the Canadian Arctic than in southern Canada. Warming is stronger in winter than in summer and stronger during nighttime than daytime of the same season.     

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。     

中亚地区夏季温度的季节预测

根据1979~2016年春季海表温度、土壤温度以及大尺度气候指数与中亚地区夏季温度的相关关系,确定了印度洋东南部海表温度、非洲西北部土壤温度、大西洋多年代际振荡（AMO）和东亚/西俄型（EA/WR）4个春季预测因子,进而建立了中亚地区夏季温度的预测模型。春季印度洋东南部海表温度暖异常、非洲西北部土壤温度暖异常、AMO正异常与EA/WR负异常均对应夏季中亚地区500 hPa位势高度场正异常,为该地区夏季高温发生提供有利条件。预测模型留一法交叉验证产生的1979~2016年中亚地区夏季温度无（有）趋势的时间序列与观测的无（有）趋势的时间序列的相关为0.65（0.74）,表明该预测模型具有良好的预测能力。研究结果有望帮助提高中亚地区夏季温度的预测技巧。     

Differences between CMIP6 and CMIP5 Models in Simulating Climate over China and the East Asian Monsoon

We compare the ability of coupled global climate models from the phases 5 and 6 of the Coupled Model Intercomparison Project(CMIP5 and CMIP6, respectively) in simulating the temperature and precipitation climatology and interannual variability over China for the period 1961–2005 and the climatological East Asian monsoon for the period1979–2005. All 92 models are able to simulate the geographical distribution of the above variables reasonably well.Compared with earlier CMIP5 models, current CMIP6 models have nationally weaker cold biases, a similar nationwide overestimation of precipitation and a weaker underestimation of the southeast–northwest precipitation gradient, a comparable overestimation of the spatial variability of the interannual variability, and a similar underestimation of the strength of winter monsoon over northern Asia. Pairwise comparison indicates that models have improved from CMIP5 to CMIP6 for climatological temperature and precipitation and winter monsoon but display little improvement for the interannual temperature and precipitation variability and summer monsoon. The ability of models relates to their horizontal resolutions in certain aspects. Both the multi-model arithmetic mean and median display similar skills and outperform most of the individual models in all considered aspects.