CMIP模式对冬季北半球大气环流与青藏高原冬春季气温相关关系的模拟评估

本文评估了36个CMIP5模式和39个CMIP6模式对近期观测中揭示的北半球冬季大气环流与高原冬春气温之间的相关关系的模拟能力。利用最大协方差(MCA)分析方法,计算并比较了观测和模式中冬季北半球200 hPa位势高度场与同后期青藏高原近地面气温的耦合关系。整体而言,大部分CMIP模式能够模拟出显著的冬季北半球大气环流与青藏高原气温之间的相关关系,且CMIP6模式模拟相关特征和作用机制的能力较CMIP5均有所提升。与观测相比,历史情景下36个CMIP5模式中有26个能够模拟出显著的大气环流与同后期高原气温之间的相关关系,其中对于相关的位势高度场空间模态的模拟明显好于对高原气温异常场空间模态的模拟。同情景下39个CMIP6模式中有37个能模拟出显著相关关系,且CMIP6模式更能模拟出观测中MCA模态的位势高度场上北极涛动(AO)和西太平洋遥相关型(WP)反相位叠加的大气环流特征。在对MCA模态时间变率的模拟上,大部分模式都能重现青藏高原整体变暖的趋势,部分模式能够模拟出观测中位势高度场时间主成分的年际变率,并且CMIP6表现要优于CMIP5。对耦合环流型的动力诊断显示,相比CMIP5模式...     

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。     

CMIP3与CMIP5模式对中国西北干旱区气温和降水的模拟能力比较

通过对15组CMIP3和CMIP5两代模式集合平均对中国西北干旱区气温和降水的模拟能力比较,发现CMIP5模式对气温和降水的模拟更接近观测值。CMIP5模式模拟年、春季、夏季、秋季平均气温的相关系数比CMIP3模式分别提升了0.15、0.13、0.24和0.02,冬季下降了0.07。CMIP5模式对西北干旱区的平均气温变化趋势的模拟效果比CMIP3有所提高,对年、春季、夏季、秋季、冬季趋势的模拟偏差比CMIP3分别减少了0.03℃/10a、0.10℃/10a、0.01℃/10a、0.06℃/10a、0.14℃/10a。对西北干旱区平均气温年、季的模拟偏差分布上,CMIP5模式的偏差均比CMIP3低1~2℃。但是天山区年、季节平均气温的模拟与整体模拟偏低情况相反,CMIP3和CMIP5分别偏高3~6℃和1~4℃,对夏季的模拟偏高最严重,分别达到6℃和4℃。CMIP5模式整体对西北干旱区降水量的模拟结果与观测值的平均相关系数与CMIP3相差不大,均不超过0.1,而且偏差仍然较大。CMIP5模式对西北干旱区的降水量的变化趋势模拟效果比CMIP3有所降低,对年、春季、夏季、秋季、冬季趋势的模拟偏差比CMIP3增加了0.67 mm/10a、0.23 mm/10a、0.51 mm/10a、0.11 mm/10a、0.14 mm/10a。CMIP5模式对年、春季、夏季、秋季和冬季的降水量模拟的均方根误差相比CMIP3分别减少77.6 mm、25.5 mm、25.0 mm、18.8 mm和13.9 mm。在空间上,CMIP5模式对年、季节降水模拟仍然偏高,但是比CMIP3有明显缓解;CMIP3和CMIP5模式对夏季天山区年降水量和夏季降水量的模拟也与大部分区域偏高的趋势明显相反,两代模式对夏季天山区的降水模拟均偏低50 mm左右。     

CMIP6模式对欧亚大陆冬季雪水当量的模拟能力评估及未来预估

基于第六次耦合模式比较计划（CMIP6）的模式模拟数据和欧洲宇航局GlobSnow卫星遥感雪水当量（Snow Water Equivalent, SWE）资料,评估了CMIP6耦合模式对1981～2014年欧亚大陆冬季SWE的模拟能力,并应用多模式集合平均结果预估了21世纪欧亚大陆SWE的变化情况。结果表明,CMIP6耦合模式对冬季欧亚大陆中高纬度SWE空间分布具有较好的再现能力,能模拟出欧亚大陆中高纬度SWE的主要分布特征;耦合模式对SWE变化趋势及经验正交函数主要模态特征的模拟能力存在较大差异,但多模式集合能提高模式对SWE变化趋势和主要时空变化特征的模拟能力;此外,多模式集合结果对欧亚大陆冬季SWE与降水、气温的关系也有较好的再现能力。预估结果表明,21世纪欧亚大陆东北大部分地区的SWE均要高于基准期（1995～2014年）,而90°E以西的欧洲大陆SWE基本上呈现减少的特征;21世纪早期,4种不同排放情景下积雪变化的差异不大,但21世纪后期积雪变化的幅度差异较大,而且排放越高积雪变化的幅度越大,模式不确定性也越大;进一步的分析表明,欧亚大陆冬季未来积雪变化特征的空间分布与全球变...     

东北地区冬季气温与北极涛动年代际关系研究

利用中国160站气温资料、北极涛动指数资料及关国NCEP／NCAR再分析资料中月平均海平面气压场、高度场、风场资料，分析了东北地区冬季气温、冬季北极涛动的年代际特征及其关系。结果表明：在年代际时间尺度上，两者之间存在显著正相关。冬季北极涛动处于低（高）指数期，东北冬季气温为持续冷冬（暖冬）期。可能影响机制是：在地面，冬季北极涛动处于低（高）指数期时，西伯利亚高压增强（减弱），亚洲大陆偏北冬季风增强（减弱），东北为持续冷冬（暖冬）期；在对流层中层，冬季北极涛动处于低（高）指数期时，东亚大槽加深（减弱），贝加尔湖以西以北脊增强（减弱），环流呈经向（纬向）型发展，东北对流层中层偏北风增强（减弱），东北为持续冷冬（暖冬）期。     

7个CMIP5模式的平流层、对流层温度趋势与SSU/MSU观测资料的对比

采用1979—2005年美国大气海洋局(NOAA)的卫星观测资料和IPCC第5次全球气候变化比较试验(CMIP5)的模式资料,对全球对流层和平流层近26 a的气温趋势进行了研究。结果表明,CMIP5模拟的全球平均大气温度趋势与观测结果较一致,能够再现平流层冷却和对流层增温等特点,但是在气温趋势的经纬度分布上,模式资料与观测资料间存在较大差异,同时模式间也存在明显的不一致。与观测资料相比,CMIP5模式资料低估了平流层在热带地区的降温速率,而且明显高估了对流层中部到平流层下层的南极区域的降温趋势。不同CMIP5模式间的最大标准方差出现在平流层的南北极区域,但是在对流层所有纬度上标准方差都保持着较小值。     

CMIP5模式对中国年平均气温模拟及其与CMIP3模式的比较

利用CRUT3v和CN05两套观测资料,评估25个CMIP5模式对1906-2005年中国年平均气温变化的模拟能力,并与CMIP3模式对比。结果表明：1906-2005年中国平均温升速率为0.84℃/100a,CMIP5多模式集合平均模拟的增温率为0.77℃/100a。模式对20世纪后期温升模拟好于前期,仅有两个模式能模拟中国20世纪40年代异常增暖。模式对气温气候态空间分布模拟较好,但在中国西部地区存在最大模拟冷偏差和不确定性。1961-1999年,中国北方增暖大于南方。多模式集合平均可以较好地模拟气温变化线性趋势的空间分布,但对南北气温变化趋势的差异模拟过小。总体说来,在中国平均气温变化趋势、气温气候态空间分布和气温变化趋势空间分布三方面,CMIP5模式都较CMIP3模式有所提高。     

CMIP5模式对长江流域气温模拟与预估

利用长江流域147个气象观测站1961—2000年观测数据,对两个多模式集合CMIP3和CMIP5在长江流域气温模拟效果进行了评估,并进一步利用CMIP5输出结果预估2011—2050年长江流域气温时空变化。结果表明:两个多模式集合对长江流域气温具有一定的模拟能力,相对于CMIP3,CMIP5对实验期后20 a的年均气温变化的模拟效果更好,对年均气温变化倾向率的空间分布更加接近实测。预估表明:长江流域年均气温在3种RCPs情景下呈显著增加趋势,长江中下游变暖幅度要高于长江上游,到2050年,全流域气温都增加1.0℃以上。     

Assessment of CMIP6 model performance for temperature and precipitation in Xinjiang,China

作者使用国际耦合模式比较计划第六阶段(CMIP6)的历史模拟试验数据,评估了42个全球气候模式对1995-2014年新疆温度和降水气候态的模拟能力.结果表明,CMIP6模式能够合理模拟新疆年和季节的温度和降水气候态的空间分布.相较于观测,多模式中位数的年均,春季,夏季,秋季和冬季区域平均温度偏差分别为0.1℃,-1.6...     

CMIP6全球气候模式对中国冬季寒潮频次模拟能力的评估北大核心CSCD

基于1961~2013年观测资料和第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)中32个气候模式的最低气温数据,评估了各模式及多模式集合平均方法对中国冬季寒潮频次的模拟能力,并筛选了中国不同区域的最优模式,为中国未来寒潮频次预估和气候模式改进提供理论支撑。结果表明,CMIP6全球气候模式可以很好地再现出中国冬季寒潮频次由北向南逐级递减的空间特征,EC-Earth3-Veg对中国寒潮频次模拟能力最好;绝大多数模式可以模拟出中国冬季寒潮频次下降的趋势,但对趋势变化幅度的模拟能力则相对有限。多模式等权重集合平均和多模式中位数集合平均较单一模式分别对中国北方地区和南方地区冬季寒潮频次空间格局的模拟效果改进显著,但是对趋势值的模拟普遍偏低。     

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。     

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...     

北半球中高纬度低频振荡对2012/2013年冬季中国东北极端低温事件的影响

利用NCEP/DOE的逐日再分析资料和国家气象信息中心的常规观测站温度资料,首先分析了2012/2013年冬季中国东北区域极端低温事件过程中区域平均温度的低频振荡变化特征,然后分析了北半球中高纬度对流低层和中层低频环流系统配置的变化及其与东北地区强冷空气活动过程的联系,最后进一步研究了中高纬度低频环流系统的传播特征及其对温度变化的影响。主要结果有:（1）2012/2013年冬季东北区域平均温度存在很强的30～60 d的周期振荡特征,同时伴随较强的10～30 d低频振荡,后者与实际降温过程对应关系更好;（2）对10～30 d的低频振荡而言,在东北地区低频温度变化降低最大的位相7（位相3升高最大）,500 hPa上,我国东部地区正好处于贝加尔湖地区的低频高压（低压）环流和日本海的低频低压（高压）环流型之间的低频偏北（偏南）的较强引导气流中;同时在850 hPa上,我国东部从东北到南海都是较强的偏北（偏南）低频风控制,这使得东亚冬季风环流系统加强（被抑制）,东北区域则经历一次大幅度的低频温度降低（升高）过程,这些高低空低频环流系统的配置和演变导致了2012/2013年冬季一次次强（或较强）的冷空气沿偏东偏北的路径影响我国东北地区,并导致极端低温事件的出现;（3）沿着乌拉尔山-贝加尔湖-我国东北地区-西北太平洋传播的500 hPa低频波列,是驱动2012/2013年冬季东亚冬季风低频振荡和我国东北地区极端低温事件的环流系统。     

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.     

1.5和2℃升温阈值下中国温度和降水变化的预估

基于CMIP5耦合气候模式模拟结果对1.5和2℃升温阈值时中国温度和降水变化的分析表明,1.5℃升温阈值时,中国年平均升温由南向北加强且在青藏高原地区有所放大,季节尺度上升温的空间分布与其类似,就区域平均而言,RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5情景下中国年平均气温分别升高1.83、1.75和1.88℃,气温的季节变幅以冬季升高最为显著;除华南和西南地区外中国大部分地区年平均降水量增多,降水的季节差异明显,以夏季降水的分布模态与年平均降水量的分布最为相似,区域平均的年降水量分别增加5.03%、2.82%和3.27%,季节尺度上以冬季降水增幅最大。2℃升温阈值时,RCP4.5和RCP8.5情景下中国年平均温度的空间分布与1.5℃升温阈值基本一致,中国年平均气温分别升高2.49和2.54℃,季节尺度上气温的变化以秋、冬季增幅最大;中国范围内年平均降水量基本表现为增多趋势,其中,西北和长江中下游部分地区表现为明显的季节差异,区域平均的年降水量分别增加6.26%和5.86%。与1.5℃升温阈值相比较,2℃升温阈值时中国年平均温度在RCP4.5和RCP8.5情景下分别升高0.74和0.76℃,降水则分别增加3.44%和2.59%,空间上温度升高以东北、西北和青藏高原最为显著,降水则在东北、华北、青藏高原和华南地区增加最为明显。      

CMIP6不同分辨率全球气候模式对中国降水模拟能力评估

基于参与CMIP6高分辨率模式比较计划(HighResMIP)9个模式组的18个全球气候模式模拟数据,通过与CN05.1观测资料的对比,评估了不同分辨率气候模式对中国区域1961—2014年降水特征的模拟能力.结果表明:低、高分辨率模式均能模拟出中国区域多年平均降水的总体空间分布特征,以及降水冬弱夏强的季节变化特征,但...     

中国冬季气温的年际变化

利用中国160站1951-2000年的冬季月平均气温资料，用EOF分析、小波分析和合成分析等方法对中国近50年来的冬季气温的年际变化和时空分布特征进行研究。结果表明：中国冬季气温50年来有显著的增暖趋势，在70年代后期增暖幅度开始加大，年际变化以6～9年周期为主。中国冬季气温的空间变化有很好的一致性，全国绝大部分区域呈整体变暖或变冷的趋势，并且气温变化南北有别，从南向北幅度逐渐变大。另一种模态是当东北、华北和西北地区冬季气温较高时，其它地区则偏冷；反之亦然。