气候系统模式FGOALS-s2对南半球气候的模拟和预估

针对参加“国际耦合模式比较计划”(CMIP5)的IAP/LASG气候系统模式FGOALS-s2,评估了其对南半球气候平均态的模拟能力,在此基础上,预估了未来不同“典型浓度路径”(RCPs)情景下南半球气候的变化特征.对20世纪历史气候模拟结果的分析表明,模式能够合理再现南半球大气环流气候态分布特征,包括6～8月平均(JJA)南半球双西风急流现象,只是模拟的北支急流偏弱、南支急流偏强.未来气候预估试验中,不同RCPs情景下南半球温度变化以增暖为主要特征,陆地增温大于海洋,只有南大西洋—印度洋海盆存在局部变冷.综合四种不同情景,未来随着温室气体浓度的增加,南半球中纬度高压带将显著加强,绕极低压带将加深.降水呈现出增多的特征,12月到来年2月平均(DJF)强于JJA,海洋强于陆地,只有南印度洋和南太平洋中部局部降水减少.未来不同RCPs情景下,马斯克林高压表现出先减弱后增强的特征,而澳大利亚高压则呈现出先增强后减弱的特征.南极涛动(AAO)的变化表现为:RCP2.6和RCP4.5情景下AAO都表现为先增强后减弱,RCP6.0和RCP8.5情景下都为一致的增强趋势,这主要与四种情景中模拟的未来温度变化结构不同有关.例如在RCP6.0和RCP8.5情景下,南半球高纬高层温度增暖趋势小于中纬地区,使得经向温度梯度增大,中纬度西风加强,60°S以南位势高度减小,最终令AAO增强.     

中国地球气候系统模式的发展及其模拟和预估

地球气候系统模式是开展多学科、多圈层集成研究的重要平台,其发展是国际地学领域特别是全球变化领域竞争的前沿。中国的地球气候系统模式研发工作始于20世纪80年代,最近10年得到快速发展。研发格局上已经形成中国科学院、有关部委和高校三足鼎立的局面。文中在简要回顾中国地球气候系统模式早期发展历史的基础上,总结了中国参加第6次耦合模式比较计划的9个地球气候系统模式的技术特点,初步评估了中国4个模式对全球和东亚气候模拟的基本性能,分析了其在4种共享社会经济路径情景下对全球降水与温度的预估变化及其与平衡态气候敏感度的联系。最后,结合国际态势,从发展的角度提出未来中国气候模式研发工作需要加强的8个方向。     

气候系统模式FGOALS_gl模拟的20世纪气温变化

分析了中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学国家重点实验室(LASG/IAP)发展的快速耦合气候系统模式FGOALS_gl对近100年气温变化的模拟,讨论了20世纪气温变化的机理。结果表明,在自然因素和人为因素的共同强迫作用下,FGOALS_gl能够合理再现20世纪全球平均和纬向平均地表气温随时间的演变。利用太阳辐照度等自然强迫、温室气体和气溶胶等人为强迫因子来驱动耦合模式,能够模拟出过去100年全球平均气温的增温趋势和年代际变化。耦合模式可以较好地模拟出20世纪全球气温变化趋势的空间分布。对区域气温变化模拟效果的分析表明,除北大西洋外,FGOALS_gl对其他地区具有较高的模拟技巧,表明外强迫是造成多数地区气温变化的主要原因。FGOALS_gl的主要缺陷在于模拟的变暖强度偏弱,大气模式自身的偏差以及耦合模式对温室气体响应的敏感度偏低是造成上述缺陷的主要原因。总体而言,FGOALS_gl对20世纪气温变化的模拟效果较为理想,特别是在全球、半球和大陆尺度上,该模式对过去100年气温变化的模拟较为合理。     

多区域气候模式集合对中国径流深的模拟评估和未来变化预估

对5组区域气候模式集合模拟的中国径流深进行评估,并且预估了温室气体高排放情景RCP8.5下的未来变化。结果表明：多区域气候模式集合结果能够基本模拟出径流深的观测特征,对年径流深的空间分布特征模拟较好,但量值存在一定的系统偏差,特别是黄河中游、海河和松辽河存在明显的正偏差,且对全国9个流域片中东南、西南和西北诸河的年内分配总体模拟效果相对较差。未来到21世纪末,全国平均年径流深在各个时段都以增加为主,增加幅度多在5%以内。未来变化存在明显的空间差异,大致表现为“北增南减”的分布特征,但不会改变中国水资源南多北少的空间格局;其中,黄河、西南和西北诸河流域片呈显著的增加趋势,淮河、长江和东南诸河流域片呈现显著的减少趋势,海河、松辽和珠江流域的变化趋势不显著。21世纪末期各地的变化多在±30%以内,且多模式预估的正负变化一致性较高。到21世纪末期,各流域片平均的径流深季节分配总体特征没有明显变化,径流深的最大月份基本维持不变,分配比例的数值有±2%以内的变化,且各季节的增减变化存在明显流域间差异。     

春季Hadley环流与长江流域夏季降水关系的数值模拟

观测分析表明,春季Hadley环流异常可以导致东亚大气环流异常变化进而影响长江流域夏季降水的发生.利用中国科学院大气物理研究所9层大气环流模式(IAP9L-AGCM),对春季Hadley环流异常偏强情形下东亚夏季大气环流和长江流域夏季降水的响应进行了数值模拟.模拟结果表明当春季Hadley环流异常偏强时,东亚夏季风减弱,夏季西太平洋副热带高压和南亚高压加强,菲律宾以东洋面对流减弱,长江流域降水增多.初步的数值模拟结果与已有的诊断结果相吻合.     

基于CMIP6模式的黄河流域宁夏段未来气温变化预估研究

为预估黄河流域宁夏段不同地区未来气候特征及其变化趋势,利用宁夏区内19个国家气象站观测资料和CMIP6(Coupled Model Intercomparison Project 6)模式数据,在检验CMIP6模式对宁夏气温模拟能力的基础上,对不同情景下宁夏引黄灌区、中部干旱带和南部山区未来气温变化进行预估。结果表明：(1)CMIP6大部分模式对黄河流域宁夏段年平均气温模拟能力较好,空间相关系数为0.603～0.930,时间相关系数为0.381～0.782,多模式集合优于单个模式模拟效果。(2)在SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0、SSP5-8.5 4种情景下,预计2021—2099年黄河流域宁夏段年平均气温均呈明显增温趋势,增温速率为0.09～0.68℃·(10 a)^-1。不同情景下增温速率差异明显,SSP1-2.6情景下呈减小趋势,SSP2-4.5情景下先增后减,SSP3-7.0情景下呈“增大、减小、增大”特征,SSP5-8.5情景下呈增大趋势。(3)预计4种情景下21世纪30年代引黄灌区、中部干旱带和南部山区年平均气温分别达10.91～11...     

5个IPCC AR4全球气候模式对东北三省降水模拟与预估

利用IPCC AR4中5个全球气候模式数据集和中国东北三省162个站降水实测资料,评估5个全球气候模式和多模式集合平均对中国东北三省降水的模拟能力,并对SRES B1、A1B和A2三种排放情景东北三省未来降水变化进行预估。结果表明：全球气候模式能较好再现东北三省降水的月变化,但存在系统性湿偏差;多模式集合平均能较好模拟东北三省年降水量的空间分布,但模拟中心偏北,强度略强,模式对东北三省夏季降水的模拟效果优于冬季降水;预估结果表明,三种排放情景下21世纪中前期和末期东北三省降水均将增多,21世纪末期增幅高于21世纪中前期,冬季增幅高于其他季节;就排放情景而言,SRES A1B和A2排放情景增幅相当,高于B1排放情景增幅;不同排放情景东北三省降水量增率分布呈较一致变化,A2排放情景下,增幅最显著的辽宁环渤海地区年降水量在21世纪中前期将增加7%以上,21世纪末期将增加16%。     

基于LASG/IAP大气环流谱模式的气候系统模式

文章扼要介绍了基于LASG/IAP大气环流谱模式(SAMIL)的气候系统模式的新版本FGOALS-s的发展和结构。出于发展一个在东亚季风模拟方面有一定优势的气候系统模式之目的,FGOALS-s的大气模式分量SAMIL采用了较高的水平分辨率R42,这相当于2.8125°(经度)×1.66°(纬度),高于三角截断T42的分辨率。对FGOALS-s在模拟大气、陆面、海洋和海冰的气候平均态,以及主要的年际变率信号方面的能力进行了检验。分析表明,FGOALS-s成功地控制了气候漂移趋势,能够较为真实地模拟大气、海洋和陆面的气候平均态,特别是受益于大气模式的较高分辨率,由中国西南向东北延伸的夏季风雨带的分布,在模式中得到较为真实的再现,表明该模式在东亚夏季风的模拟上具有较强能力。耦合模式能够成功再现El Ni~no事件的非规则周期变化,但是其年际变化的振幅较之观测要弱。赤道中西太平洋年际变率的强度较之赤道中东太平洋要强。在中高纬度,模式模拟的北大西洋涛动模态,在空间分布上与观测接近。FGOALS-s模式存在的主要问题,是模拟的热带海温偏冷、而中纬度海温则偏暖,原因是模式模拟的云量分布存在偏差,它直接影响到海表的净热通量收支。模式模拟的北大西洋高纬度地区的海温明显偏冷,令该地区的年平均海冰分布的范围明显偏大;然而受南极周边海温偏高影响,南极洲周围的海冰范围则偏少。FGOALS-s的未来工作重点,宜放在大气模式的云过程、海洋模式的经向能量输送过程、以及海洋与大气的淡水通量耦合方案的改进方面。     

IAP第四代大气环流模式的耦合气候系统模式模拟性能评估

本文首先扼要介绍了基于中国科学院大气物理研究所(简称IAP)第四代大气环流模式的新气候系统模式-CAS-ESM-C(中国科学院地球系统模式气候系统模式分量)的发展和结构,之后主要对该模式在模拟大气、海洋、陆面和海冰的气候平均态、季节循环以及主要的年际变率等方面的能力做一个初步的评估.结果表明:模式没有明显的气候漂移,各...     

基于IPCC A1B情景的中国未来气候变化预估:多模式集合结果及其不确定性

利用耦合模式比较计划(CMIP3)提供的20世纪气候模拟试验(20C3M)及A1B情景预估试验,讨论了全球增暖情景下21世纪中期中国气候的可能变化。结果表明,A1B情景下,中国夏季降水变化在-0.1～1.1mm/d,冬季降水变化在-0.2～0.2mm/d。模式对降水变化的预估存在较大不确定性。无论冬夏,预估的全国表面气温都将升高,升温幅度在1.2～2.8℃;随纬度升高,增暖幅度相应增大。模式对表面气温变化的预估能力强于对降水变化的预估能力。在A1B情景下,东亚夏季风增强,而冬季风则略为减弱,东亚夏季风雨带到达最北后南撤的时间较之20C3M滞后约一个月。     

Model Evaluation and Projection on the Linkage between Hadley Circulation and Atmospheric Background Related to the Tropical Cyclone Frequency over the Western North Pacific

The performance of climate models in simulating the linkage of the spring Hadley circulation (HC) to the vertical zonal wind shear and atmospheric divergence in the lower and upper troposphere, which are related to the tropical cyclone frequency over the western North Pacific (WNPTCF) during June-September (JJAS), is evaluated on the basis of the 20th century climate simulations (20C3M). It is found that four models can simulta-neously reproduce the pattern revealed in the observation, with the spring HC in the Northern Hemisphere being positively correlated to the vertical zonal wind shear in the major tropical cyclone (TC) genesis region and negatively (positively) correlated to the atmospheric diver- gence in the upper (lower) troposphere over the western North Pacific (WNP) in the following JJAS. These four models are further used to project their relationship in the late 21st century under the A1B scenario. The results show that the association of spring HC with the vertical zonal wind shear and the upper-and lower-tropospheric divergence over the WNP will weaken in the late 21st century, thereby resulting in a weak relationship between the spring HC and the JJAS WNPTCF.     

Observational Evidence for Poleward Expansion of the Hadley Circulation

How the Hadley circulation changes in response to global climate change and how its change impacts upon regional and global climates has generated a lot of interest in the literature in the past few years. In this paper, consistent and statistically significant poleward expansion of the Hadley circulation in the past few decades is demonstrated, using independent observational datasets as proxy measures of the Hadley circulation. Both observational outgoing longwave radiation and precipitation datasets show an annual average total poleward expansion of the Hadley cells of about 3.6° latitude. Sea level pressure from observational and reanalysis datasets show smaller magnitudes of poleward expansion, of about 1.2° latitude. Ensemble general circulation model simulations forced by observed time-varying sea surface temperatures were found to generate a total poleward expansion of about 1.23°latitude. Possible mechanisms behind the changes in the horizontal extent of the Hadley circulation are discussed.     

1948-2004年全球平均Hadley环流强度指数与特征

利用NCEP/NCAR逐月平均风场资料,研究了全球平均Hadley环流特征.利用3层4个关键区的风定义并计算了1948年1月-2004年12月的全球纬向平均的南/北半球和全球Hadley环流逐月强度指数.结果表明:计算的Hadley环流指数可以合理地表示Hadley环流的强度;北半球Hadley环流除7-9月(南半球除5月)外都呈增强趋势;南/北半球的年平均Hadley环流也是增强的.年际相关分析表明:Hadley环流指数与SOI有非常高的负相关,Hadley环流强度的年际变化与ENSO关系密切.     

A Comparison between Numerical Simulations of Forced Local Hadley (Anti-Hadley) Circulation in East Asian and Indian Monsoon Regions

1. IntroductionIt is well known that one of the distinguishable differences between the summer monsoonand the winter monsoon is the reversal of lower--layer winds with southwesterly during theNorthern summer and northeasterly during the Northern winter. Previous studies (e.g. Chenet al., 1991 ) show that on the one hand. this seasonal alternation of the lower--layer winds isassociated with thermal contrast between continents and their adjacent oceans due todifferential heating including radia…     

全球气候模式对未来中国风速变化预估

利用世界气候研究计划之第三次耦合模式比较计划 (WCRP/CMIP3) 提供的, 参加IPCC AR4的19个气候模式和国家气候中心为IPCC第五次报告研发的新一代气候模式 (BCC_CSM1.0.1) 及模式集成, 考虑高排放 (A2)、 中等排放 (A1B) 和低排放 (B1) 三种人类排放情景, 预估21世纪中国近地层 (离地10 m) 风速变化。预估结果表明: (1) 21世纪全国平均的年平均风速呈微弱的减小趋势, 且随着预估情景人类排放的增加, 中国年平均风速减小趋势越显著。 (2) 冬季 (夏季) 全国平均风速呈减小 (增大) 趋势, 人类排放量越多, 冬季 (夏季) 风速减小 (增加) 程度越大。21世纪我国风速夏季 (冬季) 增大 (减小) 与全球变暖的背景下未来亚洲夏季风 (冬季风) 增强 (减弱) 有一定关系。 (3) 与20世纪末期 (1980～1999年) 相比, 21世纪初期 (2011～2030年) 中国区域年平均风速A2情景下略偏小, A1B和B1情景下年平均风速无明显变化; 21世纪中期 (2046～2065年) 和后期 (2080～2099年), 三种排放情景下中国年平均风速均比20世纪末期风速小。 (4) 21世纪初期、 中期和后期均表现为冬季 (夏季) 平均风速比20世纪末期冬季 (夏季) 平均小 (大)。 (5) 夏季中国中北部和东北地区风速偏大, 其余地区风速无明显变化或略偏小; 冬季除了东北北部和西藏东南部外, 中国大部地区风速偏小。绝大部分地区超过50%模式一致地预估上述风速变化形式, 具有一定的可信度。     

中国气候变化的检测及预估

对近5a来中国科学家在气候变化的检测及预估等方面的研究工作及主要成果进行了总结:采用最新的器测时期资料和代用温度资料对中国地区近50a、100a的温度和降水变化规律进行再分析,初步重建了中国过去1000a的地表温度序列;对20世纪中国气候变化进行了检测,分析了中国气候变化的原因;预估了中国21世纪气候变化。结果表明:近百年中国气候变化的主要特征与全球气候变化的趋势一致。中国近百年增暖的幅度为0.5～0.8℃,比全球同期增温略高。近50a中国平均气温升高以北方为主,升温速率达0.8℃/10a,远大于北半球平均的升温速率。中国雨型的年代际变化明显,西北西部从20世纪80年代中降水明显增多,以新疆最为显著。中国东部则由70年代末以前的北涝南旱型转为以后的南涝北旱型。气候变暖后,中国的极端天气和气候事件的发生频率和强度也出现了变化。     

CMIP5耦合模式对欧亚大陆冬季雪水当量的模拟及预估

基于美国冰雪资料中心(NSIDC)提供的卫星遥感雪水当量资料,评估了26个CMIP5(Coupled Model Inter-comparison Project)耦合模式对1981~2005年欧亚大陆冬季雪水当量的模拟能力,在此基础上应用多模式集合平均结果,预估了21世纪欧亚大陆雪水当量的变化情况。结果表明,CMIP5耦合模式对欧亚大陆冬季雪水当量空间分布具有一定的模拟能力,能够再现出欧亚大陆冬季雪水当量由南向北递增、青藏高原积雪多于同纬度其他地区的特征;就雪水当量的幅值而言,几乎所有模式均显著低估了西伯利亚中部雪水当量的大值中心,对中国东北地区雪水当量的模拟也显著偏低,但模式对乌拉尔山以西的东欧平原、我国北方及蒙古地区冬季雪水当量的模拟却比卫星遥感资料显著偏大,此外模式对堪察加半岛及以北的西伯利亚东北部地区的雪水当量也明显偏大。对于青藏高原地区,虽然部分模式可以模拟出青藏高原东部的雪水当量大值区,但大多数模式对青藏高原西部雪水当量的模拟却明显偏大,存在虚假的大值中心。对遥感反演资料的EOF(Empirical Orthogonal Function)分解表明,对于EOF第一个模态所对应欧亚大陆全区一致的年代际变化特征,仅有少数模式具有一定的模拟能力,大多数模式以及多模式集合的结果均未能予以反映;对应于欧亚大陆雪水当量年际变化的EOF第二模态而言,仅有少数模式(如俄罗斯的INMCM4)具有一定的再现能力,绝大多数模式对该模态及其时间演变的特征没有模拟能力。比较CMIP5多模式的集合预估结果与1981~2005年基准时段的雪水当量,可以发现在RCP4.5排放情景下,西伯利亚中东部地区的雪水当量相对于基准时段显著增加,区域平均的增加量在21世纪前、中、后期分别为4.1mm、5.4 mm和6.8 mm,且随时间增加得更显著;对90°E以西的欧洲大陆和青藏高原地区,其雪水当量则相对减少,减少的幅度和显著性也随时间而增大。就雪水当量的相对变化而言,在欧亚大陆东北部存在雪水当量相对变化的大值区,在21世纪后期相对变化显著区大都在5%~10%;但在青藏高原、斯堪的纳维亚半岛进和东欧平原,并没有发现雪水当量相对变化的髙值区,这是由于这些区域冬季雪水当量的幅值较大的缘故。RCP8.5情景下欧亚大陆雪水当量的变化特征与RCP4.5相类似,只是变化的幅度更大。     

CMIP5 simulated change in the intensity of the Hadley and Walker circulations from the perspective of velocity potential

Based on the simulations of 31 global models in CMIP5, the performance of the models in simulating the Hadley and Walker circulations is evaluated. In addition, their change in intensity by the end of the 21 st century(2080–2099) under the RCP4.5 and RCP8.5 scenarios, relative to 1986–2005, is analyzed from the perspective of 200 h Pa velocity potential.Validation shows good performance of the individual CMIP5 models and the multi-model ensemble mean(MME) in reproducing the meridional(zonal) structure and magnitude of Hadley(Walker) circulation. The MME can also capture the observed strengthening tendency of the winter Hadley circulation and weakening tendency of the Walker circulation. Such secular trends can be simulated by 39% and 74% of the models, respectively. The MME projection indicates that the winter Hadley circulation and the Walker circulation will weaken under both scenarios by the end of the 21 st century. The weakening amplitude is larger under RCP8.5 than RCP4.5, due to stronger external forcing. The majority of the CMIP5 models show the same projection as the MME. However, for the summer Hadley circulation, the MME shows little change under RCP4.5 and large intermodel spread is apparent. Around half of the models project an increase, and the other half project a decrease. Under the RCP8.5 scenario, the MME and 65% of the models project a weakening of the summer southern Hadley circulation.     

Recent Strengthening of the Regional Hadley Circulation over the Western Pacific during Boreal Spring

Previous studies suggested that there are large discrepancies in the intensity trend of the zonally averaged Hadley circulation (ZAHC) among different reanalyses. As the land, ocean, and topography are not evenly distributed, the ZAHC may mask the regional variability. Changes in the regional HC have important implications for regional climate change. Here, we detect the long-term trend of the boreal spring regional Hadley circulation intensity over the western Pacific (WPHC) since 1979 in both hemispheres using six reanalysis datasets. Unlike the ZAHC, we find that the trend of the spring WPHC intensity is consistent among various reanalysis datasets. All reanalyses show pronounced strengthening trends for the WPHC in both the Northern and Southern Hemisphere, which may be partly attributable to the robust warming trends of sea surface temperature in the tropical western Pacific. The result could improve our understanding of Hadley circulation variability at the regional scale and has implications for regional climate changes.