CMIP6模式对青藏高原气候的模拟能力评估与预估研究

利用国际耦合模式比较计划第六阶段(CMIP6)模拟试验数据,首先评估了45个全球气候模式对1985-2014年青藏高原地表气温和降水的模拟能力,表明CMIP6模式能合理地模拟地表气温的空间分布,但大部分模式对年和季节平均地表气温的模拟值偏低,年均偏冷2.1℃,冷偏差在冬季和春季相对更大.CMIP6模式对青藏高原降水的模...     

CMIP6模式对青藏高原极端气温指数模拟能力评估及预估

利用第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）28个全球气候模式模拟的历史和多SSP排放情景下的模拟结果以及国家气候中心制作的CN05.1格点化的观测数据,在评估28个全球气候模式对青藏高原极端气温相关指数模拟效果的基础上,预估了多个SSP情景下青藏高原未来极端气温指数的变化趋势。评估结果表明多模式集合平均模拟结果更稳定,且能模拟出极端气温指数的时间分布以及空间分布特征,但与观测相比,不同指数存在不同偏差。预估结果表明,相对于1995-2014年,青藏高原上日最高气温最高值（TXx）、日最低气温最低值（TNn）、暖昼指数（TX90p）未来呈上升趋势,霜冻日数（FD）、冰冻日数（ID）、冷夜指数（TN10p）呈减少趋势,其中高原极端低温比极端高温增温明显,暖昼指数在高原西南部增加明显,霜冻日数、冰冻日数、冷夜指数在高原东南部减少明显。SSP1-1.9情景下,极端气温指数在21世纪的变化幅度较小,随着辐射强迫增大,指数的变化趋势也增大。SSP1-2.6情景下,2030年前中国实现碳达峰时,青藏高原地区TXx、 TNn、 TX90p增长分别不超过1.12℃、0.84℃、 8.4%, FD、 I...     

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。     

青藏高原CMIP6土壤湿度适用性评估

为了解第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）土壤湿度数据在青藏高原的适用性,利用全球陆面数据同化系统（GLDAS）Noah模型输出的土壤湿度产品,对CMIP6 Historical试验的土壤湿度数据进行评估。结果表明：在青藏高原地区,CMIP6集合平均土壤湿度总体高于Noah产品,季节变化幅度明显小于Noah产品;各模式模拟的土壤湿度差异较大,在偏差、线性相关、标准差、场相关4个维度上,表现最好的模式分别为AWI-ESM-1-1-LR、NorESM2-MM、CanESM5、TaiESM1,而EC-Earth3、EC-Earth3-Veg和GFDL-CM4在两个维度上表现突出;综合考虑4个维度,AWI-ESM-1-1-LR等10个模式在高原适用性较好。     

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。     

CMIP6模式对青藏高原东坡暖季降水的模拟评估

青藏高原东坡陡峭地形区是气候模式陆地降水模拟偏差的大值区,且这一偏差长期未得到有效改善.基于17个参加国际耦合模式比较计划第六阶段(CMIP6)的全球气候模式的日降水结果,评估了当前最新一代的气候模式对青藏高原东坡地区2000—2014年暖季(5—9月)降水气候态及其季节内演变的模拟能力.结果表明:高原东坡降水正偏差存...     

CMIP6模式对青藏高原多年冻土变化的分析预估

利用国际耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）多模式的模拟结果,对比观测和青藏高原冻土图评估各模式对当前（1985-2014年）青藏高原与冻土相关气候变量以及多年冻土的模拟能力,并应用多模式集合平均的方法预估了未来4个SSP情景下2021-2040年、2041-2060年、2081-2100年高原多年冻土的变化趋势。结果表明：CMIP6各模式都能够较好地模拟出与冻土相关气候变量的分布特征与趋势,但对于气温的模拟有着较为明显的冷偏差,对于积雪的模拟明显偏大;利用冻结数模型（SFI）计算的当前多年冻土分布与青藏高原冻土图有较好的吻合,1985-2014年的表面多年冻土面积约为134.52×10⁴km²（包含湖泊和冰川面积）;随着气温的升高,21世纪青藏高原多年冻土呈现区域退化的趋势,在SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5情景下,青藏高原东部、南部以及北部边缘地区多年冻土呈现区域性退化,至2041-2060年间多年冻土面积分别减少13.81×10⁴ km²、19.51×1...     

青藏高原21世纪气候的降尺度预估

青藏高原作为世界的“第三极”,影响中国乃至全球的气候变化,准确预测其未来气候变化对指导区域可持续发展具有重要意义。为此,以1979—2015年为基准期,对三个地球系统模式（GFDL-ESM2G,IPSL-CM5R-MR,MIROC5）进行统计降尺度,预估了2021—2100年青藏高原年均气温和降水量的时空变化特征,并分析了冷、暖季平均气温和降水量的变化趋势。结果表明：时间上,气温和降水量均显著增加;空间上存在差异,西部和东南部气温变化趋势率大而中部小,降水量变化趋势率的变化范围随模拟排放强度的增加而加大,同时年平均气温和年降水量都在未来10年变化趋势率最大。预测气温和降水量变化趋势率与排放情景有关,RCP85情景下气温和降水量的增加趋势率最大,RCP45情景次之,RCP26情景最小。随着排放强度的增加,冷暖季气温和降水量变化趋势差异加大。降尺度数据可支撑气候、水文和作物等模式进行情景研究,可为未来气候变化以及水循环研究提供重要的基础信息。     

CMIP6全球气候模式对青藏高原中东部地表感热通量模拟能力评估

利用青藏高原（以下简称高原）气象台站常规观测资料、国家青藏高原科学数据中心的青藏高原地气相互作用过程高分辨率（逐小时）综合观测数据集（2005～2016）、国际耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）的历史模拟试验数据和卫星辐射资料,定量评估了12个全球气候模式对1979～2014年高原中东部地表感热通量的模拟能力,并对其模拟偏差进行了成因分析。结果表明,CMIP6模式可较好地重现高原地表感热通量的年循环和季节平均的空间分布型,但数值较计算感热通量偏低,主要表现为对感热通量大值区严重低估。区域平均而言,12个模式模拟的春季高原中东部感热通量的时间演变序列整体较计算感热通量偏低,其中偏差最大的模式为MIROC6,其多年均值仅为计算值的1/3左右。进一步分析发现多模式模拟的春季高原10 m高度处风速和地气温差分别偏强和偏弱,说明CMIP6模拟的春季高原感热通量偏低可主要归因于地气温差的模拟冷偏差。地气温差的模拟冷偏差在高原中东部地区普遍存在,且地表温度和空气温度均存在明显冷偏差,尤其地表温度偏差更大,这很大程度上可能与CMIP6多模式模拟的春季高原降水偏强有关。     

青藏高原表面温度对温室气体增加的响应及其不确定性:基于CMIP6的研究

近几十年来,青藏高原呈现显著增暖趋势,准确预估青藏高原未来气候变化对农业、生态系统、社会经济和人类生存与发展有着重要的科学意义。本研究基于CMIP6模式中18个模式在CO₂浓度突然4倍(abrupt-4×CO₂)强迫下的实验结果,运用气候反馈响应分析方法(CFRAM),研究温室气体强迫下青藏高原增暖响应、进行归因分析并讨论其模式间差异的来源。结果表明,高原地表增暖在很大程度上是温室气体强迫和正的水汽反馈造成的,并通过反照率反馈、云反馈以及地表热存储过程进一步放大,表面感热和潜热过程抑制了升温的幅度。其中,反照率反馈是造成青藏高原变暖比全球陆面平均增暖更强烈的原因。高原增暖响应的不确定性主要由云反馈贡献,其次是反照率反馈以及水汽反馈,但被感热和潜热过程削减。     

Evaluating the Ozone Valley over the Tibetan Plateau in CMIP6 Models

Total column ozone (TCO) over the Tibetan Plateau (TP) is lower than that over other regions at the same latitude, particularly in summer. This feature is known as the “TP ozone valley”. This study evaluates long-term changes in TCO and the ozone valley over the TP from 1984 to 2100 using Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6). The TP ozone valley consists of two low centers, one is located in the upper troposphere and lower stratosphere (UTLS), and the other is in the middle and upper stratosphere. Overall, the CMIP6 models simulate the low ozone center in the UTLS well and capture the spatial characteristics and seasonal cycle of the TP ozone valley, with spatial correlation coefficients between the modeled TCO and the Multi Sensor Reanalysis version 2 (MSR2) TCO observations greater than 0.8 for all CMIP6 models. Further analysis reveals that models which use fully coupled and online stratospheric chemistry schemes simulate the anticorrelation between the 150 hPa geopotential height and zonal anomaly of TCO over the TP better than models without interactive chemistry schemes. This suggests that coupled chemical-radiative-dynamical processes play a key role in the simulation of the TP ozone valley. Most CMIP6 models underestimate the low center in the middle and upper stratosphere when compared with the Microwave Limb Sounder (MLS) observations. However, the bias in the middle and upper stratospheric ozone simulations has a marginal effect on the simulation of the TP ozone valley. Most CMIP6 models predict the TP ozone valley in summer will deepen in the future.     

青藏高原区域气候变化及其差异性研究

利用1961—2007年青藏高原66个气象台站气温和降水量资料,通过典型气候分区,系统研究了近47年来青藏高原气温、降水量等气候因子时空演变规律,揭示了青藏高原不同区域气候变化的差异性。研究表明:近47年来,青藏高原的气候呈现出显著增暖趋势,年平均气温以0.37℃/10a的速率上升,气候变暖在夜间要较日间明显。冬季较其他季节明显,2月气温由冷向暖的转变最为显著,8月最不显著,且在某些区域有变冷迹象;高原边缘地区气候变暖要明显于高原腹地,青海北部区特别是柴达木盆地是青藏高原气候变化的敏感区。降水量总体表现出增多态势,气候倾向率达9.1mm/10a,但区域性差异较为明显,藏东南川西区是青藏高原降水量增多最显著的地区;12月至次年5月即冬春季整个青藏高原降水量随着气候变暖而增多,7月和9月黄河上游区1987年后干旱化趋势明显。     

Change in Precipitation over the Tibetan Plateau Projected by Weighted CMIP6 Models

Precipitation over the Tibetan Plateau (TP) is important to local and downstream ecosystems. Based on a weighting method considering model skill and independence, changes in the TP precipitation for near-term (2021–40), mid-term (2041–60) and long-term (2081–2100) under shared socio-economic pathways (SSP1-1.9, SSP1-2.6, SSP2-4.5, SSSP3-7.0, SSP5-8.5) are projected with 27 models from the latest Sixth Phase of the Couple Model Intercomparison Project. The annual mean precipitation is projected to increase by 7.4%–21.6% under five SSPs with a stronger change in the northern TP by the end of the 21st century relative to the present climatology. Changes in the TP precipitation at seasonal scales show a similar moistening trend to that of annual mean precipitation, except for the drying trend in winter precipitation along the southern edges of the TP. Weighting generally suggests a slightly stronger increase in TP precipitation with reduced model uncertainty compared to equally-weighted projections. The effect of weighting exhibits spatial and seasonal differences. Seasonally, weighting leads to a prevailing enhancement of increase in spring precipitation over the TP. Spatially, the influence of weighting is more remarkable over the northwestern TP regarding the annual, summer and autumn precipitation. Differences between weighted and original MMEs can give us more confidence in a stronger increase in precipitation over the TP, especially for the season of spring and the region of the northwestern TP, which requires additional attention in decision making.     

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...     

青藏高原气温变化趋势与同纬度带其他地区的差异以及臭氧的可能作用

利用台站探空观测资料和卫星观测资料,分析了1979—2002年青藏高原上空温度的变化趋势。结果表明：高原地区上空平流层低层和对流层上层的温度与对流层中低层具有反相变化趋势。平流层低层和对流层上层降温,温度出现降低趋势,降温幅度无论是年平均还是季节平均都比全球平均降温幅度更大。高原上空对流层中低层增温,温度显示出增加的趋势,并且比同纬度中国东部非高原地区有更强的增温趋势。对1979—2002年卫星臭氧资料的分析表明,青藏高原上空臭氧总量在每个季节都呈现出明显的下降趋势,并且比同纬度带其他地区下降得更快。由于青藏高原上空臭氧有更大幅度的减少,造成高原平流层对太阳紫外辐射吸收比其他地区更少,使进入对流层的辐射更多,从而导致高原上空平流层低层和对流层上层降温比其他地区更强,而对流层中低层增温更大。因此,高原上空比其他地区更大幅度的臭氧总量减少可能是造成青藏高原上空与同纬度其他地区温度变化趋势差异的一个重要原因。     

青藏高原气温和降水近期、中期与长期变化的预估及其不确定性来源

采用第五次耦合模式比较计划（Coupled Model Intercomparison Project Phase 5,CMIP5）高分辨率全球统计降尺度预估数据集,针对近期（2020—2039年）、中期（2040—2059年）和长期（2080—2099年）,以及全球1.5℃和2℃温升阈值,预估了青藏高原地区平均气温和降水、极端气温和极端降水的变化,定量估算了预估结果的不确定性来源。结果表明：（1）在RCP4.5和RCP8.5情景下,21世纪青藏高原地区平均气温和降水、极端气温和极端降水强度均显著增加,最长连续干旱天气减少。高原气候变化幅度超全球平均,至21世纪末,模式集合预估的气候变化幅度介于全球平均的1.5~3倍。（2）青藏高原地区受0.5℃额外增温的显著影响,年均气温、极端高温和极端低温均显著升高,平均及极端强降水均显著增加。（3）排放情景的选择对近期气候预估影响小,但对长期影响大。在相同排放情景下,内部变率主导了近期高原平均气温预估的不确定性,但至长期其贡献降至10%以下。模式和内部变率的不确定性对降水预估均有贡献,且都随时间减小,最大不确定性中心位于西部和北部边缘,噪声与信号比大于6。     

青藏高原不同季节地表温度变化特征分析

基于欧洲中尺度气象预报中心(ECMWF)提供的ERA-Interim地表温度,利用经验正交函数(EOF)等方法,分析了青藏高原四季地表温度的时空变化特征.结果发现:青藏高原春、夏、冬季地表温度变化以整体型为主,并且大部地区地表温度呈现升高的趋势;秋季地表温度略有下降趋势,并且以东部和西部地表温度的反向型异常变化最为显著.此外还发现,青藏高原不同季节地表温度的异常变化具有一定的联系,其中整体型变化可以持续3个季节.