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。     

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模式对青藏高原中东部夏季降水双极型模拟能力的评估

青藏高原中东部夏季降水主要表现为东北和东南反位相变化的双极型特征。采用经验正交函数(empirical orthogonal function,EOF)分解方法,系统性地评估参与第五次耦合模式比较计划 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 5,CMIP5)历史模拟试验的 47 个模式对青藏高原中东部夏季降水双极型变化特征的模拟能力。结果表明,大多数模式基本可以反映青藏高原中东部夏季降水东北部和东南部反位相的变化特征。模式间 EOF 分析结果表明在35°N 以南的东西向模拟偏差是 CMIP5 模式模拟降水空间型态的主要偏差,且大多数模式对时间系数的模拟效果差于空间型态。文中定义了一个综合评估指标 Snew 来定量描述模式对空间型态、时间系数以及方差贡献的综合模拟效果。由定量评估结果来看,MIROC-ESM、HadGEM2-CC 和 ACCESS1-0 (FIO-ESM、 HadGEM2-AO 和 MIROC-ESM-CHEM)模式对观测降水的 EOF1(EOF2)模态的综合模拟能力相对较好,而 GISS 系列模式、CESM1-CAM5 和 MPI-ESM-LR (CMCC-CESM、MPI-ESM-MR 和 GFDL- CM3)模式对观测降水的 EOF1(EOF2)模态的综合模拟效果较差。由 EOF1 和 EOF2 的综合评估结果来看,MIROC-ESM-CHEM模式对观测降水的 EOF1 和 EOF2 模态的综合模拟效果最好。     

高分辨率统计降尺度数据集NEX-GDDP对中国极端温度指数模拟能力的评估

利用1986—2005年中国地面气象台站观测的格点化逐日气温资料（CN05.1）评估了高分辨率统计降尺度数据集NASA Earth Exchange/Global Daily Downscaled Projections（NEX-GDDP）中21个全球气候模式对中国极端温度指数的模拟能力。在选用了日最低温度最大值（TNx）、日最高温度最大值（TXx）、暖夜指数（TN90p）和暖昼指数（TX90p）来研究极端温度事件的变化。结果显示:（1）除MRI-CGCM3模拟的日最高温度最大值外,其余模式对4个指数的模拟结果均表现出与观测一致的上升趋势,但模拟结果的平均值相对观测平均低0.26℃/（10 a）（日最低温度最大值）、0.19℃/（10 a）（日最高温度最大值）、2.21%/（10 a）（暖夜指数）、1.04%/（10 a）（暖昼指数）。（2）不同模式对各指数变化趋势空间分布特征的模拟存在较大差别,对日最低温度最大值、日最高温度最大值、暖夜指数和暖昼指数模拟能力最优模式分别为CCSM4、CESM1-BGC、MIROC-ESM-CHEM和bcc-csm1-1。模式模拟的日最低温度最大值和日最高温度最大值气候态平均值与观测值的相关系数在0.97以上。暖夜指数和暖昼指数模拟结果与观测值的标准差比值为0.34—1.58,均方根误差变化为1.6%—3.47%,对这两个指数模拟能力较优的模式分别为MIROC-ESM-CHEM（暖夜指数）和CESM1-BGC（暖昼指数）。（3）综合模式对4个指数在气候态平均值和变化趋势模拟能力的评估结果来看,CanESM2、CESM1-BGC和MIROC-ESM-CHEM显示了相对较高的模拟能力。因此,在利用GDDP-NEX研究未来极端温度事件时,建议将它们作为优选模式。      

CMIP5部分模式气温和降水模拟结果在北半球及青藏高原的检验

利用北半球和青藏高原的观测资料,通过趋势分析、量值比较及小波分析等方法对已提交历史模拟结果的8个模式进行了比较.结果表明,各模式对北半球气温年变化模拟的较好,一般7、8月气温最高,1月气温最低,不存在相位差问题.各模式模拟的历史气温年际和年代际变化趋势比较一致,气温最大相差2.8℃以上;模拟的1850-2005年气温平均最高和最低值相差可达1.8℃左右;除1个模式外,其余模式都能较准确地模拟出至少有一次气温突变.对北半球降水的模拟,各模式都模拟出了降水的季节变化,但从年际变化趋势来看,4个模式模拟的降水为增大趋势,4个为减小趋势.对青藏高原的模拟,从变化趋势与观测气温的对比来看,8个模式中,除2个模式通过了0.05显著性水平检验外,其余均通过了0.01显著性水平检验;各模式都模拟出了青藏高原的降水中心,但对降水量值的模拟相差较大.     

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全球气候模式对中国极端降水模拟能力的评估及其与CMIP5的比较

对CMIP6全球气候模式在中国地区极端降水的模拟能力进行了综合评估.基于CN05.1观测数据集和32个CMIP6全球气候模式的降水数据,采用8个常用极端降水指数对极端降水进行了定量描述.研究结果表明,在极端降水的气候平均态方面,CMIP6多模式集合对1961—2005年中国地区区域平均的8个极端降水指数模拟的平均相对误...     

CMIP5模式对AMO与PDO模拟评估及未来预估

利用1880-2009年海表温度(Sea Surface Temperature,SST)观测资料以及耦合模式比较计划第五阶段(Coupled Model Intercomparison Project phase 5,CMIP5)中4种情景(piControl、historical、RCP2.6、RCP4.5)下的模...     

CMIP5模式对北极涛动的模拟评估

基于国际耦合模式比较计划第五阶段(CMIP5)历史试验(historical)的输出结果,评估了26个耦合模式对北极涛动(AO)的模拟能力。对各模式逐月AO指数序列的功率谱分析表明,有23个模式能够模拟出AO模态无显著变化周期的特征。这些模式也能够较好地再现冬季AO在海平面气压场上的主要分布特征,但均高估了AO模态的强度。对于伴随着冬季AO位相变化而出现的中高纬度偶极型的纬向平均纬向风异常,CMIP5中只有一些模式有较好的模拟表现,大多数模式对其中心位置和强度的模拟存在明显不足。对比之下,MPI-ESM-P对AO时空特征的模拟更接近观测结果。     

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。     

Understanding the Surface Temperature Cold Bias in CMIP5 AGCMs over the Tibetan Plateau

The temperature biases of 28 CMIP5 AGCMs are evaluated over the Tibetan Plateau(TP) for the period 1979–2005. The results demonstrate that the majority of CMIP5 models underestimate annual and seasonal mean surface 2-m air temperatures(T_(as)) over the TP. In addition, the ensemble of the 28 AGCMs and half of the individual models underestimate annual mean skin temperatures(T_s) over the TP. The cold biases are larger in T_(as) than in T_s, and are larger over the western TP. By decomposing the T_s bias using the surface energy budget equation, we investigate the contributions to the cold surface temperature bias on the TP from various factors, including the surface albedo-induced bias, surface cloud radiative forcing, clear-sky shortwave radiation, clear-sky downward longwave radiation, surface sensible heat flux, latent heat flux,and heat storage. The results show a suite of physically interlinked processes contributing to the cold surface temperature bias.Strong negative surface albedo-induced bias associated with excessive snow cover and the surface heat fluxes are highly anticorrelated, and the cancelling out of these two terms leads to a relatively weak contribution to the cold bias. Smaller surface turbulent fluxes lead to colder lower-tropospheric temperature and lower water vapor content, which in turn cause negative clear-sky downward longwave radiation and cold bias. The results suggest that improvements in the parameterization of the area of snow cover, as well as the boundary layer, and hence surface turbulent fluxes, may help to reduce the cold bias over the TP in the models.     

RegCM3模式对青藏高原地区气候的模拟

使用RegCM3区域气候模式，利用ECMWF的ERA40再分析资料，对东亚地区进行了长达15年（1987-2001年）时间的数值积分试验，重点分析了模式对青藏高原及青藏铁路沿线地区气温和降水的模拟。结果表明，RegCM3模式具有模拟青藏高原及周边地区当代降水和气温主要分布特征的能力，尤其在观测站点稀少地区可提供局地降水和气温分布的较可靠信息。模式较好地模拟了青藏铁路沿线地区的降水，特别是气温的年变化趋势，同时也较好地模拟了这一地区气温的年际变化，但对该区降水年际变化的模拟能力则有待进一步提高。     

Response of Atmospheric Energy to Historical Climate Change in CMIP5

Three forms of atmospheric energy, i.e., internal, potential, and latent, are analyzed based on the historical simulations of 32 Coupled Model Intercomparison Project Phase 5(CMIP5) models and two reanalysis datasets(NCEP/NCAR and ERA-40). The spatial pattern of climatological mean atmospheric energy is well reproduced by all CMIP5 models. The variation of globally averaged atmospheric energy is similar to that of surface air temperature(SAT) for most models. The atmospheric energy from both simulation and reanalysis decreases following the volcanic eruption in low-latitude zones. Generally, the climatological mean of simulated atmospheric energy from most models is close to that obtained from NCEP/NCAR, while the simulated atmospheric energy trend is close to that obtained from ERA-40. Under a certain variation of SAT, the simulated global latent energy has the largest increase ratio, and the increase ratio of potential energy is the smallest.     

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。     

Change in Extreme Climate Events over China Based on CMIP5

The changes in a selection of extreme climate indices(maximum of daily maximum temperature(TXx),minimum of daily minimum temperature(TNn),annual total precipitation when the daily precipitation exceeds the 95th percentile of wet-day precipitation(very wet days,R95p),and the maximum number of consecutive days with less than 1 mm of precipitation(consecutive dry days,CDD))were projected using multi-model results from phase 5 of the Coupled Model Intercomparison Project in the early,middle,and latter parts of the 21st century under different Representative Concentration Pathway(RCP)emissions scenarios.The results suggest that TXx and TNn will increase in the future and,moreover,the increases of TNn under all RCPs are larger than those of TXx.R95p is projected to increase and CDD to decrease significantly.The changes in TXx,TNn,R95p,and CDD in eight sub-regions of China are different in the three periods of the 21st century,and the ranges of change for the four indices under the higher emissions scenario are projected to be larger than those under the lower emissions scenario.The multi-model simulations show remarkable consistency in their projection of the extreme temperature indices,but poor consistency with respect to the extreme precipitation indices.More substantial inconsistency is found in those regions where high and low temperatures are likely to happen for TXx and TNn,respectively.For extreme precipitation events(R95p),greater uncertainty appears in most of the southern regions,while for drought events(CDD)it appears in the basins of Xinjiang.The uncertainty in the future changes of the extreme climate indices increases with the increasing severity of the emissions scenario.