中国地球系统模式对全球地表入射短波辐射和大气逆辐射的模拟效果评估

以云和地球辐射能量系统(CERES)数据集为准,量化了中国地球系统模式对地表入射短波辐射和大气逆辐射时空变化的模拟性能,明确了多模式间模拟结果存在不确定性的区域。结果表明：中国模式均能模拟出北半球地表入射短波辐射和大气逆辐射“夏高冬低”的季节变化特征。陆地上,中国模式对两个辐射分量月均值的模拟结果与CERES相当,在海洋上低于CERES结果。中国模式能模拟出地表入射短波辐射下降、大气逆辐射上升的年际变化趋势。对于2001—2014年均值,中国模式模拟的地表入射短波辐射在海洋和陆地上较CERES分别偏低3.3和3.0 W·m^-2,模拟的大气逆辐射在海洋上与CERES结果相当,在陆地上较CERES低1.3 W·m^-2。除南北纬30°附近之外,中国模式在其他纬度均低估地表入射短波辐射,以热带和北极最为明显。模式对大气逆辐射的模拟偏差呈纬向波动特征,模拟误差大值出现在高大山脉处。中国模式模拟地表入射短波辐射不确定性极大的区域分布在热带雨林和南极洲沿海,模拟大气逆辐射不确定性极大的区域分布在格林兰岛、青藏高原、安第斯山脉和南极洲沿海。     

NUIST-ESM模式及其参与CMIP6的方案

近几年来,南京信息工程大学（NUIST）地球系统模拟中心致力于地球系统模式研发。最新发展的第三版本南京信息工程大学地球系统模式（NUIST-ESM v3）在原有的基础上改进了边界层方案与对流参数化方案,调整了模式中云物理过程,改进了耦合物理过程和海冰反照率等过程。此版本作为参加第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）的模式之一,注册了气候诊断、评估和描述试验（DECK）和历史气候模拟试验（Historical）以及ScenarioMIP、DAMIP、GMMIP、DCPP、PMIP、VolMIP和GeoMIP等7个比较子计划试验。目前DECK和Historical试验都已经完成,正将数据提交到ESGF数据发布平台。CMIP6模式比较子计划也将陆续完成并将发布数据,以供国内外学者下载使用。     

CMIP6二氧化碳移除模式比较计划（CDRMIP）概况与评述

地球工程是指通过人工方法在大规模尺度上干预气候系统,使地球气候降温的一种手段。CO₂移除是地球工程的主要途径之一。文中概述了CO₂移除地球工程的科学背景、各种CO₂移除方法的利弊、大尺度应用CO₂移除方法可能产生的气候效应和风险,以及CO₂移除方案在未来气候情景研究中的现状。在第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）框架下开展的CO₂移除模式比较计划（CDRMIP),为深入研究CO₂移除地球工程减缓气候变化的效能和气候系统对其的响应提供了统一试验方案和平台。CDRMIP的开展,对地球工程和气候变化研究具有重要的促进作用。     

CMIP3及CMIP5模式对冬季和春季北极涛动变率模拟的比较

结合NCEP再分析资料,评估了28个参加第五次耦合模式比较计划（CMIP5）的耦合模式对1950-2000年冬、春季北极涛动（AO）变率的模拟能力,并与CMIP3模式模拟结果进行了对比。结果表明,尽管CMIP5模式没能模拟出冬、春季AO指数前30年处于显著的负位相期而后20年处于显著的正位相期的特征,但是基本能够模拟出冬、春季AO指数1950-2000年显著的增强趋势以及振荡周期,多模式集合改进了模拟效果。同样,CMIP3模式没能模拟出冬、春季AO指数前30年处于显著的负位相而后20年处于显著的正位相的特征,而且1950-2000年冬、春季AO指数的增强趋势在CMIP3模式模拟结果中也没有表现出来,多模式集合没有改进模式模拟效果。不仅如此,CMIP3模式对AO指数的长期变化周期模拟不好,只是模拟出了冬季周期为2～3 a的振荡,没有模拟出春季AO指数的4～5 a振荡周期。尽管CMIP5模式对冬、春季AO指数的模拟能力还不够理想,没有完全模拟出AO指数的变化特征,但是相对于CMIP3模式,无论是对AO指数变化趋势的模拟还是对其变化周期的模拟,CMIP5模式都有所提高。     

RegCM4对中国东部区域气候模拟的辐射收支分析

利用卫星和再分析数据,评估了区域气候模式Reg CM4对中国东部地区辐射收支的基本模拟能力,重点关注地表净短波(SNS)、地表净长波(SNL)、大气顶净短波(TNS)、大气顶净长波(TNL)4个辐射分量。结果表明:1)短波辐射的误差值在夏季较大,而长波辐射的误差值在冬季较大。但各辐射分量模拟误差的空间分布在冬、夏季都有较好的一致性。2)对于地表辐射通量,SNS表现为正偏差(向下净短波偏多),在各分量中误差最大,区域平均误差值近50 W/m2;SNL表现为负偏差(向上净长波偏多);对于大气顶辐射通量,TNS和TNL分别表现为"北负南正"的误差分布和整体正偏差。3)利用空间相关和散点线性回归方法对4个辐射分量的模拟误差进行归因分析,发现在云量、地表反照率、地表温度三个直接影响因子中,云量模拟误差的贡献最大,中国东部地区云量模拟显著偏少。     

中国地球气候系统模式研究进展：CMIP计划实施近20年回顾

在系统总结过去20年从CMIP1到CMIP4世界各国模式的综合情况基础上,回顾了中国气候模式参与CMIP科学试验的概况。在此基础上,慨述了CMIP5的试验设计,总结了参加CMIP5的5个中国气候模式的特点。随后,从高分辨率模式研发、地球系统模式研发、地球气候系统模式最为关键的分量——大气环流模式和海洋环流模式研发的角度,提出了中国地球气候系统模式发展面临的挑战,指出了中国模式发展面临的机遇。针对如何从国家层次协调以实现地球气候模式的可持续发展问题,给出了美国国家科学院最近发布的《推动气候模拟的国家战略》所提出的九条措施作为参考。     

CMIP5模式对青藏高原地表温度的模拟与预估

利用1980~2005年英国东英吉利亚大学的 CRU全球陆面月平均地面数据集资料,对历史数据进行集合平均,结合泰勒诊断,开展青藏高原地区地表温度及其变化趋势的统计分析与模式模拟,并通过CRU观测资料和模式的历史资料集合平均得到年平均地表温度变化趋势,从而对高原未来的地表温度进行预估。结果表明：CMIP5中大多数模式对高原地区的年平均地表温度的模拟效果较好,但会受到季节差异的影响;多模式集合平均的模拟能力总体比单个模式模拟的性能更优,与观测场的数据更加接近;青藏高原未来的增温趋势与外辐射强迫的强度呈正相关,高原地区对高浓度排放情景下的增温效应比中低浓度更加剧烈,并且升温值在21世纪末极有可能突破6.5℃。     

WRF模式模拟的地表短波辐射与实况对比分析

利用中尺度数值模式WRFV3对2009年1、4、8和10月进行了约4个月的逐日（0～36小时）到达地表短波辐射模拟,将输出结果转换成逐小时太阳总辐射,并以武汉站为例,与地表实测逐小时总辐射值进行对比分析。结果表明：（1）模拟结果与观测结果有较好的对应关系,4个月的日间模拟和观测值的相关系数均在0.8以上,均通过了置信度0.01的显著性检验。（2）日间各时刻模拟值与实况相比,平均预报误差早晚小,中午大;平均绝对误差变化趋势与平均预报误差相同,平均绝对百分比误差则一般早晚大,09—15时较小且变化幅度小,可信度高于其他时刻。（3）WRFV3模式对太阳总辐射,在各种气象条件下均有一定预报能力,尤其以晴天表现最佳。距直接使用模式输出的地表短波辐射结果作为光伏发电系统初值用于发电量预报还有一些误差,可以尝试采用误差订正等方法修订,提高数值预报结果的可用性。     

北半球温带气旋的模拟和预估研究Ⅰ:6个CMIP5耦合模式模拟能力的检验

利用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）1958—2001年的 ERAˉ40再分析数据和 CMIP5（Coupled Model Intercomparˉ ison Project Phase 5）的6个耦合模式的模拟结果对北半球温带气旋活动频率、气旋数目、中心最低气压、生命期、移动距离及加深速率的模拟能力进行了检验。结果表明：（1）6个模式基本都能反映气旋生命期、加深速率和移动距离的频率分布,并且模拟出了气旋中心气压降低的线性变化趋势,但模拟结果和 ERAˉ40存在一定的系统偏差,主要是模拟的生命期偏长,加深速率偏小。（2）6个模式都模拟出北半球的2个主要温带气旋活动区,但相对 ERAˉ40再分析数据,5个模式在东欧—中亚、中西伯利亚—西西伯利亚和东亚大陆的气旋活动频率偏高,所有模式在欧洲北部至中西伯利亚地区的气旋活动频率偏低。（3）模式模拟的温带气旋年总过程数和强气旋过程数均小于 ERAˉ40的结果,模拟的气旋过程数的年代际振荡周期略偏长,模拟的中心气压的年代际振荡偏弱。总体上 CMIP5的耦合模式能再现44 a 北半球温带气旋活动的主要特征,但仍存在一些区域性及系统性的偏差。     

GLDAS和CMIP5产品的中国土壤湿度-降水耦合分析及变化趋势

利用GLDAS同化产品和12个CMIP5模式的输出结果,从土壤湿度对降水影响的两个中间环节出发,通过分析陆面耦合指数ILH、潜热通量—抬升凝结高度耦合指数ILCL以及抬升凝结高度ZLCL间接研究中国区域土壤湿度与降水间耦合特征,并对1958~2013年及RCP4.5辐射强迫情景下50年(2006~2055年)的4个代表性区域夏季耦合强度的年代际变化特征进行分析。研究发现:1958~2013年期间,内蒙古阴山山脉附近、新疆和青海的部分地区为夏季中国土壤湿度与降水耦合的最强区域;陆面耦合指数ILH变化幅度从高到低依次出现在华北、华南、内蒙古中部和西北地区,并在20世纪70年代中到80年代中发生转折。2006~2055年的平均而言,预估内蒙古阴山山脉附近仍为耦合最强区;与历史时期(1958~2005年)比较,新疆中部和内蒙古阴山山脉附近的耦合指数ILH增大,而广西和广东地区的则减小;对于耦合指数ILH的年代际变化(2006~2055年),2026~2035年间华北最大而华南最小,西北地区变化不大,而内蒙古中部地区的耦合强度逐渐增大。     

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。     

Evaluation of CMIP5 Earth System Models in Reproducing Leaf Area Index and Vegetation Cover over the Tibetan Plateau

The abilities of 12 earth system models (ESMs) from the Coupled Model Intercomparison Project Phase5 (CMIP5) to reproduce satellite-derived vegetation biological variables over the Tibetan Plateau (TP) were examined. The results show that most of the models tend to overestimate the observed leaf area index (LAI) and vegetation carbon above the ground, with the possible reasons being overestimation of photosynthesis and precipitation. The model simulations show a consistent increasing trend with observed LAI over most of the TP during the reference period of 1986-2005, while they fail to reproduce the downward trend around the headstream of the Yellow River shown in the observation due to their coarse resolutions. Three of the models: CCSM4, CESM1-BGC, and NorESM1-ME, which share the same vegetation model, show some common strengths and weaknesses in their simulations according to our analysis. The model ensemble indicates a reasonable spatial distribution but overestimated land coverage, with a significant decreasing trend (-1.48% per decade) for tree coverage and a slight increasing trend (0.58% per decade) for bare ground during the period 1950-2005. No significant sign of variation is found for grass. To quantify the relative performance of the models in representing the observed mean state, seasonal cycle, and interannual variability, a model ranking method was performed with respect to simulated LAI. INMCM4, bcc-csm-1.1m, MPI-ESM-LR, IPSL CM5A-LR, HadGEM2-ES, and CCSM4 were ranked as the best six models in reproducing vegetation dynamics among the 12 models.     

2006～2013年CMIP5模式中国降水预估误差分析

用第五次耦合模式比较计划（CMIP5）的10个模式模拟结果与英国东安格利亚大学（UEA）气候研究机构（CRU）的最新降水格点分析资料比较,评估了三种典型浓度路径（RCPs）排放情景下模式集合对2006～2013年中国降水预估误差,结果发现模式间年降水预估在西北和东部沿海地区差异较明显,在沿海地区模式降水估计偏少,在西部和北方大部分地区偏多;冬半年大部分地区模式降水明显偏多,部分地区甚至偏多一倍以上;夏半年东部季风区降水估计偏少,但西部仍然偏多。模式降水误差随时间变化,夏半年误差变化明显的区域主要集中在北方和东部地区,冬半年在东北南部、华东及华南等地。此外,提高排放情景对年降水量估计影响明显的地区主要集中在我国西部的部分地区,加剧了西北模式降水估计偏多程度,但对东部地区影响不大。El Ni?o与La Ni?a年的模式降水误差分布相似,仅在沿海部分地区和华北北部差异较明显,逐年误差分布特征也与此相似。各种误差的对比分析表明,模式降水误差可能多来自模式本身存在的问题,如积云对流参数化、固体降水物理过程、地形处理及分辨率等。这些误差特征说明,直接使用CMIP5模式集合情景输出资料估计未来降水的方法存在较大的不确定性,必须对其进行评估,以降低潜在用户或决策者们制定未来规划的风险。     

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...     

CMIP5模式对春季北极涛动影响后期冬季ENSO不对称性的模拟能力分析

根据观测资料的研究指出春季北极涛动(Arctic Oscillation, AO)对随后冬季厄尔尼诺-南方涛动(El Nino–Southern Oscillation, ENSO)的影响具有明显不对称性。春季AO处于正位相时,它对随后冬季厄尔尼诺(El Nino)事件的影响显著,然而春季AO负位相对随后冬季拉尼娜(La Nina)的影响不明显。本研究分析了30个来自CMIP5的耦合模式对春季AO与随后冬季ENSO不对称性关系的模拟能力。30个CMIP5耦合模式中,只有CNRM-CM5和GISS-E2-H-CC模式能较好地抓住春季AO与冬季ENSO的联系。进一步分析这两个模式中春季AO与冬季ENSO的不对称性关系,发现CNRM-CM5模式能较好地再现春季AO与冬季ENSO的非对称关系,即春季AO正(负)位相会导致赤道中东太平洋出现El Nino(La Nina)型海表温度增暖(冷却)。然而,GISS-E2-H-CC模式的模拟结果显示,春季AO对随后冬季ENSO的影响是对称的。本文随后解释了CNRM-CM5(GISS-E2-H-CC)模式能(不能)模拟出春季AO与冬季ENSO不对称关系的原因。对于CNRMCM5模式,在春季AO正位相年,副热带西北太平洋上空存在明显的异常气旋和正降水异常,正降水异常通过Gill型大气响应对赤道西太平洋异常西风的形成和维持起着重要作用,异常西风通过激发向东传播的暖赤道Kelvin波对随后冬季El Nino事件的发生产生显著的影响;然而,在春季AO负位相年,副热带北太平洋的异常反气旋和负降水异常较弱,导致赤道西太平洋的异常东风不明显,因此,春季AO负异常对随后冬季La Nina的影响不显著。所以,CNRM-CM5模式能够较好地抓住春季AO对随后冬季ENSO事件的非对称性影响。相比之下,对于GISS-E2-H-CC模式,春季AO正(负)位相年副热带西北太平洋上存在显著的正(负)降水异常,通过Gill型大气响应在赤道西太平洋激发出明显的异常西(东)风从而影响随后冬季的El Nino(La Nina)事件。因此,在GISS-E2-H-CC模式中,春季AO对随后冬季ENSO具有对称性影响。另外,模式捕捉春季AO对随后冬季ENSO非对称性影响的能力与模式对春季AO空间结构的模拟能力有一定的联系。     

BCC模式及其开展的CMIP6试验介绍

世界气候研究计划（WCRP）正在组织实施第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6),国家气候中心作为参与单位之一,通过近几年的模式研发,推出3个最新模式版本参与该计划,包括含有气溶胶化学模块的地球系统模式BCC-ESM1.0、中等分辨率气候模式BCC-CSM2-MR和高分辨率气候模式BCC-CSM2-HR。除了CMIP6中的气候诊断、评估和描述试验（DECK）和历史气候模拟试验（Historical),这3个模式共将参与CMIP6中的10个模式比较子计划。文中主要介绍这3个模式的基本情况以及所开展的CMIP试验,并对BCC-CSM2-MR模式的Historical试验结果进行简要评估,为试验数据使用者提供参考。     

FIO-ESM v2.0模式及其参与CMIP6的方案

目前,世界气候研究计划（WCRP）组织的国际耦合模式比较计划（CMIP）已经进入到第六阶段（CMIP6),CMIP6试验的开展也已成为国内外地球系统模式工作组的首要工作之一。自然资源部第一海洋研究所地球系统模式FIO-ESM是以耦合自主开发的海浪模式为特色的地球系统模式。在参与CMIP5的FIO-ESM v1.0的基础上,通过升级分量模式、改进海气通量相关物理过程和提高分辨率等,FIO-ESM v2.0现已完成研发,正在开展CMIP6科学计划的相关试验。文中围绕FIO-ESM v2.0的特色和计划参与CMIP6的情况,介绍了FIO-ESM v2.0的模式框架、包含的特色物理过程以及拟参加的CMIP6科学计划情况,以方便气候研究领域的科学家了解和使用。     

21世纪前期中国降水预估及其订正

用全球格点分析数据集（CRU TSv4.0）月降水资料和24个CMIP5（Coupled Model Intercomparison Project Phase 5）模式历史模拟数据以及RCP4.5情景下的预估数据,分析了多模式集合平均降水的偏差特征并进行了扣除模式气候漂移和一元对数差分回归订正。结果表明,模式降水在西部和北部明显偏多,东南沿海偏少;冷季（11月至次年4月）在全国大部分地区模式降水偏多,暖季（5～10月）东南沿海季风区偏少。1956～2005年多模式集合平均历史模拟降水偏差中84%属于气候漂移,其余是偏差的非定常模态。扣除气候漂移后,RCP4.5情景下2006～2015年中国模式降水预估偏差减小90%以上,大部分地区降水偏差百分率分布在±5%以内,仅在青藏高原西部和西北中部等地区模式降水偏多10%～40%;暖季降水偏差分布与年降水量类似;冷季偏差较大,北方降水偏多,南方偏少。检验表明,一元线性对数差分回归方程订正后,模式降水对于2006～2015年期间西南和江南中部的干旱少雨气候均能再现,且距平同号率高于多模式集合平均和扣除气候漂移的结果。用该方法对RCP4.5情景下2016～2035年模式预估降水进行订正,结果显示,南方（淮河以南）降水减少5%～20%,河套、内蒙古和华北北部减少20%～40%,东北南部、淮河流域、西北大部增加10%～40%及以上,东南沿海和台湾省降水增加10%～20%。以上降水预估结果说明,在RCP4.5情景下,21世纪前期持续十年的西南干旱会略有缓解,但南方降水偏少格局变化不大,淮河流域和三江源区及其以西等地降水可能明显增加。中国降水异常分布总体呈现南北少、中间多的格局,但北方和西部高山地带的降水预估存在较大的不确定性。