BCC-AGCM-Chem0模式对20世纪全球O_3气候平均态及季节变化特征的模拟研究

利用由国家气候中心最近研发的全球大气环流化学模式BCC-AGCM-ChemO对1871-1999年全球大气O_3浓度进行了模拟,并利用全球臭氧和紫外线辐射数据中心(WOUDC)提供的O_3台站观测资料以及第5次耦合模式国际比较计划(CMIP5)整理的一套全球O_3分析资料对BCC-AGCM-ChemO模拟的O_3的气候平均态及季节变化特征进行了评估。结果表明:(1)BCC-AGCM-ChemO模式模拟出了全球年平均的O_3空间分布特征,表现为北半球O_3浓度高于南半球,O_3的经向分布大致呈由低纬向高纬递增;模式可以再现台站观测的O_3浓度垂直分布结构;相对于CMIP5分析数据,BCC-AGCM-ChemO模拟的O_3气柱总量在40°S以南的南大洋区域,模拟值偏低3~6 DU,在40°S-50°N中低纬地区略偏高3~6DU,陆地地区差异明显大于海洋地区,这些模拟偏差与地面排放和模式中O_3水平和垂直平流输送的影响有关。(2)BCC-AGCM-ChemO模式对全球O_3浓度的季节变化特征也有较好的模拟能力,模拟的O_3柱浓度与CMIP5资料的结果在1、4、7和10月的全球格点空间相关系数分别达到0.89,0.97,0.86和0.91;模式再现了南、北半球O_3浓度春季偏大、秋季偏小的特点;(3)从模式模拟和台站观测的对比分析来看,500 hPa以上的对流层中高层与以下的对流层中低层的O_3季节变化峰值存在明显的不一致性,表明500 hPa以下的中低层区域O_3变化可能受地面排放和干、湿等过程的影响较大,而对流层中高层的O_3变化可能与化学过程和平流层向下的输送影响较大有关。     

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全球气候模式对中国黄河流域气候模拟能力的评估

利用格点化观测资料,对第5次耦合模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project phase 5,CMIP5)提供的18个全球气候模式在黄河流域的模拟能力进行评估和客观选择。结果表明:基于1961—2005年黄河流域逐日的气温和降水观测资料,对黄河流域气候进行了模拟评估,通过对气候平均态、年际变率、季节循环、年际变化主要模态及概率密度函数等方面的模拟能力进行统计评价,分析得到所有模式模拟能力的综合评分排序,剔除较差的模式样本。最终选择的5个全球气候模式分别为MIROC-ESM-CHEM、CSIRO-Mk3-6-0、NorESM1-M、CNRM-CM5和EC-EARTH,5个全球气候模式综合评分较优,且基本可以覆盖18个CMIP5模式对黄河流域未来平均气温预估的不确定性分布,形成了可用于黄河流域气候变化研究的多模式集合系统。     

CMIP5多模式集合对江苏省气候变化模拟评估及情景预估

利用中国气象局所属的2 400余个台站观测资料制作的分辨率为0.25°×0.25°数据集中的气温、降水量资料评估了CMIP5中17个模式对于1961—2004年江苏省气温和降水量空间分布特征的模拟能力,筛选出了5个对江苏省气候特征模拟较好的模式。之后基于5个优选模式集合平均的结果预估了3种典型浓度路径(Representative Concentration Pathways,RCPs)下江苏省2006—2100年的气温和降水量变化趋势。结果表明:(1)全球耦合气候模式对江苏省的气温和降水量空间分布特征具有一定的模拟能力,并且模式集合平均的气温和降水量与观测资料的空间相关系数分别为0.85和0.93;(2)在低浓度路径(RCP2.6)、中浓度路径(RCP4.5)和高浓度路径(RCP8.5)3种温室气体排放情景下,江苏省2006—2100年的地表温度均呈现明显的增温趋势,并且苏北的增温幅度要高于苏南;(3)3种温室气体排放情景下,江苏省未来百年降水量均呈现出北方增多南方减少的趋势;(4)未来百年江苏省降水量随气温变化的趋势并不稳定,RCP2.6和RCP4.5情景下降水量随气温的升高而增加,而RCP8.5情景下降水量随气温的增加而减少。     

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。     

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。     

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全球气候模式对1981—2005年东北地表温度的模拟分析

利用中国东北1981—2005年173个气象台站观测的月平均地表(0 cm)温度资料和参加IPCC第五次评估报告的43个全球气候模式模拟结果,对比分析了CMIP5耦合气候模式对中国东北地区地表温度的模拟性能。结果表明：大部分气候模式模拟结果都能较好的再现研究区域的地表温度时空变化,与月观测的时间相关系数均高于095,对年际变化模拟能力稍差,大部分模式模拟结果在整个研究时段均表现出冷偏差。空间分布显示,CMIP5模式能够模拟出中国东北地区地表温度南高北低的空间分布特征,但不同模式模拟结果之间差异较大,模拟能力较优模式能够较好的模拟出研究区域的冷暖中心,较优模式组和较差模式组在夏季的差距达到最大,较差模式组不能再现地表温度的分布特征。通过模式优选发现FGOALS_s2模式表现最优。总的来说,CMIP5耦合气候模式对中国东北区域地表温度的时空变化特征的模拟性能较好,对气候态年变化的模拟性能好于对年际变化的模拟。     

CMIP5多模式对阿留申低压气候特征的模拟检验与预估

利用观测的海温资料和海平面气压资料,检验了CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project 5,CMIP5)多模式对阿留申低压(Aleutian Low,AL)特征指数的时空分布和变化的模拟能力;从AL周期及变化趋势等方面,分析了CMIP5模式预估的未来AL的变化特征。结果表明,CMIP5模式及其集合平均能够很好地模拟AL的环流结构,对AL的气候态有着较强的模拟能力,尤其是模式对于东太平洋海表温度的模拟能力直接影响其对于AL的模拟效果。模式的集合平均对变率强度的模拟偏强,且对于变率的模拟效果逊于对气候态的模拟。22个模式中的16个模式能模拟出AL强度指数的年代际变化周期,对年代际周期有着较好的刻画能力。Historical试验下对于AL的变化趋势存在着较大的不确定性,而相对于两种不同排放情景,随着排放的增加,AL更加偏北,强度增强,年际、年代际周期变得更加显著。在两种排放情景下模式的集合平均以及多数模式模拟出AL有着向北和增强的趋势。     

CMIP6模式中的中国冬季气温主要区域空间模态及与观测的对比分析

利用国际耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）的全球气候模式历史模拟试验资料，通过旋转经验正交函数分析得到了CMIP6模式中的我国冬季气温变化主要的区域空间模态。结果表明：CMIP6多模式集合平均中我国冬季气温有4个主要的区域空间模态，分别为中原—西北型，华南型，东北型以及滇藏型。其中，东北型与滇藏型是较为稳定的空间模态，在所选CMIP6模式及观测资料中都稳定存在，这也是前人研究中一致性较高的模态。而我国新疆、西北、华中及华南地区的冬季气温在空间分型上存在分歧，这些地区的分型在以往研究中的一致性也较差。华南型在所选CMIP6模式内是一致存在的模态，中原—西北型在模式内部的差异性较大。在近40 a观测资料中，新疆及西北到我国南方为统一的空间分型，在CMIP6多模式集合平均的结果中新疆及西北地区气温空间分布与我国中原地区的联系更为紧密。CMIP6模式能较好地模拟出与低温空间分布有直接联系的对流层中层的槽的位置，当CMIP6模式和观测中的冬季气温都表现为同一个空间模态时，该模态所对应的对流层中层的主要环流系统在观测和CMIP6模式中也是一致的。