An evaluation of the Arctic clouds and surface radiative fluxes in CMIP6 models

To assess the performances of state-of-the-art global climate models on simulating the Arctic clouds and surface radiation balance, the 2001–2014 Arctic Basin surface radiation budget, clouds, and the cloud radiative effects(CREs) in 22 coupled model intercomparison project 6(CMIP6) models are evaluated against satellite observations. For the results from CMIP6 multi-model mean, cloud fraction(CF) peaks in autumn and is lowest in winter and spring, consistent with that from three satellite observation products(Cloud Sat-CALIPSO, CERESMODIS, and APP-x). Simulated CF also shows consistent spatial patterns with those in observations. However,almost all models overestimate the CF amount throughout the year when compared to CERES-MODIS and APP-x.On average, clouds warm the surface of the Arctic Basin mainly via the longwave(LW) radiation cloud warming effect in winter. Simulated surface energy loss of LW is less than that in CERES-EBAF observation, while the net surface shortwave(SW) flux is underestimated. The biases may result from the stronger cloud LW warming effect and SW cooling effect from the overestimated CF by the models. These two biases compensate each other,yielding similar net surface radiation flux between model output(3.0 W/m~2) and CERES-EBAF observation(6.1 W/m~2). During 2001–2014, significant increasing trend of spring CF is found in the multi-model mean,consistent with previous studies based on surface and satellite observations. Although most of the 22 CMIP6 models show common seasonal cycles of CF and liquid water path/ice water path(LWP/IWP), large inter-model spreads exist in the amounts of CF and LWP/IWP throughout the year, indicating the influences of different cloud parameterization schemes used in different models. Cloud Feedback Model Intercomparison Project(CFMIP)observation simulator package(COSP) is a great tool to accurately assess the performance of climate models on simulating clouds. More intuitive and credible evaluation results can be obtained based on the COSP model output. In the future, with the release of more COSP output of CMIP6 models, it is expected that those inter-model spreads and the model-observation biases can be substantially reduced. Longer term active satellite observations are also necessary to evaluate models' cloud simulations and to further explore the role of clouds in the rapid Arctic climate changes.     

全球温升1.5℃和2.0℃情景下中国降雨诱发地质灾害危险性和人口暴露度评估研究

气候变化情景下极端降水事件的频次和强度预估呈增加趋势,这会导致全球部分地区极端降雨诱发地质灾害风险的增加。本文基于中国降雨诱发地质灾害易发性模型和不同地貌分区的累积事件降雨量-降雨历时阈值曲线,采用最新的CMIP6全球气候模式多模式集合结果,基于全球温升目标情景的视角,从地质灾害空间易发性和发生频次两方面,探讨温升情景下中国地质灾害危险性的可能变化及其对暴露人口的潜在影响。结果表明,CMIP6多模式集合预估的多年平均降水在温升1.5℃和2.0℃情景下相比基准时期可能增加5.4%～9.5%,导致中等至极高地质灾害易发区范围预估增加0.33%～0.74%,由于预估的极端降水事件增加,地质灾害发生频次预估增加7.0%～11.2%,进一步综合未来人口空间分布,潜在地质灾害暴露人口可能增加6.20亿人次（18.90%）和4.26亿人次（12.97%）。各地貌分区未来情景下地质灾害危险性预估增加且存在显著的空间异质性,温升2.0℃情景下中等至极高易发性范围相比基准时期增加0.71%～1.28%,地质灾害发生频次预估增加1.2%～15.6%,其中,青藏高原区地质灾害危险性增加最明显。综合考虑未来人口...     

基于CMIP5模式鄱阳湖流域未来参考作物蒸散量预估

预测未来气候情境下鄱阳湖流域参考作物蒸散量(Reference crop Evapotranspiration,ET0)的时空分布可为流域水资源的优化管理,为科学应对气候变化对农业生产的影响提供基础数据支撑.利用鄱阳湖流域14个气象站点1961-2014年逐日气象数据,采用Penman-Monteith公式计算出历史ET0;基于同期美国环境中心(NCEP)再分析数据及2006-2100年CMIP5中CNRM-CM5模式在RCP4. 5和RCP8. 5情景下的预测数据,经统计降尺度模型(statistical downscaling model,SDSM)模拟和偏差校正,预测流域未来ET0;通过Mann-Kendall检验、普通克里金插值和空间自相关法分析了流域1961-2100年ET0的时空演变特征.结果表明:NCEP再分析资料与流域ET0建立的逐步回归降尺度模型模拟效果较好,CNRMCM5模式降尺度模拟结果经偏差校正后,精度明显提高,适宜流域未来ET0的预估.鄱阳湖流域在基准期1961-2010年ET0整体上呈减小趋势,空间分布上呈南北高、中间低的特点,表现出明显的空间差异性.RCP4.5、RCP8.5情景下未来3个时期鄱阳湖流域ET0较基准期均呈不同程度的增加趋势,其空间分布整体表现为东高西低、局地略有突出;无论是在基准期或是未来情景下的3个时期,ET0均具有较强的空间自相关性.在RCP8.5情景下,鄱阳湖1961-2100年干旱指数呈现出较为明显的上升趋势,流域的干旱状况随时间加剧,2011-2100年间流域绝大部分地区由湿润区转为半湿润区,干旱指数自南向北递减,赣江流域将是鄱阳湖流域未来干旱风险的重点防范区.     

气候系统模式对于北极海冰模拟分析

利用全球耦合模式对比计划第五阶段(CMIP5)模拟试验的结果,并与观测资料对比分析,评估了CMIP5模式对北极海冰的模拟效果。结果表明:多数模式可以较好地模拟出北极海冰的空间分布以及季节变化特征。1979—2005年北极海冰迅速减少,所有模式均模拟出北极海冰减少的趋势,但减少趋势大小与观测差别较大。在全球变化的背景下,全球地表气温升高1℃,北极海冰的面积减少1.02×106km2,而在模式中减少的北极海冰面积在0.62×106—1.68×106km2之间,说明模式对于北极海冰的模拟仍然存在很多不确定性。     

未来50a中国地区冻土面积分布变化

在检验CMIP3模式比较计划中模式在中国地区的温度模拟效果的基础上,选取模拟效果相对较好的HadCM3、EACHE5模拟结果,采用Kudryavtsev方法,应用数字化土壤和植被资料,借助Arc-GIS,对未来50 a中国地区在A2情景下的冻土空间变化趋势进行了模拟计算. 结果表明,在A2情景下,未来50 a中国地区的冻土呈现出退缩趋势,在2050年,多年冻土在青藏高原地区的巴颜喀拉山-唐古拉山之间、冈底斯山地区出现退化,中国的冻土面积较2006年减少约10.7%.     

基于CMIP5的东亚地区降雪量变化特征分析

利用JMA的JRA-55降雪量及CMIP5的6个模式模拟的降雪量资料, 分析了东亚地区降雪量年变化特征及年际变化特征. 结果表明: 东亚地区降雪量在1958-2004年期间具有明显的年际变化特征及区域分布特征; 降雪主要集中在11月至翌年的4月, 这6个月中降雪量占年总降雪量的82%; 年际变化特征呈现出一种波动变化略有增加的趋势, 但是增加的幅度有所不同. 从区域分布特征来看, 东亚地区降雪主要分布在东北亚、青藏高原及新疆等3个区域. CMIP5的6个模式对东亚区域及其子区域东北亚、青藏高原、新疆1850-2004年降雪量年际变化特征的模拟差异较大. 多模式集合预报的结果表现为, 在过去155 a(1850-2004年)东亚区域降雪量呈现明显减小趋势, 东北亚和青藏高原降雪量为波动略有减小趋势, 新疆降雪量为明显增加趋势.     

基于CMIP5多模式集合资料的中国气温和降水预估及概率分析

选用国际耦合模式比较计划第五阶段（CMIP5）提供的30个全球大气-海洋耦合模式（AOGCMs）在典型浓度路径（RCPs）情景下气温和降水量的预估结果,采用扰动法,用站点观测资料作为气候背景场替代AOGCM模拟的气候平均,尝试校正气候预估结果的系统性偏差。通过集合方法,用概率的形式给出中国平均气温升高1 ℃,2 ℃和3 ℃以及降水量增加10%,20%和30%概率的空间分布,讨论了中国未来平均气温和降水量可能的变化。结果表明：经过扰动法处理后的气温和降水量预估集合保留了当前气候的局地信息。预估平均气温在中国均有上升,北方地区尤其是青藏高原地区变暖的程度大于南方地区,北方大部分地区平均气温升高的趋势为0.28 ℃/10a。在21世纪初,中国北方地区年平均气温升高1 ℃的可能性超过50%。到了21世纪末期,中国大部分地区平均气温升高2 ℃的可能性超过60%,新疆北部以及青藏高原南部地区气温升高3 ℃的可能性超过50%。预估中国降水量普遍增多,中国北方地区降水量增多的程度要明显大于江淮流域及其以南地区,尤其是西北地区降水量增多非常显著,降水量增多30%的可能性超过70%以上。     

Fast and slow responses of the North Pacific mode water and Subtropical Countercurrent to global warming

Six coupled general circulation models from the Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5) are employed for examining the full evolution of the North Pacific mode water and Subtropical Countercurrent (STCC) under global warming over 400 years following the Representative Concentration Pathways (RCP) 4.5. The mode water and STCC first show a sharp weakening trend when the radiative forcing increases, but then reverse to a slow strengthening trend of smaller magnitude after the radiative forcing is stablized. As the radiative forcing increases during the 21st century, the ocean warming is surface-intensified and decreases with depth, strengthening the upper ocean’s stratification and becoming unfavorable for the mode water formation. Moving southward in the subtropical gyre, the shrinking mode water decelerates the STCC to the south. After the radiative forcing is stabilized in the 2070s, the subsequent warming is greater at the subsurface than at the sea surface, destabilizing the upper ocean and becoming favorable for the mode water formation. As a result, the mode water and STCC recover gradually after the radiative forcing is stabilized.     

IPCC AR4多模式对中国地区未来40 a雪水当量的预估

通过评估参加CMIP3计划的22 个GCM在20 世纪气候情景(20C3M)下中国地区雪水当量模拟能力的检验, 挑选出模拟能力较好的模式, 通过多模式集合方法, 对SEARS的模拟结果进行集合, 预估未来40 a雪水当量在中国地区的时空变化特征.结果表明: 在A1B情景下和B1情景下, 中国地区未来40 a雪水当量年际变化均呈减少趋势; 在A1B和B1情景下, 青藏高原地区、 华北平原地区、 长江中游地区及东北北部地区的雪水当量均呈减少趋势, 其中在昆仑山西段帕米尔高原地区减少最为显著, 其次为喜马拉雅山区和巴颜喀拉山东段地区.在中国北部的内蒙古高原地区、 云贵高原等部分地区的雪水当量则有所增加.总体上, A1B情景下比B1情景下雪水当量的减少更为明显. 2021-2050年雪水当量在青藏高原减少显著; 对于季节变化来说, 在秋冬季积雪的累积期, 雪水当量可能增加, 尤其在10-12月, 而在积雪消融的春夏季(2-6月)有所减少.     

10个CMIP5模式预估中亚地区未来50 a降水时空变化特征

利用CRU月降水资料首先对参与IPCC第五次评估报告（IPCC AR5）的10个CMIP5模式对1951-2005年中亚地区年降水气候平均态、年际变率以及线性趋势等特征参数的模拟能力进行了系统评估,并选取具有较好模拟性能模式的未来预估试验结果作多模式集合平均预估未来50 a（2011-2060年）中亚地区在不同代表性浓度路径下降水量各特征参数的空间分布特征,结果表明：多数模式能够模拟出中亚地区年降水气候平均态、年际变率以及线性趋势的空间分布特征,同时发现中亚地区年降水量在过去50 a整体以轻微增加为主,趋势不显著。根据定量评估结果,从10个模式中选取4个具有较好模拟性能的模式结果做集合平均,同时利用历史回报试验数据进行检验,发现集合平均的模拟结果无论在量级还是高、低值中心的位置和范围与CRU资料非常接近。未来预估结果表明4种排放情景下4模式集合平均的中亚年降水在未来50 a增加较为明显,尤其在中国新疆南部（由低值区转变为高值区）。总体来看,未来50 a中亚降水增加趋势随着RCPs的增加而增加,且降水增加显著的区域随着RCPs的增加而明显增大。