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CMIP5多模式对中国区域气候变化模拟的初步评估

徐影^1,3，许重海^2,3

1国家气候中心，中国气象局，北京100081，中国

2气象观测中心，中国气象局，北京100081，中国

3气候研究实验室，中国气象局，北京100081，中国

2012年5月14日收到；2012年6月19日修回；2012年7月25日接收；2012年11月16日发表

摘要: 本文基于参与国际耦合模式比较计划第五阶段(CMIP5)的18个全球气候模式对20世纪气候的模拟结果，评估了全球气候系统模式对现代中国气候的模拟能力。与观测相比较，各模式基本可以模拟出1961-2005年中国区域温度和降水的主要空间分布型。对于温度的时间变化，各模式对于温度的变暖趋势有很好的模拟能力，但对于降水的模拟能力有限。对于整个中国区域平均的温度和降水，大部分模式模拟值低于实际温度值，但模拟得到的降水量偏高。18个模式模拟得到的中国西部地区温度的模式间标准差较大，中国南部地区降水的模式间标准差较大。

关键词: 评估、模拟、CMIP5、中国

引用：Xu, Y., and C.H. Xu, 2012: Preliminary assessment of simulations of climate changes over China by CMIP5 multi-models, Atmos. Oceanic Sci. Lett., 5, 489–494.

1 引言

对气候系统模式的模拟能力进行评估有助于我们了解人类活动对气候变化的影响。在20世纪初期，基于排放情景的特殊报告(SRES，Nakicenovic和Swart，2000)发起的国际耦合模式比较计划第三阶段(CMIP3)，其目的在于提高模式对现代气候的模拟能力，并且在耦合模式的基础上去预估未来气候变化。根据政府间关于气候变化的第四次报告(IPCC AR4)，与IPCC第三次报告相比，海气耦合的全球环流模式(AOGCM)可以更好的模拟出若干重要大气场中的大尺度季节变化型。值得注意的是，海气耦合的全球环流模式对于降水的全球分布、海平面气压、近地面月平均温度的模拟偏差均有所减小(IPCC，2007；Randall等，2007)。使用CMIP3多模式数据集的模式输出结果来评估气候模式对现代中国区域气候的模拟能力，结果显示，尽管各模式经常低估实际的地表温度，但各模式基本可以模拟出中国区域的变暖趋势，特别是20世纪后半叶。但是，各模式对于降水的模拟能力仍有待提高。通常来说，各模式可以模拟出降水的空间分布型，但对于中国区域的总降水量模拟值偏高，对于沿海地区季风降水量的模拟值偏低。并且，各模式对于降水的时间变化模拟能力有限(Jiang等，2005；Zhou和Xu，2006；Xu，2007；Xu等，2007；Xu等，2010)。

目前，国际耦合模式比较计划第五阶段(CMIP5)已经使用新一代全球气候模式(GCM)开展了一系列新的气候模拟实验。现在，超过20个全球气候模式的输出资料可以从由地球系统网格联盟(ESGF)发起的气候模式分析与比较计划(PCMDI)门户网站(http://pcmdi3.llnl.gov/esgcet/home.htm)获取，这可以更好的展现这些新一代GCMs对中国区域气候变化的模拟能力。此外，这些评估结果有助于分析被称为“典型浓度路径”(RCPs，Moss等，2010；Meinshausen等，2011)新温室气体(GHGs)排放情景下的未来气候变化。

2.模式和资料

在CMIP5的一系列模拟实验中，对20世纪气候的模拟被称为历史实验，由观测到的大气构成变化(包括人为来源和自然来源)驱动，这些大气构成变化可能包括以下几项：大气组成(包括CO₂)、人类活动和火山的影响、太阳强迫、生物的排放与吸收、自然和人类活动产生的气溶胶及其衍生物、土地利用以及其它一些影响。CMIP5的模拟结果第一次包括了随着时间的推移土地覆盖率的变化。对于历史的模拟包括了工业革命的大部分时期(从19世纪中期到近现代)。历史实验的目的是为了评估模式对于现代气候以及观测到的气候变化的模拟能力，提供未来模拟实验方案的初始条件，以及评估过去气候的人为影响(Taylor等，2012)。

为了评估气候模式对现代气候的模拟能力，从PCMDI门户网站上获取了18个气候模式的输出资料。表1给出了这些GCMs模式的研究所以及其大气模式组成成分的基本信息。观测资料为中国区域1961-2005年的0.5^o 0.5^o格点资料(Xu等，2009，被称为CN05)以及东亚地区1961-2005年0.5^o 0.5^o日降水量的格点资料(Xie等，2007)。为了便于模拟与观测之间进行比较，所有资料均被插值为1^o 1^o的格点资料。文中所指的模式集合被定义为各模式的算术平均值。

表1 18个耦合气候模式的基本信息

3.单个模式对于气温和降水的模拟能力

3.1单个模式对于气温的模拟能力

表2给出了中国区域1961-2005年模拟与观测的地面气温以及降水的统计结果，包括偏差(误差)，线性趋势(LT)，空间相关系数(SCC)以及时间相关系数(TCC)。

对于中国区域平均的地面温度，大部分模式对于温度的模拟值偏低1.0^oC-2.0^oC，其中模式CNRM-CM5模拟值偏低2.9^oC，INMCM4模拟值偏低3.9^oC，IPSL-CM5A-LR模拟值偏低2.3^oC，这些模式的模拟偏差与其它模式相比较大。同时，一些模式对于温度的模拟值偏高，比如模式FGOALS-g2、GISS-E2-R以及MIROC5。对于45年平均气温的空间分布，各模式的模拟能力均较好，空间相关系数均大于0.9。

至于提及的全球变暖在中国区域也有所发生，用CN05数据得到1961-2005年中国区域的变暖趋势是0.28^oC/10a。模式可以模拟出这种变暖趋势，但是线性趋势通常比观测值低，其中有10个模式模拟出的线性趋势并没有超过0.2^oC/10a。然而，CanESM2模拟出的变暖趋势为0.31^oC/10a，IPSL-CM5A-LR模拟出的变暖趋势为0.29^oC/10a，IPSL-CM5A-MR模拟出的变暖趋势为0.30^oC/10a，FGOALS-g2模拟出的变暖趋势为0.44^oC/10a，均大于实况值。各模式对于中国区域平均气温的时间变化模拟能力较好，除了模式INMCM4外，各模式模拟得到的TCC均通过了信度为95%的显著性检验。

表2 中国区域1961-2005年地面温度以及降水模拟与观测的统计分析