CMIP 5模式在东亚-西北太平洋区域的稳健性分析

工程3（2017）773研究气候变化评论CMIP 5模式在东亚-西北太平洋区域的稳健性分析Tianjun Zhou*，Xiaolong Chen，Bo Wu，Zhun Guo，Yong Sun，Liwei Zou，WenminMan，Lixia Zhang，Chao He中国科学院大气物理研究所大气科学与地球物理流体动力学数值模拟国家重点实验室，北京100029ARt i clEINf oA b s tRAC t文章历史记录：2016年2月18日收到2016年7月19日修订2017年2月3日接受2017年10月31日在线提供保留字：东亚季风北太平洋西部气候厄尔尼诺-南方涛动过去气候变化气候预测耦合气候模式区域气候模式耦合模式相互比较项目（CMIP）是一个以国际社区为基础的基础设施，支持气候模式相互比较、气候变率、气候预测和气候预测。提高东亚和西北太平洋气候模式的性能一直是气候模拟界面临的一个挑战。在本文中，我们提供了一个综合的鲁棒性分析的气候模式参与CMIP-Phase 5（CMIP 5）。CMIP5模式的优点和缺点进行了评估的角度来看，气候平均状态，年际变率，过去的气候变化在上新世中期（MP）和过去的千年，气候预测。还评估了区域气候模式相对于驱动全球气候模式的附加值。虽然从CMIP3到CMIP5的发展中可以看到可信度的增加和平均状态，年际变率和过去气候变化的模拟的改善，但一些以前注意到的偏差，如西北太平洋副热带高压的脊位置和相关的降雨偏差在CMIP5模式中仍然很明显。在对年际振幅的模拟中，如厄尔尼诺-南方涛动-季风关系的模拟中，也明显存在不足。耦合模式在模拟平均状态和年际变率方面通常比独立的大气模式显示出更好的结果。多模式的相互比较表明，在未来的气候变化预测显着的不确定性，虽然降水量不断增加的Clausius-Clapeyron关系约束的模型。建议采用区域海气耦合模式对东亚-西北太平洋区域的气候变化进行动力降尺度预测。© 2017 The Bottoms.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版这是CC BY-NC-ND下的开放获取文章许可证（http：//creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍气候模式是理解气候变率机制和预测未来气候变化的有用工具。由于现有气候模式在物理过程模拟方面的局限性，气候模式的模拟结果多模式集合是减少单个模式的不确定性的有用方法耦合模式相互比较项目（CMIP）是一个以国际社区为基础的基础设施，支持气候模式相互比较，比较和气候变化预测。其最新阶段CMIP-Phase 5（CMIP5）[1，2]。CMIP5模型分析的稳健性近年来引起了本研究的目的是提供一个概述的性能CMIP 5模式在东亚-西北太平洋（EA-WNP）域的基础上发表的文献。评估模型的优点和缺点。本文的稳健性分析旨在为CMIP5模型的可信性提供有益的参考，并有助于模型的发展和改进。* 通讯作者。电子邮件地址：zhoutj@lasg.iap.ac.cnhttp://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2017.05.0182095-8099/© 2017 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。 这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：//creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/eng774T. Zhou等人/工程3（2017）7732. 气候平均状态模拟受益于过去5年气候模式的改进，CMIP 5模式合理地模拟了EA-WNP域的基本气候特征[3]。例如，CMIP 5模式对夏季风降水和850hPa风场的模拟效果较好。在多模式集合（MME）中，降水模拟的技能得分略有提高，从0.75（CMIP 3）提高到0.77（CMIP 5）[4]。降水模拟的改进与大气环流模拟的改进密切相关。CMIP 5模式成功地模拟了东亚地区的低层南风和高层西风急流的气候特征[5，6]。在大规模环流的模拟中，可以看到模型之间的巨大差异[7]。几乎所有的CMIP5模式都显示了西北太平洋副热带高压（WNPSH）的北移，这导致了东亚夏季风（EASM）降水带模拟的偏差[4，8]。CMIP5模型比CMIP3模型更熟练，EA-WNP气候的模拟[9]，尽管CMIP 3和CMIP 5模式产生的降水量略低于观测结果[10]。这一点在夏季风降雨、环流、水汽输送和对流层中部水平温度平流的模式[11]以及夏季风爆发的模拟中很明显[12，13]。东亚季风雨带的延伸被低估，而副热带西/中太平洋的降水被高估。尽管西太平洋西太平洋副高脊线北移的偏差在CMIP 3模型中也很明显[14]，但耦合模型通常比CMIP 5中的独立大气模型显示出更好的结果[6]。3. 气候年际变率西太平洋副热带高压是东亚夏季风系统的重要组成部分它在年际时间尺度上有两个主要模态[15]。这两种模态都对应于西北太平洋上的异常反气旋，但与第二模态相关的反气旋相对于与第一模态相关的反气旋向北移动[16]。He和Zhou[8]指出，第一模态与热带印度洋和中东太平洋的海表温度（SST）异常有关，而第二模态与局地SST异常有关。CMIP 5-AMIP的模拟结果很好地再现了第一模态，表明它是一种强迫模态。然而，第二模式不能完美地模拟CMIP 5-AMIP模拟。在MME或大多数个别模式中模拟的异常反气旋远比观测到的弱这表明第二模态与热带西北太平洋海气相互作用有关。西北太平洋副高与北太平洋副热带高压之间存在显著的协变关系[17]。EA-WNP季风与厄尔尼诺现象密切相关，热带西北太平洋上空的一个关键的低层异常反气旋（西北太平洋异常反气旋，或WNPAC）[18]。WNPAC连续三个季节保持不变，从厄尔尼诺成熟的冬季到衰退的夏季[19]。模拟厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）-季风关系的模型性能取决于其模拟WNPAC的技巧[20]。在厄尔尼诺成熟冬季，西北太平洋西北侧的西南风异常减弱了东亚冬季风的平均东北风[21]。同时，它们向北输送水汽到中国东南部，大大增加了那里的降水[22]。CMIP5耦合环流模式中约有一半能较好地模拟西北太平洋在厄尔尼诺成熟的冬天。然而，几乎所有的模式都低估了中国东南部地区的正降水距平[20].西北太平洋不仅影响东亚冬季风，而且还调制厄尔尼诺的时间演变西北太平洋南侧的东风异常倾向于刺激海洋上涌开尔文波，从而加速厄尔尼诺的衰减[23，24]。在拉尼娜冬季，西北太平洋异常气旋（WNPC）是西北太平洋异常气旋的对应物相应地，在拉尼娜冬季赤道西太平洋的西风异常远弱于厄尔尼诺冬季的东风异常。因此，拉尼娜现象往往比厄尔尼诺现象衰减得慢得多[24]。这一机制得到了CMIP5 CGCM结果的如果一个模型可以（或不能）模拟WNPAC和WNPC之间的不对称性，那么它可以（或不能）模拟厄尔尼诺和拉尼娜之间演变的不对称性。在厄尔尼诺现象减弱的夏季，受当地冷SST异常和热带印度洋远程强迫的综合影响[25]。CMIP 5-CGCM MME支持西北太平洋和局地冷SST异常形成阻尼耦合模态的论点。冷SST异常只能抑制局部对流，从而维持初夏的西北太平洋，然后才能完全被局部负反馈所抑制[20]。在夏末，西北太平洋的维持主要与热带印度洋通过大气开尔文波动力学的远程强迫有关[25CMIP5-CGCM MME表明，随着7 - 8月气候季风槽的建立，热带印度洋对西北太平洋的远程强迫作用逐渐增强[20]。Song和Zhou[4]系统地比较了CMIP 5-AMIP并与CMIP 3-AMIPs对西北太平洋及其相关的负降水异常和长江中下游至日本的正降水异常的模拟结果进行了CMIP5- AMIPs显示出更高的能力，从而改进了对东亚夏季风年际模式的模拟（图11）。 1）[4]。由于耦合模式中来自热带印度洋的较强远程强迫，CMIP 5-CGCM在模拟WNPAC时的能力高于相应的AMIP运行;这表明海气相互作用在模拟东亚夏季风年际变率时至关重要[6]。4. 过去的气候变化模拟过去的气候提供了一个机会，以建立东亚季风（EAM）的演变和动力学的约束。从地质相似性来看，最近一次与二氧化碳（CO2）值（（405 ± 50）ppm）高于现代气候值相关的温暖气候是上新世中期（MP），因此，MP被认为是了解未来气候变暖的潜在相似性。例如，MP Hadley环流被认为是未来情景的潜在模拟[28对于华北地区，MP中模拟的EAM被证明为增强的EASM和减弱的EAWM[31MP中模拟的EASM和EAWM都与地质重建相当吻合海陆热对比的增强有助于加强MP中的东亚夏季风[33]。增强的东亚夏季风环流通过增加静止纬向速度的局部收敛，将更强的水分输送到东亚区域，导致大气环流模式（AGCM）和CGCM模拟中的MP东亚夏季风降水增加[33]。东亚夏季风在过去10年中的百年变化T. Zhou等/ Engineering 3（2017）773-778775千禧年已经成功模拟[34]。东亚夏季风在中世纪暖期（MWP）一般较强，在小冰期（LIA）较弱。这一结果与根据中国万象洞石笋记录进 行 的 重 建 一 致 [35] 。 通 过 对 MWP 、 LIA 和 20 世 纪 全 球 变 暖（20CW）期间东亚夏季风年际变率模态的比较，揭示了相似的降水异常模式。但三个典型时段主要年际变率模态的功率谱不同，暖期的年际振荡最为明显[36]。火山爆发提供了一个很好的机会来观察东亚夏季风对外部辐射强迫的响应[36东亚大陆以偏北风异常为主，相应的夏季降水在中国东部表现为大规模火山爆发后的减少（图2（a））[36]。东亚大陆中高纬度地区的冷却比热带海洋的冷却强（图2（b）），这表明海陆热力对比减弱，有利于东亚夏季风环流减弱研究发现，强烈的热带火山喷发对东亚冬季风也有重要影响。火山强迫可以引起热带太平洋和北极地区的变化，这在喷发后冬季调节EAWM方面发挥重要作用[39]。5. 气候变化预测利用全球和区域耦合气候模式，已经投入了大量的努力来预测未来几十年到21世纪末的EN-WNP气候[40 对于CMIP5的两种典型情景RCP4.5和RCP8.5，中国年平均地表温度将分别增加（2.58 ± 0.78）°C和（5.19± 1.10）°C，21世纪末。夏季降水主要由季风系统贡献，但在EN-WNP大部分地区也明显增加，主要是由于Clausius-Clapeyron关系，在较暖条件下湿度增加。在RCP4.5和RCP8.5情景下，21世纪末中国年降水量的增加量分别为（0.17 ± 0.10）mm·d-1和（0.25 ± 0.12）mm·d-1CMIP5多模式结果，这是约8%和11%，Fig. 1. 观测到的SST（阴影;单位：°C）、降水（等值线;单位：mm·d−1）和850 hPa风（矢量;单位：m·s−1）回归到观测到的EASM指数（NCEP-2指数，ERA-40除外）上，这些指数分别在（a）GPCP和NCEP-2;（b）CMAP和ERA-40;（c）CMIP 3 MME;（d）CMIP 5 MME中。NCEP-2和ERA-40是两种再分析资料，GPCP和CMAP是两种降水观测资料.这些数据的详细信息见参考文献[4]。绿（紫）线代表正（负）降水距平。等值线间距为0.35 mm·d−1。震级小于0.45 m·s−1的风被忽略。红点表示通过Student t检验，回归SST在10%水平下具有显著性NCEP：国家环境预测中心; ERA-40：欧洲中期天气预报中心45年再分析; GPCP：全球降水气候学项目; CMAP：气候预测中心降水合并分析。（参考后）[4]）图二、大规模火山爆发后第一个夏天的（a）降水量（颜色阴影;单位：mm·d−1）和850 hPa风（矢量;单位：m·s−1）以及（b）地表气温（SAT）（°C）的综合平均值。（参考后）[36]）776T. Zhou等人/工程3（2017）773今天的金额，分别。与地面温度和降雨相比，预计的环流对温室气体（GHG）强迫的敏感性较低。在MME中，由于地表附近的陆地-海洋热力对比增强以及北半球变暖速度快于南半球[45，47-根据多模式预测的500 hPa风、涡动位势高度和涡动流函数的变化，预计西北太平洋副热带高压将减弱并在对流层中部向东撤退（图3）[51]。西北太平洋副高的东退伴随着东亚副热带雨带的东扩[51]。根据多模式平均值[41，45，51，52]，与西北太平洋副热带高压相关的低层环流似乎没有变化。然而，亚热带地区的低层季风西风带可能会在温暖的条件下加速[53]。对于东亚夏季风环流和降雨，预计21世纪的年际变化将增加[54]。极端气候，包括热浪和暴雨，随着平均地表温度的升高和降雨量的增加，除某些次区域外，趋势相似[42，43，55即使在中等情景下，中国夏季炎热的风险预计也会显著增加[59，60]。中国东北和青藏高原的极端降水量增加，而中国东南部的降水量减少;这一发现在区域和全球气候模型中都很明显[43]。RCP8.5情景下的帕尔默干旱严重程度指数在这些地区显示出类似的趋势[61]。EA-WNP气候预测的变化有很大的不确定性，来自未知的排放情景，内部变率，模式气候敏感性和参数的不确定性。 东亚地区的陆面增暖幅度主要取决于全球平均变暖，这是由不同的反馈过程控制[62]。在区域尺度极端降雨中，内部变率对不确定性的贡献可高达30%，但因地区而异[63]。不同的参数化降水方案可能会通过调节温度和降水量之间的关系，使温度和降水量之间的关系偏离克劳修斯-克拉珀龙关系。图3.第三章。北太平洋西部夏季500 hPa平均状态未来变化的预测。阴影是位势高度的变化，矢量是风的变化超过75%的模型同意的风的变化是点状的副热带高压的边界由涡动位势高度的零等值线（实线）和涡动流函数的零等值线（虚线）表示，分别为20世纪（蓝线）和21世纪（红线）历史：历史场景。（参考后）[51]）热力学约束，导致更大的不确定性[64]。在预测的西北太平洋副热带高压中发现的较大不确定性可能与印度洋和西太平洋之间SST变化的纬向梯度有关[52]。不同的太平洋变暖可能对预测东亚夏季风开始的巨大不确定性至关重要[13，65]。6. 区域气候模式的附加值为了评估气候变化对人类和自然系统的影响，需要高分辨率的区域气候变化信息。国际协调区域气候降尺度实验（CORDEX）项目是一个多模式CMIP类似的努力，目标是提供有用的区域气候变化信息。关于参与CORDEX的区域气候模式（RCM），重点是东亚地 区（以下简称CORDEX-EA），几乎所有模式都是由直接从驱动大气环流模式（GCM）中导出的SST规定的[66这一结果表明，在动力降尺度过程中没有考虑区域海气耦合过程。最近的进展表明，与独立的RCM相比，包括区域海气耦合的RCM在气候学和年际变率方面对亚洲夏季风区域的降雨和环流的模拟得到了显着改善[69因此，Zou等人[78]采用了灵活的区域海洋-大气-陆地系统（FROALS）模式的CORDEX-EA域。该模型由GCM的历史模拟和未来气候预测的输出驱动。对FROALS模式模拟的现今气候的验证表明，FROALS模式在模拟1981-2005年中国东部夏季降水的气候学和年际变率方面对于RCP8.5情景下的预测气候变化，由于相似的预测环流变化，FROALS模式预测的降雨变化的空间格局与驱动GCM在大尺度上的预测结果基本一致增强的中国东部南风增强了华南地区的水汽辐散，增强了华北地区的水汽平流然而，仅大气RCM对底层SST变暖异常的响应过于强烈，导致南海北部地区出现异常气旋，随后华南（或华中）总降水和极端降水增加（或减少）[79]。这些结果表明，区域大气模式与下垫面的平衡较好，区域海气耦合模式中的海面强迫比SST规定的RCM 中的更强，表明在CORDEX-EA域上，在当前和未来气候变化的动力学降尺度中包含区域海气耦合的优势[78，79]。结果还表明，区域海洋-大气耦合模式是CORDEX-EA域上气候变化动力降尺度的有用工具[78，79]。7. 摘要CMIP 5提供了一个基于国际社区的基础设施，以支持气候变化和气候变率研究。本文综述了CMIP 5模型在EA-WNP域上的鲁棒性分析主要调查结果概述如下：(1) CMIP 5模式在模拟东亚-西北太平洋平均气候时，无论是环流还是降水，都优于CMIP 3模式。耦合模型通常显示更好的结果†http://www.cordex.org/‡https://cordex-ea.climate.go.kr/main/modelsPage.doT. Zhou等/ Engineering 3（2017）773-778777比独立的大气模型更复杂一些系统性偏差，如西太平洋副高的北移和降雨模式的相关偏差，仍然很明显，并对气候模拟界提出了挑战。(2) 东亚-西北太平洋季风的年际变化通过热带西北太平洋上空的低层异常反气旋（即，WNPAC）。大约有一半的CMIP 5-CGCM模拟了厄尔尼诺成熟冬季的WNPAC，但几乎所有的模式都低估了中国东南部的正降水异常在厄尔尼诺衰减的夏季，WNPAC由当地冷SST异常和热带印度洋的远程强迫的综合影响维持CMIP 5-CGCM MME支持西北太平洋海温异常与局地冷海温异常形成阻尼耦合模态的论点 。 CMIP 5-CGCM MME 在 模 拟 WNPAC 中 表 现 出 比 CMIP 5-AGCM MME更好的技能，表明海气相互作用的关键作用。(3) MP和上千年的气候都是衡量气候模型性能的有用根据上新世模型比对项目（PlioMIP），在MP期间模拟发生的华北地区EASM增强较强的东亚夏季风，模拟发生在MWP和较弱的东亚夏季风模拟在LIA是一致的重建从石笋记录。(4) 尽管存在不确定性，但根据Clausius-Clapeyron关系，由于在较 温暖 的条 件下 湿 度增 加， 预 计两 种 CMIP 5 情 景（ RCP4.5 和RCP8.5）下的降雨量将在大多数EA-WNP区域增加根据多模式的平均值，预计对流层中层的西太平洋副热带高压将减弱，而近地面的环流似乎没有变化。极端事件，包括热浪和暴雨，随着平均地表温度的上升和降雨量的增加，也显示出类似的趋势。(5) 对CORDEX-EA模型的分析表明，它在模拟极端降雨事件方面具有重要的附加值。这些证据强调了在CORDEX-EA域对当前和未来气候变化进行动态降尺度时采用区域海气耦合的必要性。确认本工作得到了国家自然科学基金（41420104006和41330423）和公益产业（气象）研发专项基金（GYHY201506012）的共同资助。遵守道德操守准则Tianjun Zhou 、 Xiaolong Chen 、 Bo Wu 、 Zhun Guo 、 YongSun、Liwei Zou、Wenmin Man、Lixia Zhang和Chao He声明他们没有利益冲突或财务冲突需要披露。引用[1] Taylor KE，Stouffer RJ，Meehl GA. 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