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全球海气耦合模式对东亚降水模拟的检验

张莉  
【摘要】: 本文以ECMWF提供的1958-1999年ERA40再分析资料、近50年中国地面观测资料、1979-1999年CMAP降水资料为主要观测依据,同时配合使用其他相关资料,采用多种统计分析方法,检验和分析了当前一代的全球耦合模式(IPCC第四次评估报告中的22个模式)对东亚地区降水的模拟能力。 首先,简要分析了耦合模式对全球各主要要素场的模拟结果,之后重点检验东亚降水的模拟。先后分析了模式对东亚地区降水气候平均态、主要空间模态、降水季节进程,中国雨季的起讫,极端强降水,以及中国地区降水多尺度特征的模拟能力。在此基础上,特别分析了青藏高原地区气候变化和突变的观测事实以及模式的模拟能力。最后对东亚和中国地区未来的气温和降水变化趋势给出了不同排放情景下的预估结果。论文得到的主要结论如下: (1)通过对全球各要素的模拟分析发现,大部分模式对各气候要素场的气候平均态有一定的模拟能力,同时也存在偏差。总体上,大部分模式对北半球的模拟比南半球好;在所分析的要素中,除纬向风场外,其他要素在南极的偏差普遍最大;模拟降水偏差百分率较大的地区普遍对应大地形或者比较复杂的下垫面;大部分模式模拟的北半球中低纬温度场偏低、环流场偏弱、高度场和比湿场都偏低。综合各要素的模拟效果来看, CCSM3、CGCM3.1(T47)、CGCM3.1(T63)、ECHAM5-MPI-OM、GFDL-CM2.0、GFDL-CM2.1、MIROC3.2(hires)、MIROC3.2(medres)、UKMO-HadCM3、UKMO-HadGEM1的总体模拟效果相对较好,对比所有模式可知,他们都是分辨率相对比较高的模式,这些模式对东亚地区降水的模拟效果也比较好。 (2)通过对东亚降水的分析可知,目前的全球海气耦合模式对东亚季风降水有一定的模拟能力,这表现在:1)模式基本上都能够模拟出降水由东亚东南部海洋至中国西北部内陆减少的空间分布特征,部分模式能够模拟出降水的部分主要模态;2)大部分模式基本上能够模拟出中国东部陆地降水的季节进退。但同时也存在相当的差异,这包括:1)多数模式普遍存在模拟降水量偏少、降水变幅偏小的缺陷;2)雨带的季节推进过程与观测存在一定偏差,尤其海洋上的季节进退过程模拟较差,有的模式甚至不能模拟出东亚季风区东部海洋上大致的季节进程。因此,模式对东亚季风区降水的模拟能力还是比较有限的,需要进一步改进。多模式集合的夏季环流场以偏弱为主,降水偏小,这在中国东部大陆部分比较明显。另外,大气比湿模拟值偏低、水汽输送偏弱,这可能也是导致东亚季风区夏季降水模拟结果偏小的原因之一。(3)大部分模式基本上能够模拟出中国地区雨季从华南开始,进而向北向西推进,同时西北地区雨季也逐渐向南向东推进的过程。但模拟结果也存在不少问题:1)大部分模式都很难模拟出降水的突然增加或减少;2)大部分模式模拟的中国东部地区普遍存在雨季降水量偏低、华南以北雨季开始时间偏早、大部分地区雨季结束时间偏晚的现象,进而造成模拟雨季降水不如观测雨季降水集中,模拟雨季持续时间偏长的结果;3)对中国西部地区而言,大部分模式模拟的降水量则比观测偏高,西北地区雨季开始时间也偏早。高分辨率模式(MIROC3.2(hires))在模拟我国南方(长江中下游和华南地区)雨带的季节推进中表现出一定的优势,基本上能够抓住长江中下游地区降水的三个峰值和华南降水的双峰特征,只是具体的时间与观测还存在一定偏差。 (4)各模式模拟的中国地区中雨以下级别降水日数偏多,而对雨量在大雨及以上的雨日模拟结果普遍偏低。对中国东部华北、长江中下游和华南地区大雨日数变化趋势的分析发现,虽然每个区的变化趋势在部分模式中都有一定程度的反映,但大部分模式却不能同时模拟出三个区的正确趋势,也即没能模拟出大雨日数变化趋势在中国东部地区的空间分布。各模式极端强降水阈值明显低于观测,并且没有模式能够模拟出中国东部地区存在的东北-华北和华中-长江中下游-华南存在的极端强降水日数增加-减少-增加-减少的空间分布,这一点说明模式预估的未来极端强降水事件变化趋势可能存在较大的不确定性。总的来看,模式对中国地区极端强降水的模拟还有待大大提高。 (5)对不同尺度降水变率模拟的检验表明,大部分模式基本上还是能够较好的模拟出中国地区降水存在的年际和年代际尺度周期振荡的信号,但是区域分析发现,模拟结果中的各年代际和年际尺度周期振荡的强度、尤其是干湿阶段出现的时间与观测存在较大的差别,这也就最终决定了模式降水序列与观测降水序列相位之间的较大偏差。进一步的分析发现,模式对海洋不同时间尺度变率(如ENSO和PDO)及其对应主要模态的模拟能力尚存在较大偏差,并且目前的模式尚不能正确模拟出PDO与中国东部降水之间的关系。模式的这种偏差可能会通过模式中的相关物理过程(尤其是海气的相互作用)对降水的结果产生一定的影响。模式中10-30天和30-60天尺度的气候季节内振荡对雨季降水的方差贡献的模拟偏差比季节和天气尺度的振荡对雨季降水方差贡献的偏差小;分析中还发现,高分辨率模式MIROC3.2(hires)显示出一定的优势,尤其是30-60天尺度振荡的方差贡献在中国东部地区的结果与观测更接近,明显比其他模式好。 (6)大部分模式模拟的青藏高原年和四季地表气温和对流层整层气温普遍比观测明显偏低。由于模式在青藏高原及其周边陆地气温的负偏差幅度大于东部和南部海洋上空气温的负偏差幅度,可能对模拟的季风环流强度产生了一定的影响。模式模拟的青藏高原地区降水普遍偏多,尤其是高原南侧和东南部地区的偏多比较明显。但高分辨率模式对青藏高原地区降水变化趋势的模拟效果比低分变率模式要好。虽然有模式对青藏高原和中国其他6个地区的气候突变有所反映,但尚没有任何一个模式能够从整体上较好的再现中国各地区气候突变的观测事实。 (7)未来50-100年,东亚和中国地区的地表和对流层气温都将持续上升,平流层上层气温将持续下降,并且越往平流层高层下降幅度越大。多模式平均的结果显示,21世纪头十年北方降水开始增加,10年代和30年代都表现出明显的北方降水偏多南方降水偏少的空间分布形势,20年代则更突显出西南地区降水的偏少,40年代开始整个中国东部地区降水偏多。未来中国大部地区的极端强降水日数将增加,并且21世纪后期(2081-2100年)极端强降水日数的增幅比21世纪中期(2046-2065年)要大,这一结果在各模式结果中有比较高的一致性。


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