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BCCminus;CSM1.0模式对全球和中国地区21世纪的年平均气温和降水量的预测
张莉，吴统文，辛晓歌，董敏，王志在
摘要:对气候系统的预测能力的评估，对于气候系统的发展与气候变化是一个十分重要的课题。本文研究分析北京气候中心（BCC）气候模式BCCminus;CSM1.0的预测能力；我们重点评估BCCminus;CSM1.0在三种排放情景下的21世纪年平均气温与降水的预测，同时与22 个CMIP3的模式的结果进行比较。在整个21世纪，全球和中国的平均气温将持续上升，而平均降水在三种不同的排放情景下均表现出间歇性的增长，具有一定的时间特征和空间特征。通过BCC-CSM1.0模型模拟的全球平均和中国平均气温和降水量的变化在CMIP3模型结果的范围内。平均而言，降水和气温的变化在中国比在全球更明显，这也与CMIP3模式模拟一致。经过比较也可以知道，BCC-CSM1.0模型的预测能力与其他气候系统模式相当。此外，结果显示中国地区气候变化对于温室气体的释放的响应比全球平均更加强，这意味着中国21世纪的气候变化特别敏感（解释待定）。
关键词：BCC-CSM1.0 空气温度 降水 预测
摘要：张莉，吴统文，辛晓歌，等人，2012年：BCC气候系统模型BCC-CSM1.0对21世纪全球和中国年平均气温和降水的预测.Acta Meteor.Sinica，26（3），362-375，doi：10.1007 / s13351-012-0308-8.
1.介绍
全球气候变化在过去100年来以全球变暖为特征并仍在发展。这种不可忽视的变化已经深深影响了全球自然生态系统和经济。处理与气候变化相关的问题已成为各国政府的重点。中国政府已经设立了多个以未来气候变化的科学预测为中心的方案，其中包括全国气候变化计划和科学与气候变化技术行动。
未来气候变化的科学预测对于制定适应或应对气候变化的战略至关重要。作为政府间气候变化专门委员会（IPCC）第四次评估报告（AR4）（IPCC，2007）的一部分，我国组织了科学家评估气候模式在模拟气候和气候变化方面的能力。未来气候变化可以使用多模型集合在全球和区域尺度上进行预测。根据理想化的排放或假设的浓度水平，主要基于排放情景特别报告（SRES），在一系列可能的未来情景下进行数值实验(Nakicenovic et al., 2000)。
中国一些学者（(Li and Zhou, 2010; Li et al., 2011; Fenget al., 2010; Jiang et al., 2008; Zhang, 2008; Xu et al.,2005)）已经通过IPCC第四次评估报告对多模式预测中国区域的气温与降水进行了分析。使用第四次评估多模式集合的这些和其他研究的结果表明，在整个21世纪（IPCC，2007）的三种排放情景（SRES A2，A1B和B1）下，全球地表和对流层气温将继续增加， 平流层气温可能降低。全球平均降水量预计会增加，高纬度地区的变化在各个模式之间更一致。中国很可能变得更温暖，到21世纪末预计约增温3.5℃。预计这种增暖在中国北部较显著，在南部稍好一些。降水量预计到21世纪末将增加约7.5％（Jiang etal.，2008; Xu et al.，2005）。然而，气温和降水的预测在区域尺度上具有很大的不确定性（Li和Zhou，2010; Li et al.，2011; Feng et al.，2010）。
现在气候系统模式的发展取得了显著进展，特别是自IPCC第三次评估报告（IPCC，2001）出版以来（Wang et al.，2009）。中国气象局（CMA）北京气候中心（BCC）开发的气候模式BCC-CM1和中国科学院大气物理研究所（IAP）开发的气候系统模式FGOALSg1.0都参与了IPCC 第四次评估。中国科学院大气物理研究所（IAP）开发了耦合气候系统模型FGOALS-s和FGOALS-g，其分别使用IAP / LASG（SAMIL）的光谱大气通用循环模型（AGCM）和IAP / LASG（GAMIL）的网格点大气模型 （Zhou等人，2005a，b，2007,2008; Yu等人，2008）。这些模型能够在一定程度上再现全球和中国的历史气候。中国国家气候中心（BCC)于2004年开始开发了一种独立于BCC-CM1的气候系统模型BCC-CSM（Wu et al.，2010a，b）。BCC-CSM1.0的评价表明，该模型能够捕获历史气候的许多主要特征（Xin 等人，2009; Dong 等人，2009）。目前，NCC和IAP正在使用其各自的新版本的气候系统模型来参与IPCC第五次评估报告（AR5）和耦合模型比较项目第5阶段（CMIP5）。
在IPCC第四次会议中使用20世纪历史气候的模拟和未来气候变化的预测来评估耦合模型的能力。Zhou和Yu（2006）全面分析了19个耦合模型在模拟全球和中国地表气温方面的能力。Zhang（2008）分析了这些模型在模拟东亚降水方面的能力。结果表明，虽然大多数耦合模型能够捕捉到20世纪区域气候的基本特征，但在模拟结果中仍然存在很大的不确定性。
在本文中，我们专注于评估在21世纪的SRES B1，A1B和A2的BCC-CSM1.0和22参与CMIP3的其他耦合模型的模拟的气温和降水的变化。本研究旨在评估BCC-CSM1.0的预测能力，提高对未来气候情景和预测的不确定性的理解。数据和模型将在第2节中详细介绍。中国温度和降水的预测的主要结果在第3节。结论和讨论见第4节。
- 模式与数据
2.1 模式介绍
CMA的BCC于2004年开始开发新一代多球体气候系统模型BCC-CSM，并且自此建立了许多不同的版本。气候系统模型第一版（BCC-CSM1.0）是基于由美国国家大气研究中心（NCAR）开发的CCSM2.0（Kiehland Gent，2004）。BCC-CSM1.0和CCSM2.0之间的差异主要在模型的大气和陆地组成部分不同。BCC-CSM1.0包括BCC-AGCM2.0.1大气模型（Wu等人，2010a，b），社区土地表面模型第三版（CLM3）（Dickinson等人，2006），平行海洋计划 ）和社区海冰模型第四版（CSIM4）（Briegleb et al.，2004）。这些单独的组件使用CPL5（耦合器版本5）耦合系统（Kauffman，2002）耦合。 Zhou等人（2004）详细描述了CPL5的特点和发展。
BCC-AGCM2.0.1是具有T42截断（水平分辨率约2.8125◦）和26个垂直层的谱模型。它在模拟降水，温度，热结构，大气环流（Wu 等，2010a，b），季风振荡和降水等基本气候（Dong 等，2009）和亚洲 - 澳大利亚 季风（Wang et al。，2009）等方面做的比较好。海洋模式POP有40个垂直层次，以及水平三极网格。纵向分辨率约为1°，横向分辨率随着靠近赤道而更精细（〜0.3°）。
一般来说，BCC-CSM1.0能够在一定程度上反映历史气候的特征（例如，DCSM，2008; Zhang等，2011）。该模型可捕获气候平均降水量的空间分布和部分再现部分有暴雨的中心，比如那些在热带西太平洋，孟加拉湾和西印度洋半岛的暴雨。同时模式中还存在一些偏差，如亚热带太平洋，青藏高原和阿拉伯海的过量降水，以及孟加拉湾，印度尼西亚和热带大西洋的降水过少。BCC-CSM1.0能够捕获温度分布的基本特性，相对于NCEP / NCAR再分析数据具有以下偏差：北半球陆地气温过高预测以及北太平洋、大西洋气温的过低预测。在一般情况下，BCC-CSM1.0能捕获许多的历史气候的特性。
在这项研究中，我们关注以下关键问题。BCC-CSM1.0的预测能力怎样？ 全球和中国的气温和降水怎样变化？ BCC-CSM1.0和其他模型之间的预测结果有什么相似之处和不同之处？CMIP3的22个其他气候系统模型的输出用于进行比较（与 BCC-CSM1.0）。这些模型的详细信息在表1中列出，其他信息可从http://www-pcmdi.llnl.gov/ipcc/modeldocumentation/ipcc-mode-documentation.php获得。
为了评估BCC-CSM1.0在预测未来气候中的能力，进行了在IPCC AR4的实验中使用的三种排放情景（即SRES B1，A1B和A2）下的的数值实验。
2.2 数据
本文分析了BCC-CSM1.0和其他参与CMIP3的气候系统模型在SRES B1，A1B和A2下对21世纪月气温和降水的预测。数据的详细情况见表2。
通过将来自所有模型的结果内插到统一的水平分辨率（1°纬度times;1°经度）上来计算整体平均值。 异常是相对于从1961年到1990年的30年平均值计算的。
3.结果
3.1 世纪年平均地表气温变化
3.1.1 全球平均年平均地表气温
图1a显示了BCC-CSM1.0在SRES B1，A1B和A2情形下预测的21世纪全球平均的年平均地表气温的时间变化。在三种排放情景下，21世纪表面气温的变暖都是连续的。SRES A2情形下的升温速率为每十年增温0.31℃，大于其他两种情景; B1情形下的升温率为每十年增温0.17℃，小于其他两种情况。SRES A1B情景下的升温率为每十年增温0.23℃。到21世纪末（2080 - 2099年），SRES A2情景下（约3.24℃）的变暖幅度最大。温度在SRES B1情景下增暖（约1.99℃）最不明显，在SRES A1B情景下（约2.63℃）下温度最低。
表3列出了不同排放情景下21世纪增暖的速率和21世纪后期全球平均和中国地表气温平均值的增暖量。这些结果的比较表明，BCC-CSM1.0预测结果在CMIP3中气候模型的预测结果的范围内。多模式集合平均值给出了A2情景下的21世纪预测的暖温率和幅度分别为每十年增温0.33℃和3.27℃（总增温），在三种排放情景中最大。B1情景下的速率和振幅分别为每十年增温0.17℃和1.96℃（总增温），在三种情况中最小。对于A1B情况，预计升温速率为每十年增温0.28℃，增幅为2.82℃。BCC-CSM1.0的预测结果与多模式集合预测的结果相当一致。
3.1.2中国地区年平均地表气温平均值
图1b显示了由BCC-CSM1.0模拟的SRES B1，A1B和A2情景下中国区域年平均地表气温的时间序列。在每个排放情景下，地表气温的预计升温在整个21世纪都是连续的。SRES A2情景下的升温速率和振幅分别为每十年增温0.42℃和4.36℃，大
Table 1. General information on the climate models
|
IPCC model I.D. |
Institution |
Atmospheric model resolution |
Ocean model resolution |
|
|
BCCminus;CSM1.0 |
BCC |
T42(sim;2.8◦times;2.8◦) L26 |
0.3◦–1◦times;1◦ L40 |
|
|
BCCR-BCM2.0 |
BCCR |
T63 |
(1.9◦times;1.9◦) |
0.5◦–1.5◦times;1.5◦ L35 |
|
CCSM3 |
NCAR |
T85 |
(1.4◦times;1.4◦) L26 |
0.3◦–1◦times;1◦ L40 |
|
CGCM3.1(T47) |
CCCma |
T47 |
(sim;2.8◦times;2.8◦) L31 |
1.9◦times;1.9◦ L29 |
|
CGCM3.1(T63) |
CCCm 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[25331]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
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