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由BCC_CSM1.1-RegCM4.0模拟的21世纪中国气候变化
高学杰，王美丽和Filippo GIORGI
摘要：在全球模式的推动下，北京气候中心气候系统模型1.1版（BCC_ CSM1.1）由区域气候模式（RegCM4.0）在代表性浓度通路—RCP4.5和RCP8.5新排放情景下模拟21世纪中国气候变化。这是基于从1950年到2099年的瞬态模拟周期，网格间距为50公里。本文重点介绍了中国在这一时期的年平均气温和降水量，重点介绍了今后的变化。模型性能验证显示，相对于使用BCC_CSM1.1模型重现今天气温和降水量，RegCM4.0模式有明显的改善。BCC_ CSM1.1和RegCM4.0的模拟结果都表现出明显的变暖，然而，模拟结果的空间分布和幅度不同。与RCP4.5相比，高排放情景RCP8.5导致变暖更明显。两个模型预测了不同的降水变化，其特征是BCC_CSM1.1预测的降水量普遍增长，而RegCM4.0模拟的模拟结果为更广泛的降水区域。
关键词：气候变化，区域气候模式，RCP情景，中国
引用：Gao, X.-J., M.-L. Wang, and F. Giorgi, 2013: Climate change over China in the 21st century as simulated by BCC_CSM1.1-RegCM4.0, Atmos. Oceanic Sci. Lett., 6, 381‒386, doi:10.3878/j.issn.1674-2834.13.0029.
1 介绍
大气耦合环流模型（AOGCM）是气候变化预测的主要工具。最近，使用了来自23个机构的50多个模型进行了一套新的协调气候模式实验，耦合模型相互比较项目（CMIP5）的第五阶段（Taylor et al，2012）。CMIP5包括政府间气候变化专门委员会第五次报告（IPCC AR5）中的评估模拟以及其他超出范围的模拟。在模拟中采用了代表性浓度通路（RCPs，Meinshausen et al，2011）的新排放情景。
最近启动了基于多个CMIP5模型模拟的中国未来气候变化分析项目（Xu and Xu，2012a，b; Yao et al，2012）。但是，CMIP5模型仍然处于1到几度的粗略水平分辨率，这不能准确地再现中国的当今气候（Xu et al，2010; Xu and Xu，2012a）。以前的研究表明，具有较高分辨率的区域气候模式（RCM）可以改善东亚季风气候的模拟（Gao et al，2006，2012; Shi et al，2009; Yu et al，2010; Zou and zhou，2013）。此外，当用于气候变化预测时，RCM不仅可以在气候变化信号中引入更精细的地形诱导结构，还可以模拟与驱动GCM相比的一些明显不同的区域尺度变化模式（Gao et al。，2008， 2012; Zou and Zhou，2013）。
中国制定的六个气候系统模式有助于CMIP5。他们是北京气候中心气候系统模型1.1版（BCC_CSM1.1）和北京气候中心气候系统模型1.1版 - 中分辨率（BCC_CSM1.1-M）（Wu et al。，2013; Xin et al，2013） ，北京师范大学地球系统模型（BNU-ESM2.0）（http://esg.bnu.edu.cn/ BNU_ESM_webs / htmls / index.html），全球海洋 - 大气 - 陆地系统灵活模型网格版本2（ FGOALS-g2）（Li et al，2013），全球海洋 - 大气 - 陆地系统灵活模型 - 光谱版本2（FGOALS-s2）（Bao et al，2013）和第一海洋学地球系统模型 FIO-ESM）（Song et al，2012）。在这些模型中，BCC_CSM1.1被选为推动Abdus Salam国际理论物理中心（ICTP）的区域气候模式（RegCM4.0）（Giorgi等，2012），进行21世纪中国区域气候变化模拟（Ji，2012）。目前的分析重点是BCC_CSM1.1-RegCM4.0模拟的年平均气温和降水。
2 模型，模拟和数据
BCC_CSM1.1的大气分量的水平分辨率为T42（〜2.8°）。在使用该模型进行的所有气候变化实验中，从1950年到2005年的历史模拟以及2006年至2099年的RCP4.5和RCP8.5下的气候变化模拟被用作启动RegCM4.0的初始和边界条件。RegCM系列模型已经在中国广泛应用了多年，特别是气候变化模拟（Gao et al，2001，2012; Shi et al，2012）。在这项研究中，RegCM4.0涵盖的领域包括中国大陆及周边地区，水平分辨率为50公里，垂直层数为18层（详见Ji ，2012）。
RegCM4.0模拟从1950年开始（用作升级），由BCC_ CSM1.1的历史运行驱动到2005年。然后进行了两个实验，一个用于RCP4.5（较低排放情景），另一个用于RCP8.5（较高排放情景）。分析中感兴趣的区域仅限于大陆RegCM4.0领域中的中国大陆。
为了验证模型绩效，本研究采用了Wu and Gao（2013，以下简称CN05.1）开发的中国观测数据集。CN05.1的时期是从1961年到2007年，分辨率为0.25度纬度，经度为0.25度。数据集基于中国2400多个观测站的插值，重点是四个变量：日平均值，最小和最高气温以及日降水量。
3 验证当前气候模拟
我们通过比较模拟年平均地面气温与当天观察到的温度，验证了模型（图1）。首先，在该区域的BCC_CSM1.1模拟中可以发现一般的冷偏差，与大多数CMIP3和CMIP5模型类似（Xu et al，2010; Xu和Xu，2012a）。其次，BCC_CSM1.1模拟和观测结果之间的区别特征在于盆地较大的冷偏，山脉上的偏暖（图1b），这主要是由于BCC_CSM1.1的粗分辨率。在中国西北部的塔里木盆地南部，可以发现超过-10°C的冷偏，北部天山的暖偏大于10°C。如图1c所示，在RegCM4.0模拟中可以发现很大的改进。中国东部地区的改善情况更为显着，偏倚普遍在-1°C至1°C之间。在青藏高原发现一般的冷偏，最大的价值位于喜马拉雅山。值得注意的是，这是一个没有台站观测的地区（Wu and Gao，2013），表明观测数据集中存在不确定性。在西北东北部和北部地区发现的温暖偏差主要是由于寒冷季节在高纬度地区典型的温室气体偏倚。
图1：1986 - 2005年中国年平均气温（°C）：（a）观测; （b）BCC_CSM1.1和（c）RegCM4.0的模拟和观察之间的差异
近期，使用BCC_CSM1.1和RegCM4.0观察和模拟年平均沉降如图2a，2b和2c所示。与观测数据相比，BCC_CSM1.1模拟中发现的最大差异（图2b）是从中国西南部延伸至青藏高原东部边缘的高降水中心。这是CMIP3和最新更新的CMIP5模型中的粗分辨GCM的共同特征（Xu et al，2010; Xu和Xu，2012a）。如Gao 等人（2006年，2012年）所示，该地区降水分布需要更高的分辨率来准确模拟。同时，中国东南部地区观测到的最大降水量并未被BCC_CSM1.1捕获。 作为典型的粗分辨率模型，西北地区降水的地形影响不大。
首先在青藏高原边缘的降水中心观察到使用RegCM4.0的大幅度改进模拟（图2c）。尽管降雨中心的强度增加，但实际上降低了观测数据的格局。其次，与观察一致，RegCM4.0在南方模拟了主要降水中心。使用RegCM4.0很好地重现了区域细节; 例如祁连山降水峰值与附近柴达木盆地西南部干燥的对比。
图2：1986 - 2005年度中国年平均降水量（mm）：（a）观测; （b）BCC_CSM1.1和（c）RegCM4.0的模拟
4 未来变化
使用BCC_ CSM1.1和RegCM4.0在二十一世纪末（2080 - 2099年）RCP4.5和RCP8.5情景下年平均气温的未来变化模拟如图3所示。在所有模型模拟和不同情景下均发现了明显变暖。在一般情况下，在高纬度和高海拔地区（青藏高原）有更大的温度升高，，并发现与RCP4.5相比RCP8.5有更大的价值。 注意到BCC_CSM1.1在中国的预测变暖不如CMIP5模型集合多（Xu and Xu，2012b）。
图3：不同情景下的年平均气温变化（2080-2099相对于1986 - 2005年）（°C）：（a）RCP4.5，（b）BCC_CSM1.1下的BCC_CSM1.1，RCP8.5，（c） RCP4.5下的RegCM4.0，（d）RCP8.5下的RegCM4.0
由于其更高的分辨率，RegCM 4.0的更大的区域细节首先发现模拟温度变化的差异。其次，相对于BCC_ CSM1.1，RegCM4.0通常模拟较少的变暖。 RCP4.5 / RCP8.5下BCC_ CSM1.1和RegCM4.0的区域平均温度变化分别为2.0°C / 4.3°C和1.8°C / 3.8°C。 这两个模型也表现出变暖空间分布的差异。 北方和南部较暖的格局在RegCM4.0模拟中更加明显，在一定程度上在RCP8.5下的BCC_CSM1.1中，但是在RCP4.5下难以观察到。
RCP4.5情景下RegCM4.0模式的变暖在华南地区通常低于1.5°C，其他大部分地区则达到1.5-2°C。 东部和青藏高原部分地区发现最大变温超过2.0°C。 在RCP8.5的情况下，南部最多的中国模拟了低于3°C的最小变暖，长江以北3.5°C。 东北部北端至内蒙古西端以及青藏高原部分地区，发现最高气温4.5-5°C。
图4a显示了21世纪温度变化的时间演变。 如图所示，在2050年之前，在RCP4.5和RCP8.5之前，变暖的幅度类似，表明在21世纪前半叶，变暖情况较少。 然而，在下半叶，在RCP8.5情景下，温度几乎呈线性上升，而RCP4.5发现准稳态。
图5显示了年平均降水量的变化。 再次，RegCM4.0模拟在空间上更详细，例如西北地区塔里木和准噶尔的增幅更大。 一般来说，与BCC_CSM1.1模拟相比，RegCM4.0中有更多的降水区域发现。为简明起见未显示，进一步的分析表明差异主要发现在季风季节。与我们以前的研究结果一致，这主要归功于更高分辨率RegCM4.0模拟中更强大和更逼真的地形强迫（Gao et al，2012）。
RCP4.5 / RCP8.5下BCC_CSM1.1和RegCM4.0的区域平均增长率分别为8.6％/ 13.4％和6.3％/ 8.0％。 这两种模式对于排放量的反应强烈有所不同。 与RCP4.5相比，BCC_CSM1.1项目的数量和覆盖面减少，RCP8.5情景下的数量和覆盖面增加较大。 或者说，RegCM4.0模拟出更广泛的减少范围，而仅在RCP8.5下，西北地区才发现较大幅度的增长。 在两种情况下，增减的平衡导致未来区域平均值的差异较小（图4b）。
图4：RegCM4.0（相对于1986 - 2005年）模拟的（a）中国21世纪（2006 - 2009年）年平均气温（℃）和（b）降水（％）的区域平均变化
图5：不同情景下的中国年平均降水变化（1980 - 2005年相对于1986 - 2005年）（％）：（a）RCP4.5下的BCC_CSM1.1，（b）RCP8.5中的BCC_CSM1.1，（c）RCP4.5下的RegCM4 .0，（d）RCP8.5下的RegCM4.0
5 结论和讨论
在本文中，我们在RCP4.5和RCP8.5排放情景下，通过RegCM4.0在21世纪提出了中国的气候变化模拟。 我们分析的重点是年平均气温和降水。
验证模型性能表明，与使用BCC_CSM1.1模型相比，RegCM4.0对中国温度和降水的模拟有明显的改善。 对于预计的变化，RegCM4.0在温度和降水的气候变化信号中提供了更多的空间细节。 与RCP4.5相比，在RCP8.5情景下发现更大的变暖。 由RegCM4.0模拟的变暖通常弱于BCC_CSM1.1。RegCM4.0模拟的温度在21世纪末的中国根据RCP8.5在2.5-5°C的范围内有所上升。 另外，北部和青藏高原的变暖也更为显著。 虽然BCC_CSM1.1在本世纪末的模拟显示了降水量的普遍增加，但RegCM4.0的模拟结果显示较广泛的地区降水量减少。 降水最大的地区从内蒙古中部转移到中国西南部。 长江中下游以及青藏高原地区以南有降水也有减少。
我们的研究结果表明，应该非常谨慎地采取基于当前全球模式的区域性气候变化信号。 此外，到目前为止，有限的RCM模拟很难在区域尺度上得出关于气候变化的更详细的信息，这需要将来完成大型多GCM / RCM组合（CORDEX，Giorgi et al，2009）。
致谢：这项研究由中国国家基础研究计划（2010CB 950903号）和中英双年适应气候变化项目（ACCC） - 气候科学联合支持。
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资料编号：[26171]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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