论文总字数：19300字

目 录

1 引言 1

1.1研究背景 1

1.2 研究进展 1

1.3 研究内容和技术路线 2

2 资料和方法 3

2.1 资料 3

2.1.1 CMIP5模式资料 3

2.1.2 降水观测资料 5

2.1.3 研究区的介绍 5

2.2 研究方法 5

3 大气环流模式对江苏地区降水的模拟效果 7

3.1 引言 7

3.2 模式对江苏地区降水的模拟 7

3.3 模式模拟结果 10

3.4 本章小结 11

4 模式对江苏地区未来50年的预估 12

4.1 预估的目的 12

4.2 模式对江苏地区降水模拟能力综合比较 13

4.3 模式对 21世纪不同情景下江苏地区降水变化的预估 13

5 结论与讨论 15

5.1 主要结论 15

5.2 讨论与展望 16

参考文献 16

致谢 18

CMIP5模式对江苏地区降水模拟能力的评估

黄伊涵

,China

Abstract：Global warming caused the spatial and temporal distribution changes of precipitation, sea-level rising, extreme weather events aggravating. These have been made great changes in water resources, ecosystems, socio-economic and other aspects. Under this background, General Circulation Model(GCM) for understanding climate changes, and estimation of future changes has become the focus of public and government. GCM is the important tool for modeling and assessment of climate change, and it is important of model assessment. Using the GCM models to generate future climate scenarios, assessment the ability of GCM should be firstly carried out. The paper assesses the precipitation of 24 CMIP5 GCM models in Jiangsu , by using a variety of statistical indicators to analyze evaluate the precipitation of different models in Jiangsu Province. Based on several better GCM models, future precipitation scenarios were generated. Main conclusions　are　as followed: CSIRO-Mk3-6-0,HadCM3,HadGEM2-AO, MIROC-ESM,PSL-CM5A-LR,BNU-ESM are relatively better in precipitation simulation in Jiangsu Province. This article is useful to understand the development and limitations of the models, select the most appropriate GCM models to estimate future climate change for different regions, improve the accuracy of weather forecast, and promote the improvement and innovation of GCM models.

Key words: CMIP5; precipitation; Jiang Su Province; evaluate

1 引言

1.1研究背景

在现代气候学的概念中，气候系统是由岩石圈水圈、生物圈、冰冻圈和大气圈等五个圈层组成。地球气候的变化可以归结为气候系统各圈层相互作用，不再是“不变的”“局地的”和“地面的”，而是在全球气候系统影响下的动态的、全面的产物。以海-陆-大气耦合模式或全球气候系统模式为基础的对于未来气候变化的对于未来长期气候变化的预估，也就是我们所说的现代短期气候预测^[1]。

近一百年来，地球变暖已经成为不可忽视的重要气候特征。全球气候变暖导致的降水时空分布改变，海平面上升，极端天气事件等等各方面对水资源、生态系统、社会经济等多方面产生深刻影响。基于这个背景之下，大气环流模式作为理解气候变更规律，对过去演变过程的再现，对未来变化的预估研究已经成为政府部门和大众普遍关心的焦点。

1.2 研究进展

当前国际气候模式的发展，正由过去的单一研究海—陆—汽圈层间的能量和物质交换的气候物理系统模式，向考虑碳、氮等地球化学海洋生物循环过程的地球系统模式转变^[2]。在过去的二十年中，世界气候研究计划（WCRP）在促进大气模式、气候系统模式（CSM）以及地球系统模式（ESM）的发展中发挥了至关重要的作用。另外，一系列譬如AMIP（大气模式比较计划）以及CMIP（耦合模式比较计划）等国际模式比较计划的实施^[3，4]，促进了耦合模式的研发和国际间关于气候模拟领域的合作，推动了气候变化模拟和预估的发展。尤其是2007年正式开启的耦合模式比较计划第五阶段（CMIP5），相较于第三阶段（CMIP3），CMIP模式改进了通量处理方案、参数化方案和耦合器技术，增强了模式的物理机制描述，进而改善了其模拟和预估能力。CMIP5模式的主体在全球大气—海洋耦合模式（AOGCMs）的基础之上，覆盖了分辨率更高的5个圈层分量模式，目前收集了23个模式组约50多个模式及其模拟试验 ^[5]。方法的进步是这次模式评估的一个重要的发展，也就是增加了评估方法的方式，更注重定量化和准确性。

在全球大气环流模式上展开对未来气候变化的情形预估，首先是要评价其对当前气候的模拟性能好坏。从模拟平均气候态的方面上来看，使用泰勒图法对观测场与模式模拟结果的均方根误差、相关系数、标准差进行评估^[6]，张莉^[7][8]等人采取相关系数的方法进行比较，对在该关键区模式的降水空间分布情况的模拟性好坏做出评估，而后在其基础上进行分类；如张宏芳^[9][10]等人用Taylor图评估法对东亚环流模拟能力进行评估；许崇海等人^[11]利用均方根误差和相关系数对东亚地区的降水和温度进行模拟。另外，在定量化评估指标，如变率评分指标，环流指数指标，季风指标和极端气候指数等也越来越多应用于模式评估方法中。

在关于年际变率的模拟性能上考虑，许崇海^[12]提出了应用EOF分析和Morlet小波分析的方法，评估了多个全球气候模式对我国降水时空分布变化特征的模拟能力；张宏芳^[10]等人运用相关系数研究了CMIP3气候模式对于亚洲年际变率的模拟情况。

基于CMIP3模式的模拟，许崇海^[12]等人利用CRU地面温度、降水的陆地月平均观测资料等研究了22个海汽耦合IPCCAR4模式对东亚区域地表气温和降水气候态及其变化趋势的模拟能力分析；刘敏^[13]等对13个IPCCAR4模式对中国区域内近40a包括气温、降水能力的气候模式模拟能力的评估；Zhou^[14]等完整评估了CMIP3模式对20世纪中国和全球包括极端气温在内的气候变化的模拟能力；Grotc^[15]等对全球平均气温的模拟，和观测值之差小于0.91，但不同的陆地上冬季与夏季模拟的气温与实际气温值差异较大。

IPCC2013显示，新一代CMIP5（第五期全球耦合模式比较计划）的模式能够大体模拟出季风降水的空间分布型，但在范围和强度上仍具有一定误差和低估，尤其在亚洲和北美地区。相较于CMIP3，误差量级在下降。分辨率的提高对于复杂地形的降水值能够进行更好的模拟，与地形有关的季风降水有更好的模拟表现。模式模拟的全球年平均降水和观测之间的空间系数达到0.82，但模式在区域尺度上的模拟效果仍不够尽如人意。Sperber^[16]等研究发现，与CMIP3相似，在一些系统性偏差中CMIP5也无法避免，包括印度洋季风爆发时间偏晚，对印度洋季风和海洋雨带季风的季节循环模拟较差，在中国北部地区、韩国及日本等地，模拟的季风无法到达。Joseph^[17]指出，新一代CMIP5模式的温度经向梯度模拟偏差较大。Xu^[18]等使用18个CMIP5全球气候模式对中国地区降水变化的模拟能力初步评估后表明，大部分模式高于中国地区的平均降水，降水变化率不明显。陈晓晨^[19]等通过对气候平均态的模拟对比，CMIP5对中国降水气候态模拟的一致性有待提高，过去对中国西南部高原区域内降水的高估和东南沿海区域降水的低估在新一代模式中仍然存在误差。

新一代CMIP5模式相较于过去的气候模式有了明显的发展和创新，模拟能力进一步提高，误差量级的下降。但同时，系统性的偏差还普遍存在，对于东亚地区的降水、气温、环流和极端天气的模拟预估仍较低于全球模拟水平^[20]。模式在模拟中反映出来的系统性偏差，给气候预估带来了较大的不确定性。气候模式作为未来气候评估的重要工具，如何提高模式预估的可信度和减少未来气候变化预估的不确定性，还需要中外学者进一步的探索和研究。

1.3 研究内容和技术路线

根据目前所得的研究表明，气候模式对过去和未来气候研究的重要手段和工具，在水文、航海、农业、生态等各方面都有极重要的地位，但目前气候模式地区性特征明显，对不同地区的模拟性能好坏不同，模式模拟结果仍旧存在很多的不确定性。随着CMIP5的展开，新一代气候模式的结果已经公布，并被应用在各个领域中，因此对各模式模拟能力的评估，尤其是降水的评估，尤为重要。这对开发者对模式进行改进和创新，对模式的应用更多可行性的建议。

根据江苏地区气象站点实测月降水量，采用CMIP5的全球气候模式的模拟结果，通过计算模拟变量与观测变量的相对误差、均方根误差、相关系数、M-K检验等多种指标定量分析与比较，得到数个对降水模拟能力较好的气候模式，并在此基础上对江苏地区未来的降水进行预估。

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