亚洲区域气候模式发展及在气候变化和短期气候预测中的应用.pdf

公益性行业（气象）科研专项项目 成果 信息 快递 1 【 项 目 编 号 】 GYHY201306019 【 研究 周 期 】 2013 年 1 月 2015 年 12 月 【 国 拨 经 费 】 269.86 万元 【 项目负责 人 】 徐影 【 项目骨干成员 】 高学杰 、 邹立维 、 韩 振宇 、 张冬峰 、 黄安宁 、 石英 、 吴佳 、 毕训强 【 项目承担 单位 】 国家气候中心 【 项目协作单位 】 中国科学研究院大气物理研究所、山西省气候中心、南京大学 【 主要研究成果 】 1、利用 OASIS耦合器，发展了区域海气耦合模式 FROALS Flexible Regional Ocean-Atmosphere-Land System model。利用“快速收敛到最优参数”的采样方法 ， 改进了区域海气耦合模式的模拟性能，研究了模式性能对参数的敏感性，考察了影响模拟性能的关键物理过程 。对比了改进的对流方案对单独区域气候模式模拟结果的影响 ， 发现改进的对流方案适用于区域气候模式和区域海气耦合模式 。利用改进后的区域海 气耦合模式进行了长期积分试验 。 结果表明，考虑局地海气耦合过程后， 改进了 区域气候 模式对 西北太平洋夏季 降水 气候态和年际变率的模拟。利用区域海气耦合模式 FROALS 和区域气候模式 RegCM，对全球气候系统模式 FGOALS-g2 模拟和预估结果进行了动力降尺度，完成了 CORDEX 东亚区域的历史气候（ 1980-2005）和 RCP4.5/8.5 预估情景试验。 系统比较了区域海气耦合模式和非耦合模式对东亚地区模拟和预估结果的差异（图 1）。 2、利用不同物理参数化方进行改进和优化后的区域气候模式，分别进行了RegCM4.4 与通用气候系统模式 CCSM4.0 和 BCC 第二代季节预测模式BCC_CSM1.1（ m）的嵌套 研究，并利用上述两个嵌套模式 进行 了 中国地区 夏季短期气候回报 和预测 试验 。项目试验 结果表明两 个全球模式 CCSM4.0 和BCC_CSM1.1（ m）驱动 的 RegCM4.4 回报和 预测 中国夏季降水整体上都 较 全球模式 有 改善 ， 部分地区改善明显。项目研究试验对 2014、 2015 年夏季的预测结果，作为业务预测的重要参考，分别用于国家气候中心和 华北区域中心 夏季短期气候预测 会商 。 2014 年， RegCM4.4 嵌套 CCSM4.0 模式 对中国东部长江 以南降水预测较全球模式明显改进； 2015 年， RegCM4.4 嵌套 BCC_CSM1.1（ m） 模式 对华北地区 降水偏少 的预测 均较驱动场模式明显改进。项目研究实现了区域气公益性行业（气象）科研专项项目 成果 信息 快递 2 候模式 RegCM4.4在中国季节尺度气候预测方面的应用，为我国后续高分辨率客观化、定量化的短期气候预测工作开展以及最终提高预测水平，更好地为防灾减灾服务提供基础。 3、该项目研究了 人为硫酸盐气溶胶直接效应对东亚季风 及降水 季节内变化的影响 ，发现 东亚夏季风降水在季节内尺度上对二氧化硫直接效应的强迫不敏感，而在季节尺度上则敏感。同时发现在季节内尺度上， 硫酸盐气溶胶直接效应 造成的降水在东亚夏季风雨带的南侧显著减弱，北侧显著增强 。还发现中国东部地区人为硫酸盐气溶胶的高速排放和排放的不均匀性导致了 中国东部 1999-2008年和1989-1998 年间 5-8 月降水的年代际差异 ，可能是造成长江流域在 1999-2008 年降水减少和黄河流域降水增加的一个重要原因。最后通过在区域气候模式（ RegCM4.1）中考虑地形次网格坡地辐射参数化方案明显改善了模式对中国绝大多数地区夏季降水的模拟性能（图 2）。 4、该项目完成了 4 个全球气候模式驱动区域气候模式的未来气候变化预估试验， 水平分辨率为 25 km，积分长度为 1981－ 2099 年，并集合 4 个模拟结果进行极端事件和灾害风险的预估分析，得到 RCP4.5 和 RCP8.5 情景下中国区域未来几十到上百年极端事件指标的变化范围，进一步结合社会经济数据研究了极端气候事件可能带来的风险，包括暴雨洪涝、高温热浪、低温冷害和干旱灾害风险以及污染气象指数的变化趋势。结果表明未来随着温室气体浓度的升高，发生各种灾害的风险都将增加，尤其是人口多、 GDP 高的发达省份。研究结果可为政府规划和决策的制定提供科学基础（图 3）。 【 成果应用 情况 】 1、 利用 项目发展的 区域海气耦合模式 FROALS 和区域气候模式 RegCM，对全球气候系统模式 FGOALS-g2 模拟和预估结果进行了动力降尺度，完成了CORDEX东亚区域的历史气候（ 1980-2005）和 RCP4.5/8.5预估情景试验。 系统比较了区域海气耦合模式和非耦合模式对东亚地区模拟和预估结果的差异。结果表明 通过动力降尺度，该偏差在区域海气耦合模式和非耦合模式模拟中都得到明显缓解。考虑区域海气耦合过程后，模式对中国南方和长江流域降水的模拟较之非耦合模式都更为合理 ， 这将增加区域海气耦合模式降尺度预估的未来气候变化 的可信度。该 应用也 表明，针对东亚地区的动力降尺度模拟和预估应当考虑局地海气相互作用过程，区域海气耦合模式 FROALS 是东亚地区气候变化动力降尺度的有效工具。 通过本项目的实施， 还 建立了一套中国地区未来气候变化预估数据集，对中公益性行业（气象）科研专项项目 成果 信息 快递 3 国未来平均气候和极端气候的变化趋势有了深入的了解，具有一定的业务价值，成果可为多个省份编写当地的适应气候变化规划提供的科技支撑，可为国家提高气候变化变暖背景下的防灾减灾能力提供可靠的参考依据，同时，高分辨率区域模式的发展也为提高短期气候的预测能力提供基础。 具体应用如下 （ 1） 相关研究成 果 在 云南省气候中心、四川省气候中心、深圳市气象局等多个单位 。其中云南省气候中心用于分析云南省未来气候变化，四川省气候中心用于变暖对青藏高原水资源及湿地 CH4 排放的影响研究，深圳市气象局用于未来当地暴雨变化的预估，对于各地气候变化工作的开展起到了重要的作用。同时，数据集还用于中国工程院 “ 三江源气候调节对生态系统的影响 ” 咨询研究报告的编写等。 （ 2） CCSM4.0 嵌套 RegCM4.4 对 2014 年夏季的预测试验结果参加了国家气候中心举办的汛期会商，嵌套模式预测结果对 2014 年夏季降水的预测结果较好， PS评分 77.2。 2014年 6月，项目研究成果在气候变化科学前沿论坛作了题为 “ RegCM4.4区域气候模式汛期预测回报试验及 2014年预测 ” 学术报告。2014年 12月，项目研究成果在华北区域气象中心气候变化和气候预测技术交流会作口头报告。 （ 3） BCC_CSM1.1（ m）嵌套 RegCM4.4 预测 2015 年夏季降水试验结果在2015年 5月参加华北区域中心汛期会商，结果表明嵌套模式对华北 2015年夏季降水的趋势预测结果较好。 （ 4）研究成果 还在 在多个决策材料 和评估报告 中进行了应用，如 在 粤港澳大湾区气候风险评估报告、 “ 一带一路 ” 区域气候变化灾害风险 、雄安新区规划设计评估报告和气候变化对三江源生态系统的影响等咨询报告中根据预估结果提出了相应的适应措施和方案 。 研究成果还在阿尔山、建德、吉安、恭城、四明山等多个气候标志评估报告，气候变化对农作物产量的影响，农产品气候品质认证等方面得到了应用。 （ 5） 研究成果也在其他项目的研究中得到了应用，如在国际合作项目“中英瑞 -中国地区气候变化科学”中为内蒙、 宁夏、吉林、江西 和 贵州 五个省编写当地的气候变化适应报告提供支撑 。 （ 6）建立的未来气候变化预估数据集也应用到了“气候通” 网络平台，共不同行业和部门的研究人员使用。 （ 7）正式出版中国地区未来极端事件预估图集一部。 公益性行业（气象）科研专项项目 成果 信息 快递 4 【 成果代表图片 】 图 1 1981-2005 年东亚地区夏季降水量 a APHRO b FROALS c RegCM d FGOALS 图 2 不同二氧化硫直接效应模拟试验模拟 东亚季风指数与 EXP0 模拟结果间差异时间演变特征 a WY 指数 b LAU 指数 公益性行业（气象）科研专项项目 成果 信息 快递 5 图 3 空气污染潜势风险等级空间分布 （ a） 1086-2005 年 （ b） RCP4.5 情景下 21 世纪中期 （ 2016-2035 年） （ c） RCP4.5 情景下 21 世纪末期 （ 2080-2099 年）