过去千年是连接当前全球变暖和历史气候变化的重要时段,研究其气候的变率和机理对人们认识未来全球变暖背景下气候系统的发展趋势具有重要意义。厘清太阳活动、火山活动等自然强迫的气候效应有助于更好区分自然和人为因素对气候变化的相对贡献。季风与干旱的耦合是亚洲大陆最典型的地理气候特征,评估辐射强迫对季风湿润气候和西风干旱气候变化的影响一方面促进人们对年代际尺度气候动力机制的认识,另一方面也为检验数值模式对亚洲气候的模拟能力提供参考。

动力降尺度(dynamical
downscaling)是获取区域尺度气候变化信息的重要途径。为推动“国际耦合模式比较计划”的气候预估产品更好地服务于气候变化影响、适应和脆弱性评估以及政府决策,世界气候研究计划专门成立了“区域气候降尺度”特别工作组,发起了“国际区域气候降尺度试验”计划。CORDEX
计划制定了模式评估和气候预估的框架,旨在基于CMIP5 和CMIP6
全球模式的多模式、多情景预估结果,利用区域气候模式,通过降尺度方法获得针对全球不同地区的高分辨率区域气候变化信息。

中科院地球环境所石正国博士等,利用古气候模式比较计划PMIP3提供的七个海气耦合模式的过去千年(LM,
850-1850AD)试验输出,系统评估了印度-东亚湿润区和中亚内陆干旱区降水、季风-西风环流的多年代际-百年尺度变率对太阳和火山活动引起的辐射强迫的响应以及模式间差异。结果显示,所有模式都较好的模拟出中世纪暖期和小冰期的显著温度差异。受控于温差,模式对大气环流的模拟也呈现较好的一致性,大多数模式都一致模拟出中世纪暖期相较于小冰期来说拥有更强的印度和东亚夏季风环流和更强的亚洲冬季西风急流。但对降水的多年代际变化来说,情况非常复杂,不同模式显示了极大的位相差异,尤其是常规认为的偏冷阶段降水较少现象并未出现,仅有极少数模式能模拟出同太阳活动周期相联系的准百年震荡。由此可以推论,或者现有气候模式极大低估了降水对太阳活动和火山活动等自然强迫的响应,或者这些自然强迫对亚洲降水的影响较为有限,气候系统内部海气模态才是过去千年降水的主控因素。

如图1所示,CORDEX东亚区域(简称CORDEX-EA)既包括东亚大陆,也包括西北太平洋和热带东印度洋部分海域,但是,国际和国内此前针对CORDEX-EA区域的动力降尺度试验多是基于单独的区域气候模式RCM的,多未考虑局地的海气相互作用过程。最近,中国科学院大气物理研究所副研究员邹立维等将发展的区域海气耦合模式FROALS应用于CORDEX-EA计划,利用该所全球气候系统模式FGOALS-g2的历史气候模拟试验和RCP4.5/8.5情景下的气候预估结果,分别驱动区域海气耦合模式FROALS和对应的非耦合的区域气候模式,得到了东亚区域50km分辨率的气候变化信息。基于上述试验的研究表明:

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首先,区域海气耦合模式FROALS对亚洲夏季风平均态、年循环、季节内变率、年际变率和极端事件都有较强的模拟能力,其对大尺度季风环流的模拟性能接近CMIP5多模式集合平均结果,对区域尺度气候特征的模拟有明显“增值”(Zou
and Zhou 2016a)。

图1:七个耦合模式模拟的过去千年东亚季风降水变化及周期

第二,在全球模式FGOALS-g2模拟结果的驱动下,非耦合区域气候模式模拟的中国东部地区低层南风偏弱、季风雨带偏南,区域海气耦合模式FROALS显著改进了这些模拟偏差,其模拟的长江流域夏季降水较之非耦合模式和全球模式更为接近观测。因此,针对CORDEX-EA的动力降尺度研究需要采用海气耦合模式(Zou
et al. 2016)。

Shi et al. , Sensitivity of Asian climate change to radiative forcing
during the last millennium in a multi-model analysis. Global and
Planetary Change, 139: 195-210

第三,在对未来气候变化的动力降尺度预估中,非耦合区域气候模式对近海海表面温度增温的响应过强,表现为中国南海北部的低层气旋性环流异常。而区域海气耦合模式FROALS预估的东亚夏季风环流变化与全球模式较为一致,伴随东亚夏季风的增强,长江以北降水将增加而江南华南一带降水将减少。这一结果回答了为何非耦合的RCM所预估的东亚季风及其降水变化常与全球模式不同的问题(Zou
and Zhou 2016b)。

综上所述,系列研究成果表明,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。

皇家88平台注册,上述研究成果,将于2016年分三篇文章刊登在Climate DynamicsJournal of
Geophysical Research-Atmosphere
杂志。

Zou, L., T. Zhou, 2016a: A regional ocean-atmosphere coupled model
developed for CORDEX East Asia: assessment of Asian summer monsoon
simulation. Clim. Dyn.
, doi:10.1007/s00382-016-3032-8.

Zou, L., T. Zhou, and D. Peng, 2016: Dynamical downscaling of
historical climate over CORDEX East Asia domain: A comparison of
regional ocean-atmosphere coupled model to stand-alone RCM simulations.
J. Geophys. Res. Atmos.
, 121, 1442-1458, doi: 10.1002/2015JD023912.

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