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张宏芳气象科学21个气候模式对东亚夏季环流模拟的评估气候态
气象科学第31卷第2期Vo.l31,No.2JournaloftheMeteorologicalSciences2011年4月Apri,l2011张宏芳,陈海山.21个气候模式对东亚夏季环流模拟的评估I:
气候态.气象科学,2011,31
(2):
119-128.ZHANGHongfang,CHENHaishan.EvaluationofsummercirculationsimulationoverEastAsiaby21climatemodels.PartI:
Clima-tology.JournaloftheMeteorologicalSciences,2011,31
(2):
119-128.21个气候模式对东亚夏季环流模拟的评估I:
气候态陈海山1,21张宏芳(1南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室,南京210044;2安康市气象局,陕西安康725000)摘要利用欧洲中期天气预报中心的40a再分析资料(ERA40),评估了参与政府间气候变化专门委员会第四次评估报告(IPCCAR4)的21个全球海气耦合模式对东亚地区夏季大气环流气候态的模拟能力。
结果表明:
(1)尽管各模式模拟性能差异较大,但模式对东亚地区海平面气压场(SLP)、850hPa风场及500hPa位势高度场的气候态均有较好模拟;整体来说,500hPa位势高度场模拟效果最好,SLP场模拟相对较差;
(2)SLP在高原上模拟存在明显不足;多数模式能较好模拟850hPa纬向、经向风场的基本特征;500hPa位势高度场各模式模拟偏差一致性的区域性差异不明显;(3)模式对东亚地区夏季两大环流系统模拟整体偏弱,西太平洋副热带高压模拟明显偏弱。
关键词气候模式;大气环流;模式评估分类号P435.2文献标识码AEvaluationofsummercirculationsimulationoverEastAsiaby21climatemodels.PartÑ:
Climatology1,21CHENHaishanZHANGHongfang(1KeyLaboratoryofMeteorologicalDisasterofMinistryofEducation,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China;2AnkangMeteorologyBureau,ShaanxiAnkang725000,China)AbstractBasedonEuropeanCenterforMediumrangeWeatherForecasting(ECMWF)40arean-alysisdata(ERA40),thecapabilitiesof21CoupledOcean-AtmosphereGeneralCirculationModels(CGCMs)fromIntergovernmentalPanelonClimateChange(IPCC)FourthAssessmentReport(AR4)tosimulatetheclimatologyofsummeratmosphericgeneralcirculationsinEastAsiahavebeenevaluated.Resultsshowtha:
t
(1)Despitelargedifferencesamong21models,thebasicspatialpatternsofthecl-imatologyofSLP,U,Vwindand500hPageopotentialheightarewellsimulated.Onthewhole,thesim-ulationof500hPapotentialheightisthebes,tbutthesimulationofSLPisrelativelypoor;
(2)Thesim-ulatedSLPexhibitsevidentdeficiency.Mostofmodelscansimulate850hPaU,Vwindverywel,lontheaverage,thecorrelationcoefficientofUwithERA40isbetterthanthatofV.Therearenoobviousdifferencesinthesimulated500hPageopotentialheigh;t(3)Onthewhole,thesimulatedclimatologyofthemaincirculationsystemsisweakerthanERA40,andthesimulatedwesternPacificsubtropicalhighissystematicallyweakerthantheobservation.KeywordsClimatemodels;Atmosphericgeneralcirculation;Modelevaluation收稿日期(Received):
2010-11-06;修改稿日期(Revised):
2010-12-09基金项目:
国家自然科学基金项目(41075082);江苏省/333高层次人才培养工程0资助项目通讯作者(Correspondingauthor):
陈海山(CHENHaishan).haishan@
120气象科学31卷模式不能较好地模拟出降水的空间分布特征。
这些引言研究对气候模式在中国乃至东亚气温、降水等部分气候要素的模拟能力进行了较好评估,但对东亚的自IPCC第三次评估报告以来,全球气候系统环流系统及其一些重要要素,诸如风场等评估较少。
模式得到了迅速发展,IPCC第四次评估报告(the本文利用21个气候模式的模拟结果及欧洲中心FourthAssessmentReportoftheIntergovernmentalERA40再分析资料评估模式对东亚夏季大气环流PanelonClimateChange,简称IPCCAR4)集中了气候态的模拟能力。
23个复杂全球气候系统模式9种不同排放情景下的预估结果,引起了各国学者对有关最新全球模式1资料和方法说明[1-3]的模拟和预估能力的关注。
111资料利用全球模式开展未来气候的情景预估,首先必须评估模式对现代气候的模拟能力。
模式的观测资料主要采用1960)1999年ECMWF模拟性能主要表现为两个方面:
一是气候态,二是(EuropeanCentreforMedium-rangeWeatherFore-气候变率。
对气候态的模拟在一定程度上表征了casts)月平均再分析资料(215b@215b),用于评估模式在一定时间尺度下对气候背景的刻画能力,IPCCAR4气候模式对气候态的模拟能力,文中模式模拟与观测场的气候态计算方法均为1960)1999而合理的模拟出年际变率才能利用模式对未来气[4-6]年要素在相应格点上的多年夏季平均值。
候进行有效的预估。
气候态的评估是检验模模式资料来自于https:
//esgcet1llnl1gov:
8443/式模拟能力的基础和重要参考依据,在很大程度[6]index1jsp,为参与IPCCAR4的21个气候模式对20上也代表模式模拟效果的优劣,故本文作为评世纪气候模拟试验的结果。
模式的基本信息如表1估模式对东亚夏季环流系统模拟性能的第一部所示,关于IPCCAR4气候模式的有关信息可参考分,重点考察模式对东亚夏季环流系统气候态的http:
//www-pcmdi1IInI1gov/ipcc/about1ipcc1php。
模拟能力,而有关模式对年际变化的评估将在文为比较方便,所有模式结果均被线性插值到215b@章的第二部分给出。
215b分辨率的格点上。
在模拟平均气候态的能力上,许多科学家对全112方法[7]球模式模拟结果进行了分析,例如周波涛等评估[17]泰勒图方法了Giss海气耦合模式对亚洲地区基本气候态的模能够将多模式的相关信息集中[8]拟能力;Zhang等讨论了IAP/LASG4个版本全球表示,模式序列与ERA40的相关系数可以表示模海-陆-气耦合模式对纬向平均大气气候态的模拟能式对主要中心位置的描述能力,均方根误差表征[9-10]模拟型态与ERA40的相似性(均方根误差越接近力。
赵宗慈等评估全球环流模式在中国区域模0表示模拟能力越高),相对ERA40序列的标准差拟效果,认为模式对气温的模拟效果最佳,对降水总则表示模式对中心振幅的模拟能力,将3个变量体分布特征的模拟尚可,但模拟的数值相差甚大。
[11-13]显示在一张图中(Taylor图)可以全面清楚的反映高学杰等的研究表明,全球环流模式对中国多个模式的模拟能力。
文中使用泰勒图方法对模区域降水具有一定的模拟能力,但经常会在中国中[14]式模拟结果与观测场的相关、标准差、均方根误差西部出现大的虚假降水中心;许崇海等利用22进行评估。
模式相对于观测之间的标准差和均方个海气耦合模式的模拟结果,分析模式对东亚地区根误差分别由以下公式计算:
每个模式相对观测[15]当前气候的模拟能力;Zhou等对IPCC第四次评N估报告(IPCCAR4)20个耦合模式在全球和中国地1E2的标准差R=R/R,R=(X-X?
?
),nobsnn[16]N区的温度模拟效果做了详细的评估;刘敏等利用n=1N13个新一代全球气候系统模式及多模式集合对中1E2R=(X-X?
?
),R表示每个模式的obsnnobsobs国近40a(1961)2000年)地面气温和降水的模拟Nn=1能力进行评估,结果均表明:
对于平均气候态,多数标准差,R表示观测值的标准差。
均方根误差obs模式模拟温度的效果比较好,降水模拟较差,大多数N1E2E=(X-X),X、X分别表示模RMSnnobsnnobs模式的温度场空间相关系数在0195以上,各个模式Nn=1能较好地模拟出温度场的空间分布特征但多数模式式和观测气候态的每个格点的数据,N为东亚地模拟温度偏低;模拟降水的效果存在较大差异,部分区的格点数。
2期张宏芳,等:
21个气候模式对东亚夏季环流模拟的评估I:
气候态121表1本文使用的21个气候模式的基本信息Table1Theinformationof21climatemodelsusedincurrentstudy序号模式名字模式所在的中心、国家精度(经距@纬距)1BCCR_BCM210BjerknesCentreforClimateResearch,Norway218b@218b2CGCM311(T47)CanadianCentreforClimateModelling&Analysis,Canada3175b@3175b3CGCM311(T63)CanadianCentreforClimateModelling&Analysis,Canada218@2184CNRM-CM3Mto-France/CentreNationaldeRecherchesMtorologiques,France218@2185CSIRO-MK310CSIROAtmosphericResearch,Australia1188@11886CSIRO_MK3_5CSIROAtmosphericResearch,Australia1188@11887GFDL_CM2_0USDept1ofCommerce/NOAA/GeophysicalFluidDynamicsLaboratory,UnitedStates215@2108GFDL_CM2_1USDept1ofCommerce/NOAA/GeophysicalFluidDynamicsLaboratory,UnitedStates215@2109GISS_AOMASA/GoddardInstituteforSpaceStudies,UnitedStates4@310GISS-EHNASA/GoddardInstituteforSpaceStudies,UnitedStates5@411FGOALS-g110LASG/InstituteofAtmosphericPhysics,China218@21812INM-CM310InstituteforNumericalMathematics,Russia218@21813IPSL-CM4InstitutPierreSimonLaplace,France3175@215CenterforClimateSystemResearch(TheUniversityofTokyo),NationalInstituteforEn-14MIROC312(hires)11125@1112vironmentalStudies,andFrontierResearchCenterforGlobalChange(JAMSTEC),JapanCenterforClimateSystemResearch(TheUniversityofTokyo),NationalInstituteforEn-15MIROC312(medres)218@218vironmentalStudies,andFrontierResearchCenterforGlobalChange(JAMSTEC),JapanMaxPlanckInstituteforMeteorology,Germany16ECHAM5/MPI-OM1188@1188MeteorologicalResearchInstitute,Janpan17MRI-CGCM21312218@218NationalCenterforAtmosphericResearch,UnitedStates18CCSM3114@114NationalCenterforAtmosphericResearch,UnitedStates19PCM218@218HadleyCentreforClimatePredictionandResearch/MetOffice,UnitedKingdom20UKMO-HadCM31125b@1125bHadleyCentreforClimatePredictionandResearch/MetOffice,UnitedKingdom21UKMO1HadGEM111875b@1125b有模式的大值中心都出现在青藏高原上,但各模式2模式对东亚夏季大气环流气候态的又有差异,除去青藏高原以外的其它地区差值都在模拟评估10hPa以内,有13个模式在青藏高原上出现了负值211海平面气压的模拟能力评估中心,8个模式出现了正值中心,这表明受青藏高原特殊地形影响,模式对青藏高原区域的SLP场模拟海平面气压场的形势不仅能很好反映近地面层能力较差。
8个正值中心只有IPSL-CM4、CNRM-大气环流的特征,而且海平面气压场(SLP)的变化CM3两个模式在青藏高原表现明显,其余6个模式与近表面风场存在密切联系,进而可引起海面温度与ERA40气候态差值均在10hPa以内;海洋上,模(SST)以及海洋上层的温度和热含量变化,海平面气压异常对海洋气候变化起着重要作用,因此,模式式PCM、GISS-EH出现明显的负值区,CCSM3出现能否正确模拟海平面气压场的基本分布形态非常重明显的正值区,其余模式与ERA40气候态均有较好要。
图1为21个模式模拟的海平面气压的40a气的一致性。
候态与ERA40气候态的差值图,从图中可以看出,图2给出了21个模式模拟的各要素气候态和模式模拟的海平面气压场气候态的差异很大,正的ERA40的泰勒图,图中参考点为ERA40,其自相关、最大差值为模式IPSL-CM4,数值为41194hPa,负的标准差为1,均方根误差为0。
各个模式到原点的半最大差值为模式GISS-EH,数值为-40151hPa。
所径代表1960)1999年夏季各要素气候态相对于
122气象科学31卷图121个模式与ERA40夏季海平面气压气候态的差值图(阴影区表示差值的绝对值大于10hPa的区域,单位:
hPa)(模式排序如表1)Fig.1DifferenceofJJAmeansealevelpressurebetween21models(seeTable1)andERA40during1960)2000(Shadedareaindicatestheabsolutevaluelargerthan10,unit:
hPa)ERA40的标准差;模式在图中方位角的余弦代表模基本在1~115之间,模式均方根误差也有相似的表式场与ERA40的空间相关系数;模式到参考点的距现;相关系数最小的模式为IPSL-CM4,其均方根误离代表其均方根误差。
与图2对应,表2为各要素差也较大,超过了110,相关系数较大的模式GFDL_气候态和ERA40空间相关系数和相对标准差。
从CM2_0为0192,BCCR_BCM210达0191,其均方根图2a和表2对应的泰勒图补充说明可以看出,模式误差在015以内,结合差值图图1分析,这两个模式与ERA40夏季气候态在东亚地区具有较高的相关的差值也较小,表明BCCR_BCM210、GFDL_CM2_0系数,IPSL-CM4模式相关系数最小为0164,表明模模式模拟海平面气压气候态的效果较好。
式对海平面气压的气候态的整体模拟能力较强;就另外,分析结果还表明,尽管不同模式对东亚地相对标准差来看,模拟的气候态标准差比ERA40均区SLP模拟性能表现不同,但总体来讲,模式对SLP偏大,GISS_EH标准差达到1166,其余模式标准差的模拟达到较高的相关,GISS-EH模拟的SLP气候
2期张宏芳,等:
21个气候模式对东亚夏季环流模拟的评估I:
气候态123图2(a)SLP、(b)850hPa纬向场、(c)850hPa经向风场、(d)500hPa高度场4个要素气候态与ERA40的泰勒图(图中参考点为ERA40。
各个模式到原点的半径距离代表其相对于ERA40的标准差;模式在图中方位角的余弦代表模式场与ERA40的相关系数;模式到参考点的距离代表其均方根误差。
数字为模式序号,如表1)Fig.2Taylordiagramofclimatologysimulatedby21modelscomparedtoERA40(a)SLP,(b)zonalwindat850hPa,(c)meridionalwindat850hPa,(d)geopotentialheightat500hPa(ThereferencepointistheERA40data1TheradialdistanceofmodelcodepointfromtheoriginisproportionaltothestandarddeviationofthemodeledclimatologyrelativetotheERA40.ThecorrelationcoefficientbetweenthemodelpspatternandtheERApspatternisshownbythecosineoftheazimuthalangleofmodelcodepoint,andtheirrootmeansquaredifferenceisgivenbythedistanceofmodelcodepointfromthereferencepoint.Thenumbersdenotemodelsorderoftable1)态普遍偏低,CNRM-CM3普遍偏高,海洋上模拟性UKMO-HadCM3、MIROC312(medres)5个模式表现为西南风异常和反气旋异常,显示了这5个模式模能优于大陆,除青藏高原以外区域,大多数模式对SLP场的气候态均得到较好的模拟。
有关图2和表拟的环流偏强。
2其它各要素场的分析分别在以后各节中详述。
图2b、c的泰勒图分别从空间相关系数、标准差、均方根误差3个方面反映了各模式的模拟能力。
212850hPa风场的模拟能力评估850hPa纬向风、经向风场相关系数均在0173以上,风是气候状态的基本特征之一,它既受到气压均方根误差也都在110以内,这反映了模式对风场场和温度场的制约,又会影响气压场和温度场,而且有较好的模拟能力;模式的标准差在018~1124之在气候系统中有重要的动力作用。
东亚夏季间,这显示部分模式模拟偏大,在图3差值图上表现850hPa平均风场,最主要表现为强的西南季风环流为西南风和反气旋异常,部分模拟偏小,在图3表现和西北太平洋上强大的反气旋环流,从各模式模拟为偏北风和气旋性异常。
就平均比较来看,模式模的气候态图(图略)上发现,除了PCM模拟的西北拟的纬向风场的相关系数好于经向风场,但经向风太平洋的反气旋环流稍有偏差外,各模拟结果的分场分布比纬向风场集中,均方根误差均在0175以布形势均与实况较为相似。
图3给出了各模式与内,较纬向风场误差更小。
ERA40风场气候态的差值图,多数模式的差值表现213500hPa高度场模拟能力评估为东亚东北风异常和西北太平洋上弱的气旋性环流异常,这说明多数模式模拟的风场数值偏低。
只有图4给出了各模式模拟的夏季500hPa高度场GFDL_CM2_0、FGOALS-g110、MIROC312(hires)、与ERA40的差值图,图中阴影区为差值绝对值高于
124气象科学31卷表221个模式模拟的各要素气候态与ERA40的空间相关系数和标准差Table2Thespatialcorrelationcoefficientsandstandarddeviationsofclimatologybetween21modelsandERA40海平面气压850hPa纬向风850hPa经向风500hPa高度场序列号模式名称空间相关系数标准差空间相关系数标准差空间相关系数标准差空间相关系数标准差01941107018801870198018011131BCCR_BCM210019101941122018911160199112911342CGCM311(T47)018301941124019011160199113111303CGCM311(T63)018301901106018201880198017911124CNRM-CM3018601880198018701870199019311215CSIRO-MK310018601911102018701930199019811176CSIRO_MK3_5018801951106019301920199112711127GFDL_CM2_0019201951107019411000199110611198GFDL_CM2_1018901870189018201910199111611169GISS_AOM0184017311060178110001821100116610GISS_EH0170017711040174019801990198111211FGOALS-g1100182018101950176018001980194112912INM-CM3100178018901860183018001961114112113IPSL-CM40164019211160193111901990192111914MIROC312(hires)0188019211190190111901990193112715MIROC312(medres)0187019111040194110101991112110916ECHAM5/MPI-OM0185018711010185110601980198110617MRI-CGCM213120183018711110188********1120111518CCSM30181017211210178110901971113112919PCM0171019411160189110401981106114520UKMO-HadCM30183019411140190110001
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