基于CMIP5模式的东亚夏季降水模拟评估及模拟偏差的订正研究

摘要

本文依据美国国家环境预报/大气研究中心再分析资料和全球降水气候计划降水数据，检验了国际耦合模式比较计划第五阶段中34个模式对850hPa位势高度场、200hPa纬向风和东亚夏季降水的气候态和年际变率的模拟能力。在典型浓度路径(RCP)4.5和8.5情景下，预估了21世纪末东亚夏季降水、西太平洋副热带高压和西风急流的变化;分析了未来西太平洋副热带高压和西风急流与东亚夏季降水的相关关系。最后，评估了基于主成分分析的误差订正方法对东亚夏季降水的改进效果;在模式数据订正的基础上，开展对东亚夏季降水的气候态和年际变率的预估研究。全文的主要结论总结如下: 模式可以较好地模拟850hPa位势高度场和200hPa纬向风的空间分布形态，也可较好再现位势高度场和纬向风在西北太平洋年际变率较大的特征，但多模式集合高估了位势高度场和纬向风的年际变率，尤其是年际变率较大的西北太平洋地区。模式较好地模拟了西南-东北向分布的东亚夏季降水雨带，但是相较于观测的结果，模拟的东亚夏季降水雨带位置偏南、降水强度偏弱;模式高估了热带太平洋地区的年际变率，而低估了东亚地区的年际变率。再分析资料较好地揭示了西太平洋副热带高压和西风急流与夏季降水在长江流域至日本海地区存在很好的正相关，而在西太平洋地区为显著的负相关;多模式集合可以较好地再现西太平洋副热带高压与西风急流和夏季降水的相关关系，但模拟相关性减弱。 为降低模式对东亚夏季降水模拟的不确定性，本文首先评估了模式对东亚历史夏季降水的模拟能力，然后检验模式对环流因子和夏季降水相关关系的模拟能力，将两者集合作为联合评估指标可为选择模式进行预估研究提供依据。利用模式对东亚夏季历史降水的模拟能力单独作为评估指标，不能有效降低模式对东亚夏季未来降水模拟的不确定性。但是，利用联合评估指标选取模式进行多模式集合，可以有效区分模式对历史降水的模拟能力，而且可以降低降水变化预估的不确定性。 RCP4.5情景下，21世纪末850hPa位势高度场年际变率大值区位于北太平洋地区，东亚和西北太平洋地区的位势高度场年际变率明显增强;RCP8.5情景下位势高度场年际变率的增幅明显高于RCP4.5情景下的变化，表明在增暖背景下，东亚和西北太平洋的位势高度场将经历更强的年际变率。RCP4.5情景下纬向风年际变率较大的区域在40°N左右，向两则逐渐减小。但是，RCP8.5情景下纬向风年际变率并未明显高于RCP4.5情景的结果;东亚高空急流年际变率的增强主要体现为高空急流南北偏移的特征加强。RCP4.5和RCP8.5情景下，大部分模式预估东亚夏季雨带和西太平洋两个地区降水变率增大。在21世纪末，东亚夏季雨带和西太平洋地区经历更强的降水变率，表明降水变率大的这些区域未来的降水变率更强，遭遇干旱和洪涝灾害的风险加大。 由于东亚夏季降水的模拟存在一定的偏差，引进基于主成分分析的误差订正方法，可以有效地改进东亚夏季降水的模拟偏差。订正后的2006-2016年东亚夏季降水更加接近观测结果，模拟精度提高了3.0％～9.5％。RCP4.5和RCP8.5情景下，订正后的东亚夏季降水以年际变率特征为主，线性变化趋势分别为-0.012 mm·d-1·10a-1和-0.025 mm·d-1·10a-1;模式订正后明显减弱了东亚夏季降水的变化趋势。不同模式组合对东亚夏季降水年际变率空间分布的模拟存在较好的一致性，东亚夏季降水雨带和西太平洋的年际变率较大，订正后大部分地区降水年际变率增大。两种情景下，订正后东亚夏季降水的年际变率分别提高了21.2％和19.4％，表明东亚地区遭遇干旱和洪涝的频率迸一步加大。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1引言

1．2东亚夏季降水变化及影响机理的研究进展

1．3东亚夏季降水和环流因子模拟的研究进展

1．4模式模拟偏差订正的研究进展

1．5待解决的关键科学问题

1．6具体章节安排

第二章资料和方法

2．1资料介绍

2．1．1再分析资料

2．1．2 CMIP5模式简介

2．2方法介绍

第三章大气环流气候态和年际变率的模拟评估

3．1气候态的模拟评估

3．1．1 850hPa高度场

3．1．2 200hPa纬向风

3．2年际变率的模拟评估

3．2．1 850hPa高度场

3．2．2 200hPa纬向风

3．3东亚大气环流指数评估

3．3．1气候态

3．3．2年际变率

3．4本章小结

第四章东亚夏季降水与大气环流相关关系的模拟评估

4．1再分析资料中东亚夏季降水与大气环流的关系

4．2东亚夏季降水的模拟

4．3东亚夏季降水与大气环流的相关关系模拟评估

4．4本章小结

第五章东亚夏季降水及大气环流气候态的预估

5．1东亚夏季降水的预估

5．2西太平洋副热带高压的预估

5．3西风急流的预估

5．4本章小结

第六章东亚夏季降水与大气环流年际变率及相关关系的预估研究

6．1年际变率的预估

6．1．1东亚夏季降水

6．1．2西太平洋副热带高压

6．1．3西风急流

6．2相关关系的预估

6．3本章小结

第七章东亚夏季降水模拟偏差的订正及预估研究

7．1模拟订正方法的适用性评估

7．2东亚夏季降水的预估研究

7．3本章小结

第八章总结与讨论

8．1全文总结

8．2讨论与展望

8．3特色及创新点

参考文献

个人简历

致谢