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SPECIAL ISSUE: Extreme Climate in China April 2013 Vol.58 No.12: 14621472 doi: 10.1007/s11434-012-5612-2

CMIP5模式对21世纪末中国极端降雨事件的变化评估

CHEN HuoPo

Nansen-Zhu International Research Centre (NZC), Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China

Received July 1, 2012; accepted September 12, 2012; published online January 11, 2013

未来气候变化及其区域影响的预测对于旨在适应和缓解的国家和区域一级的长期规划至关重要。本研究在RCP4.5和RCP8.5场景的基础上，利用耦合模式进行了5个阶段(CMIP5)循环模式的模拟研究，评估了中国降水的未来变化及相关的大气变化。 结果一致表明中国的年降水量与现在的水平相比将在21世纪末显著增加，中雨，大雨和强降雨的天数和强度明显增加，而中国整个地区的降雨天数预计会减少。进一步分析表明，西北地区年降水量的大幅增加主要是由于小雨的增加，北方和东北地区的增加主要是由于中雨增加所致。 在华南地区，大雨和暴雨的增加对年降水量的增加起着重要作用，而小雨事件则起消极作用。大气环流变化分析表明，处在全球变暖环境下的中国，东亚夏季风环流预计强度将会增大，局地大气层结预计更加不稳定，这些都为降水和极端降水事件的增加提供了有利条件。

CMIP5, 降水，极端降雨，大气环流，预测

Citation: Chen H P.使用CMIP5模型预测21世纪末中国极端降水事件的变化 Chin Sci Bull, 2013, 58: 14621472, doi: 10.1007/s11434-012-5612-2

过去的一个世纪以来，全球变暖的显著上升是由于温室气体聚集的人为因素的增加。这种显著的变暖态势已经对人类社会，生态系统和环境产生了重大影响，而这种变暖可能导致数千人的死亡与严重的经济损失。根据政府间气候变化专门委员会第四次评估报告（IPCC AR4）报告，截至二十一世纪末，由于持续全球变暖的后果，全球气温相对于1980-1999 [1]上升1.1-6.4 °C，人类社会将变得更加难以承受。 由于未来的这些负面影响，政府和公众已经开始在全球变暖背景下更加关注气候变化。

email: chenhuopo@mail.iap.ac.cn

现代全球气候模式模型是确定近期变暖成因和未来气候变化预测的主要工具，能够真实地模拟气候变化的多个方面。中国的研究人员已经采取了很大的努力运用全球气候模式模型来研究模拟未来气候变化， 并且最近取得了一些有价值的研究成果[2– 9 ]。例如，基于16 CMIP3模式模拟的多模式集合平均（MME），Jiang和Fu [10]表明中国与全球温度相比将升高2°C，年平均降水量预计平均增加3.4％-4.4％。Buhe [11]和Luo等人 [12]也表明，由于全球变暖，预计中国的夏季降水量也将显着增加。

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这种变化与东亚季风夏季风加强密切相关[6,13]。与气候相比，极端降水事件对全球气候变化更为敏感。 Jiang 等人[14] 表明与降水有关的事件将变得更加极端，并且这种变化的幅度被扩展到各种情景中。 Chen等人 [15]也发现了类似的结果，他还预测21世纪末，华东地区将经历更强烈和更频繁的暴雨事件。他们还指出，该地区的强降雨事件的概率与热带海洋水汽输送的增加和全球变暖情景下大气分层的不稳定性的增加密切相关。 此外，华南的强降雪事件频率报道减少，而在中国北方的强降雪事件报道频率先上升再下降[ 16 ]。这些变化与区域气候模型（RCM）的模拟结果具有显著的一致性，但高分辨率RCMS[17—21]则提供了更多的局部小尺度信息。Ding[22]与Wang等人[23]对这些结果进行了很好的评估。

这些以前的研究几乎都是基于CMIP3模式模拟的。然而，最近几代模型的模拟结果已经逐渐被公开，并存储在由气候模式诊断和比较计划主持的地球系统空间格网的网站上。这个数据集被称为“CMIP5多模型数据集”（以下简称CMIP5），其中包括IPCC AR5的气候模型输出。与早期阶段相比，CMIP5中的实验设计和模拟情景似乎更为合理。 使用这些模型对主要气候变化进行分析已经开始[24,25]。 但是，中国的降水变化及其相关极端事件尚未通过CMIP5模式进行研究。 因此，本研究的目的是调查未来天气变化和不同强度的降雨事件天数及强度，以及相应的增加年降水量的年降水量增加的问题。 进一步讨论了相关大气环流模式的变化。

数据和方法

与CMIP3中的模式模拟相比，与辐射强迫相关的ReP浓度路径（RCP）在CMIP5中被识别为新的气候情景，它们包括RCP2.6、RCP4.5、RCP6和RCP85。有关这些新方案的更多信息以及实验设计可参见参考资料[26]。在本研究中，我们主要关注21世纪末RCP4.5（中等辐射强迫情景）和RCP8.5（高辐射强迫情景）情景下中国极端降水事件的变化。 在这里，RCP4.5对应于2100年后大约4.5 W/m²辐射强迫的情况，相当于大约650 ppm的 CO₂，这比B1情景中的稍大一些（大约550 ppm ）在IPCC AR4中。 同样，RCP8.5被定义为假设辐射超过8.5 W / m²的情况，这意味着相当的 CO₂超过1370 ppm，并且它大大高于A2情景（860 ppm）[27]。

因此，在这里使用了2006年至2099年期间16种CMIP5模式在RCP4.5和RCP8.5情景下的日降水量输出。 表1给出了这些模式的简要总结。同时，中国国家气候中心发布的1986-2005年的历史模拟和730个台站观测到的每日降水资料也用于评估这些模型的再现性。 此外，为了讨论极端降水变化的有利背景，还分析了其他几个变量，如月水平风，比湿，相对湿度，大气温度，2-m空气温度，可降水含量和海平面压力。请注意，FGOALS-g2模型未在其网站上提供可降水含量变量，因此未包含在对未来大气含水量变化的讨论中。我们选择了1986-2005年的目标时期作为当前的气候，2080-2099年的时期作为未来。 为了便于分析，在本研究中，所有模拟都是双线性插值到纬度2°和经度2°的共同网格。

本研究采用多模式集合（MME）方法来努力降低内部变率和模型间差异的不确定性。我们只采用简单的多重模型均值，而不考虑模型权重。这种方法已被广泛应用于未来的气候预测[1]。一些研究进一步表明，在现今东亚地区气候模拟的情况下，MME的表现预计将超越个别模式[28,29] 。同时，对降水气候学观测的模式重现性进行了评估，结果表明，所有模型在模拟目标周期内的空间格局（图未显示）方面都有很好的表现。空间相关系数与观测值的范围是0.34-0.85（中国的256个网格）。此外，MME结果在各个模型之前被报告，并且其空间相关性高达0.77，这进一步支持在该研究中使用MME方法。

为了研究不同强度降水事件变化对年降水量变化的贡献，将降雨事件分为五类：微雨(0.1–1.0 mm/d) ，小雨(1.0–10 mm/d) ，中雨(10–25 mm/d) ，大雨(25–50 mm/d) 和暴雨(gt;50 mm/d) 。

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Table 1 从1986—2005周期到2080—2099周期的中国年平均降水量百分比变化 (P), 下雨天数 (Days), 强度 (I), 和在RCP4.5方案下地表气温绝对变化 (T_as)