CMIP6模式对淮河中上游流域气候要素模拟效果的评估研究.pdf
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1、 :第 卷 第 期 人民珠江 年 月 基金项目:江苏省高等学校自然科学研究项目();江苏省自然科学基金项目()收稿日期:作者简介:吴琛(),女,硕士研究生,主要从事水利规划与管理方面的研究。:通信作者:王景才(),男,博士,讲师,主要从事水文学基础理论与水资源安全及规划利用方面的研究。:吴琛,王景才,邵俊博,等 模式对淮河中上游流域气候要素模拟效果的评估研究 人民珠江,():模式对淮河中上游流域气候要素模拟效果的评估研究吴琛,王景才,邵俊博,李翔宇,王雯越(扬州大学水利科学与工程学院,江苏扬州 ;河海大学计算机与信息学院,江苏南京 )摘要:全球气候模式()是大尺度模拟预测未来气候变化的主要手段
2、,但其模式数据的模拟质量以及在不同研究区域的适用性有待评估。以 年淮河中上游流域 个气象站点实测数据为基准,利用等距离累积分布函数法、均值()、离散系数()、皮尔逊相关系数()、标准差()以及均方根误差()等 个精度指标对 个 全球气候模式模拟气候数据进行系统性评估,得出以下结论:对偏差校正后的 个 模式的模拟数据初步筛选出对降水数据模拟的排名前二的气候模式有 、;对气温数据模拟排名前五的气候模式有 、;从年内变化趋势和空间分布 个方面对优选的 模式的历史时期数据和实测历史气候数据进行评估,验证优选出适合淮河中上游流域的 模式;从大气环流因子对气候的影响进行分析,与淮河中上游流域的气候数据相关
3、性较好,模式与大气环流数据的相关性与实际情况也接近。综合评价显示最能模拟淮河中上游流域的模式是 、。对模拟淮河中上游流域的 模式数据的系统性评估,为研究合理选择和使用 数据集对流域未来情景下的气候变化要素研究提供理论和技术参考。关键词:;气候要素;适用性评估;淮河中上游流域中图分类号:;文献标识码:文章编号:()牞 牞 牞 牞 牗 牞 牞 牞 牷 牞 牞 牞 牘 牶 牗 牘 牞 牞 牞 牞 牗 牘 牞 牗 牘 牞 牗 牘 牞 牗 牘 牞 牶 牞 牞 人民珠江 年第 期 牷 牞 牷 牞 牞 牶 牷 牷 牷 在全球气候变化背景下,陆地水循环将受到一定程度的改变,这种改变将导致全球不同尺度水资源的重
4、新分配,全球水资源时空格局的改变再加上人类不合理的水土资源开发活动,将影响生态环境和人类社会经济的发展 。一直以来,众多学者把气候系统模式作为进行气候系统变化机理和预估气候系统未来变化的重要工具 ,已经成为当代气候研究中不可或缺的一部分 。国际耦合模式比较计划(,)的模式结果直接支撑着政府间气候变化专门委员会()评估报告的撰写 ,对古气候的研究、未来气候变化的预估、政府决策的制定、政府间协议的签署等有重要意义 。由 至 ,有众多学者利用 模式结果对其相关领域进行充分研究。但是由于中国地处东亚季风区,气候成因复杂,且受到青藏高原大地形以及复杂下垫面的影响,全球气候模式对中国气候降水特征的模拟能力
5、仍有不足 。从 年开始,第 次耦合模式比较计划()的模拟数据至今已基本提交完毕,相较于前代 ,的主要特点是采用了 种新的、更具联合特色的组织结构,它将许多试验,包括许多单独设计的模式比较计划纳入联合活动,以此来满足气候学界日益广泛的科学需要 。历史试验作为 的准入门槛之一 ,可以用来评价模式再现不同时间尺度气候要素的能力,同时也决定了不同强迫敏感性试验的结果 ,所以对历史试验的评估相较于其他试验的评估有重要意义。自 世纪 年代以来,由气温持续上升和极端降水等引起的旱涝灾害造成了严重的社会经济损失,甚至危及人类生存 。在应对气候极端性增强、生态环境恶化、自然灾害频发等环境问题时,量化气候变化影响
6、因子和预估未来气候变化具有重要的现实意义。基于气候耦合模型对比项目的快速发展 ,众多学者利用全球气候模式 ()探究未来不同排放情景下的气候变化与生态环境的耦合关系,指出新一代气候模式在评估未来气温、降水上均有了重大研究进展。向竣文等 利用 模式评估了中国主要地区极端降水的时空变化特征,得出中国地区升温趋势和极端降水随着时间增加趋势显著;何旭等 通过个 模式研究得出未来长江流域气温降水与径流均呈上升趋势,低碳排放情景下的洪涝灾害相对较少;等 通过 模式评估了中国北方部分地区冬季在未来将经历更多更为集中的强降雪事件;陈泽霞等 基于 多模式研究黑河干流山区 个气象站点资料得出在年尺度上未来降水和气温
7、随时间变化均呈上升趋势,增幅随辐射强迫增加而愈加显著。因此,中国地区的气温降水变化具有明显的区域性差异,模式能否准确模拟中国气温降水的时空变化特征是值得探讨的科学问题 。淮河南北地理环境差异较大,为更好地评估最新的 的结果在淮河中上游流域的降水和气温模拟能力,将对全球气候模式 中的 个气候模式与实际历史气候数据进行精度指标的综合计算,其结果用于检验模式对历史的气温、降水的模拟能力,再通过分析优选模式模拟和实测淮河中上人民珠江 年第 期游流域在历史时期的气温与降水的月、年时空变化,研究结果为研究合理选择和使用 数据集对流域未来情景下的气候变化要素研究提供理论和技术参考。数据和方法 数据各模式数据
8、均可在第六次耦合模式比较计划(:)获得,数据集是 年的历史时期()的数据,初始条件为“”,模式信息具体介绍见表 。地面站点气象数据来源于中国气象数据网(:),包含 个站点 年逐日气象数据,站点位置区域见图 。表 个全球气候模式()简介序号模式名称国家和机构大气模式分辨率()()澳大利亚 澳大利亚 德国 德国 中国 中国 加拿大 中国 意大利 中国 中国 美国 美国 美国 德国 德国 德国 中国 韩国 图 流域位置及地面气象站点分布 研究方法由于各模式的空间分辨率不一致,为了便于评估和分析,采用双线性插值法将所有模式输出数据统一插值到 的空间分辨率上,以保证各模式权重和分辨率一致。双线性插值是有
9、 个变量的插值函数线性插值的扩展,其核心思想是在 个方向上分别进行线性插值。基于 对 数据进行双线性插值,从而获得与实测数据分辨率一致的数据。考虑到历史和未来时期中降水、气温人民珠江 年第 期的累积分布函数不同,分别构建气候要素观测值、基准期和未来时期模拟值的累积分布函数。对于降水的偏差校正采用式(),对于气温的修正则采用式():,()()(),()()()式中 观 测 数 据 的 累 积 分 布 函 数;模拟历史时期的累积分布函数;未来时期气候模式数据的累积分布函数;气候模式未来时期的降水或气温值;,偏差校正后的 。统计降尺度模型的模拟结果需要通过精度检验来判断模型的可靠性。本研究涉及到的参
10、数有均值()、离散系数(,)、皮尔逊 相 关 系 数(,)、标准化标准差(,)以及均方根误差(,)等 个精度检验指标对统计降尺度的模拟结果进行精度检验。各精度检验指标的计算见式()()。:均值,计算见式()。模拟值均值与实测值均值的差异反映了总体模拟效果。():标准差,定义是总体各单位标准值与其平均数离差平方的算术平均数的平方根,见式()。标准差能反映一个数据集的离散程度。()槡():标准差与平均值之比,可以消除均值大小的影响,反映离散程度。一般来说,离散系数越小,说明平均指标的代表性越好;离散系数越大,平均指标的代表性越差。其计算见式():():用于度量个变量 和 之间的相关(线性相关),其
11、值介于 与 之间,见式()。()槡()槡():用来衡量观测值同真值之间的偏差,见式();是真实值与预测值的插值的平方然后求和平均,见式()。()()槡 ()槡()式中 各个样本的真实值。结果与分析 模式模拟性能初步评估利用 模式进行未来预估前,首先需要利用不同的精度指标检验其对淮河中上游流域在历史时期的模拟能力。通过计算 个全球气候模式的气候数据与实际观测数据的对比精度指标,可以计算分析得出表 的结果。通过对比分析实际观测数据与 个全球气候模式的模拟气候均值,在降水数据列中,除模式 的降水均值 与实际降水均值相差较大外,其余 个模式降水均值都较为接近;在气温数据列中,与实际气温均值较为接近的模
12、式有 、。仅通过模式的模拟气候均值与实际观测气候均值的对比分析,可以得出 、的模拟结果精确度更好。在比较模式模拟气候数值与观测气候数值时,也可通过离散系数来比较离散程度,实际观测降水数据以及实测观测气温最小值的离散系数较大,分别为 及 ,代表性较差,实际观测气温以及气温最大值的离散系数偏小,分别为 及 ,代表性相对较好。在 个全球气候模式中,降水数据的离散系数整体偏小,说明代表性较好,但与实际观测降水数据的离散系数相差较大,与实际观测降人民珠江 年第 期水数据的离散系数较为接近的模式有 、;各模式模拟气温数据的离散系数与实际观测数据都较为接近,但 、的气温最小值离散系数为 、与实际观测数据的离
13、散系数偏差太大。通过对离散系数的比较,可以得出模式 、对实际气候数据的模拟结果的精确度更好。通过对比分析模式模拟气候数据与实际观测气候数据的相关性结果,各模式的模拟降水数据与实际观测降水数据的相关性较差,相关系数超过 的 模 式 仅 有 、。各模式的气温数据与实际观测气温数据的相关性较好,绝大部分的相关系数大于 。通过对 相 关 性 结 果 的 分 析,仅 有 、模式的模拟结果精度更好。在比较模式模拟气候数值与实际观测气候数值时,还可通过标准差来比较数据集的离散程度。降水数据的标准差数值 相对实际气温的偏差较小,模式模拟的降水标准差与实际观测降水的标准差偏差较为接近,仅有模式 的标准差与实际标
14、准差结果出入较大,故在模式模拟时可将模式 剔除。实测气温的标准差较大,气温、气温最大值以及气温最小值的标准差分别为 、及 ,说明气温的数据之间离散程度偏大;通过对各模式的模拟气温标准差计算,模拟气温、气温最大值以及气温最小值的标准差与实际标准差 较 为 接 近 的 模 式 有 、。通过对比分析各模式气候数据与实际的气候数据标准差,可以得出 、模式在模拟时精度更好。均方根误差是用来衡量观测值同真值之间的偏差。在模式模拟降水数据中,除模式 外与实际观测降水数据的均方根误差都较为接近,但是均方根误差小于 的模式有 、;绝大部分模式的气温数据与实际气温均方差误差均接近,但为了筛选出精度更好的模式,选取
15、一般气温、气温最大值、气温最小值的均方根误差分别低于 、的模式有 、。通过模式和实际观测数据的气候均方根误差的比较,可以筛选模式 、对实际观测气候数据的模拟结果的精确性更好。综上所述,通过对 、等 个精度指标的综合计算分析,对降水数据模拟的排名前五的气候模式有 、;对气温数据模拟排名前五的气候模式有 、。由于文章篇幅限制,本文仅在 个全球气候模式中筛选出模拟效果排名前二的气候模式 、作为未来数据的来源进行下一阶段未来气候的评估。人民珠江 年第 期表 个全球气候模式的精度指标确定模式名称均值 ,离散系数 ,皮尔逊相关系数 ,实测 模式名称标准差 ,均方根误差 ,实测 注:降水量;气温;,气温最大
16、值;,气温最小值。人民珠江 年第 期 模式与实测气候的年内逐月对比通过对精度指标的计算分析,筛选出模式 、作为模拟实际观测气候数据的精度最优模式。图 所示,通过对比分析模式中的历史气候数据(年)与实际观测气候数据在历史时期的年内逐月变化,来进一步验证所选的全球气候模式是模拟历史数据的最优性选择。)月均降水量)月均气温)月均气温最大值)月均气温最小值图 年流域年内模拟月均气候数据与观测月均气候数据的对比整体看来,优选的全球气候模式模拟结果与实际观测数据有着一致的年内月变化趋势,模拟的月最高气温和月最大降水量均出现在夏季,表现出淮河流域具有典型的“雨热同期”的季风气候特征。优选模式的模拟降水较实际
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