CMIP5模式對(duì)南海SST的模擬和預(yù)估

黃傳江，喬方利，宋亞娟，李新放

（1.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島266061；2.國家海洋局海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266061）

1 引言

南海位于2.5°S～23.5°N和99°～122°E之間，是西北太平洋最大的邊緣海。整個(gè)南海幾乎被大陸、半島和島嶼所包圍，主要通過巴士海峽、臺(tái)灣海峽和馬六甲海峽等與太平洋和印度洋相通，對(duì)我國航運(yùn)和能源安全等有非常重要的意義。南海地處東亞季風(fēng)區(qū)，是西北太平洋熱帶氣旋的重要源地和過境地，也是我國夏季降水的主要水汽通道和重要的水汽源地，對(duì)華南地區(qū)天氣過程和氣候變化等有非常重要的影響［1—2］。

南海SST對(duì)南海夏季風(fēng)的爆發(fā)［3—4］、過境臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和路徑［5］以及局地生態(tài)系統(tǒng)［6］等都有重要影響。在人為影響和自然因素的共同作用下，全球氣候系統(tǒng)在過去幾十年間有加劇變化的趨勢(shì)。政府間氣候變化專門委員會(huì)第四次評(píng)估報(bào)告（IPCC－AR4）指出，最近100年間（1906—2005年）全球平均地面氣溫上升了0.74℃［7］。在這期間，南海海表溫度（SST）也存在明顯的增溫趨勢(shì)。20世紀(jì)后期南海深水海盆區(qū)SST增暖了約0.64℃［8］，南海中部SST的增溫尤為明顯，在1950—2006年間增溫0.92℃［9］。這種增溫趨勢(shì)明顯高于全球的增溫率，其中，在西沙海域接近全球平均的2倍［6］。在全球變暖背景下，南海SST在未來會(huì)進(jìn)一步發(fā)生變化［10］。

全球氣候系統(tǒng)模式是進(jìn)行氣候模擬和氣候變化情景預(yù)估的重要工具。第五次國際耦合模式比較計(jì)劃（CMIP5）關(guān)注歷史氣候模擬和未來不同溫室氣體排放情景下氣候變化預(yù)估，為IPCC第五次評(píng)估報(bào)告（AR5）提供數(shù)據(jù)支持。與以前的模式比較計(jì)劃相比，CMIP5包含了更多的模式，這些模式采用了更高的分辨率，耦合了更多的物理過程，在物理過程參數(shù)方面也進(jìn)行了一些改進(jìn)［11］。目前世界上最先進(jìn)的氣候模式大都參加了這個(gè)比較計(jì)劃，其模擬結(jié)果代表了當(dāng)前氣候模擬的國際最高水平。

利用CMIP5提供的模式數(shù)據(jù)，本文分析了這些模式對(duì)南海歷史SST的模擬能力和不同排放情景下未來百年SST變化的預(yù)估。文章第二部分是模式數(shù)據(jù)及處理方法。當(dāng)前的氣候模式對(duì)歷史氣候模擬和未來氣候變化的情景預(yù)估仍存在著很大的不確定性，利用氣候模式進(jìn)行未來氣候變化情景預(yù)估，應(yīng)首先檢驗(yàn)?zāi)Ｊ綄?duì)歷史氣候變化的模擬能力。在第三部分，我們?cè)u(píng)估了各模式對(duì)南海歷史SST的模擬能力。根據(jù)這些評(píng)估，我們?cè)诘谒牟糠址治隽薈MIP5模式在不同排放情景下南海SST未來百年的變化趨勢(shì)。第五部分和第六部分分別是討論和結(jié)論。

2 數(shù)據(jù)及處理方法

CMIP5模式眾多，本文主要對(duì)歷史模擬和3種典型濃度路徑RCP26、RCP45和RCP85數(shù)值預(yù)估結(jié)果進(jìn)行分析。相比而言，參加RCP60試驗(yàn)的模式較少，本文沒有對(duì)這種排放路徑試驗(yàn)進(jìn)行分析。由于各個(gè)模式提交了試驗(yàn)集合結(jié)果，本文主要選用了集合數(shù)為r1i1p1的試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果。據(jù)此，本文共選用了20個(gè)研究機(jī)構(gòu)的32個(gè)模式（表1）進(jìn)行分析。

表1 本文采用的CMIP5模式情況及各模式歷史模擬試驗(yàn)對(duì)南海SST模擬存在的問題

續(xù)表1

這些模式的海洋部分大都采用了變網(wǎng)格方法。在南海地區(qū)，大部分模式的經(jīng)向分辨率大都在1.125°之內(nèi)；在緯向方向，多數(shù)模式在赤道地區(qū)做了網(wǎng)格加密處理，在南海的分辨率通常在1°之內(nèi)（表1）。其中分辨率最高的模式是MPI－ESM－MR和INMCM4，在南海海域的分辨率分別在0.36°×0.45°和0.36°×0.70°左右。本文采用英國Hadley中心提供的再分析數(shù)據(jù)HadISST1［12］作為SST觀測(cè)數(shù)據(jù)，該資料水平分辨率為1°×1°，包括自1870年以來的逐月平均的SST數(shù)據(jù)。

由于CMIP5模式的網(wǎng)格各不相同，為便于處理，本文首先將這些數(shù)據(jù)用雙線性插值方法插值到1°×1°的規(guī)則網(wǎng)格上。本文利用最小二乘法線性擬合年平均（及面積平均）的數(shù)據(jù)，來計(jì)算SST的時(shí)間變化趨勢(shì)。

3 氣候模式對(duì)歷史SST模擬能力的評(píng)估

全球氣候系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，雖然CMIP5與以前的氣候模式比較計(jì)劃相比取得了很大的進(jìn)展，但由于涉及的物理過程、反饋機(jī)制及次網(wǎng)格過程參數(shù)化等不同，各模式模擬結(jié)果之間仍存在很大的差異，與觀測(cè)結(jié)果之間也存在一定的偏差。另外，CMIP5模式是為了評(píng)估全球氣候變化而設(shè)計(jì)的，部分模式對(duì)局部區(qū)域的模擬可能會(huì)存在一些問題。在利用CMIP5模式進(jìn)行區(qū)域氣候變化研究時(shí)，應(yīng)對(duì)各模式對(duì)該區(qū)域歷史變化的模擬能力進(jìn)行檢驗(yàn)，以減少模擬的不確定性。

在這些模式中，GISS－E2－H和GISS－E2－R SST數(shù)據(jù)的水平分辨率為2.0°×2.5°，很難分辨南海周圍基本的海陸分布特征。在這部分分析中，沒有包括這兩個(gè)模式。南海位于熱帶，終年高溫，季節(jié)變化相對(duì)較小，南海北部觀測(cè)的年平均SST約為23～25℃，中部26～27℃，南部27～28℃ （圖1）。圖2顯示30個(gè)模式模擬的1870—2005年間南海氣候態(tài)年平均SST相對(duì)于HadISST1數(shù)據(jù)偏差的分布。大部分模式都能夠較好地模擬出南海SST的基本分布特征，但各個(gè)模式模擬的SST存在較大的差異，部分模式模擬的SST偏高，部分模擬的SST偏低。在這30個(gè)模式中，有27個(gè)模式區(qū)域面積平均的SST偏差在0.9℃之內(nèi)。在部分模式中，某些地區(qū)的SST偏差在2.5℃以上，這些大的偏差主要出現(xiàn)在島嶼或岸線附近，可能與較低的模式分辨率有關(guān)。

圖1 HadISST1數(shù)據(jù)顯示的（1870—2005年）南海氣候態(tài)年平均SST（單位：℃）

圖3是各模式模擬的過去百年南海年平均SST（相對(duì)于1986—2005年）的距平曲線。HadISST1數(shù)據(jù)顯示，20世紀(jì)70年代以前南海SST存在明顯的年際到年代際時(shí)間尺度的變化。在這期間，各模式模擬結(jié)果偏差較大，存在較大的不確定性，并且大部分模式的SST距平大于觀測(cè)。20世紀(jì)70年代以后，在全球變暖背景下，南海SST存在明顯的增溫趨勢(shì)。在此期間，各模式模擬結(jié)果之間的偏差相對(duì)較小，且大部分模式都能模擬出這種增溫趨勢(shì)。

圖2 各模式模擬的（1870—2005年）南海氣候態(tài)年平均SST相對(duì)于HadISST1數(shù)據(jù)偏差的分布（單位：℃）

（氣候態(tài)參考時(shí)段為1986—2005年，各數(shù)據(jù)已進(jìn)行5點(diǎn)平滑處理）

圖4顯示了各模式模擬的20世紀(jì)70年代之后SST的線性變化趨勢(shì)及觀測(cè)結(jié)果。在1979—2005年間，南海SST觀測(cè)的增溫趨勢(shì)為1.73℃／（100 a），大部分模式都能模擬出這種增溫趨勢(shì)，但也有部分模式的增溫趨勢(shì)與觀測(cè)存在明顯的偏差。其中，有10個(gè)模式的增溫趨勢(shì)超過觀測(cè)值的1／3。在這些模式中，模擬的增溫趨勢(shì)最小的是GFDL－CM3，增溫趨勢(shì)為－0.02℃／（100 a），與觀測(cè)結(jié)果相反；FIO－ESM 和CSIRO－Mk3－6－0模 擬 的 增 溫 趨 勢(shì) 分 別 為 0.57 和0.67℃／（100 a），比觀測(cè)相比 明顯偏小；而IPSLCM5A－LR和 MIROC5模擬的增溫趨勢(shì)分別高達(dá)3.58和3.89℃／（100 a），超過觀測(cè)的2倍。

20世紀(jì)70年代以前，HadISST1數(shù)據(jù)顯示南海SST以年際到年代際時(shí)間尺度的變化為主，沒有表現(xiàn)出明顯的增溫趨勢(shì)。圖5顯示了各模式模擬的20世紀(jì)70年代以前年平均SST的均方差。在這期間，觀測(cè)的SST均方差σ為0.23℃。在這些模式中，有9個(gè)模式的均方差超過觀測(cè)值的1／3，其中，均方差最大的模式是MIROC5，約為觀測(cè)值的2倍，這意味著這個(gè)模式模擬的SST年際到年代際變化的幅度與觀測(cè)相比明顯偏大。在這9個(gè)模式中，有6個(gè)模式模擬的20世紀(jì)70年代之后SST的增溫趨勢(shì)過大或過小（見表1）。

圖5 各模式模擬的1870—1972年間南海年平均SST的均方差及HadISST1數(shù)據(jù)結(jié)果

4 未來百年南海SST變化趨勢(shì)評(píng)估

目前，氣候模式對(duì)全球以及區(qū)域氣候的模擬和預(yù)估仍有較大的不確定性，各模式模擬結(jié)果之間有很大的差異，一個(gè)可信的氣候模式應(yīng)能夠較好地再現(xiàn)觀測(cè)的歷史氣候變化。上一部分檢驗(yàn)了各模式對(duì)南海歷史SST的模擬能力。盡管大部分氣候模式基本能模擬出過去百年南海SST的基本特征和變化趨勢(shì)，但也有部分模式與觀測(cè)存在較大的偏差。有幾個(gè)模式對(duì)20世紀(jì)70年代以后南海SST增溫趨勢(shì)的模擬能力較差，另有幾個(gè)模式SST年際到年代際變化的模擬能力較差，這兩個(gè)問題都可能會(huì)影響對(duì)未來南海SST變化的評(píng)估［13］。模式 GISS－E2－H 和 GISS－E2－R的水平分辨率較粗糙，很難分辨出南海周邊的基本海陸特征。為了減少未來百年南海SST預(yù)估的不確定性，我們剔除了15個(gè)模式（詳見表1），利用其余模式評(píng)估不同排放情景下南海SST在未來百年的變化趨勢(shì)。

圖6顯示了3種典型濃度路徑情景下，預(yù)測(cè)的南海SST在未來百年隨時(shí)間的變化。在這3種排放情景下，各模式模擬的南海SST都呈一定的增溫趨勢(shì)。2006—2099年間，在RCP26排放情景下，各模式模擬的南海SST增溫趨勢(shì)為0.07～0.71℃／（100 a），多模式集合平均的增溫趨勢(shì)為0.42℃／（100 a）；在RCP45情景下，各模式模擬的SST增溫趨勢(shì)為0.55～2.02℃／（100 a），多模式集合平均的增溫趨勢(shì)為1.50℃／（100 a）；而在 RCP85情景下，各模式模擬的SST增溫趨勢(shì)為2.42～4.01℃／（100 a），多模式集合平均的增溫趨勢(shì)為3.30℃／（100 a）（見圖7）。同期，全球SST在這3種排放情景下多模式集合平均的增溫趨勢(shì)分別為0.41、1.39和3.08℃／（100 a），略小于南海的增溫趨勢(shì)。

總體來說，在這3種排放情景下，南海SST增溫趨勢(shì)在空間變化不大（見圖8），這可能是因?yàn)檫@種增溫趨勢(shì)主要是南海在氣候變暖背景下對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)［9］。在大陸和島嶼附近，一些區(qū)域的增溫趨勢(shì)略大，這可能與模式較低的分辨率有關(guān)。在這3種排放情景下，南海SST在未來百年隨時(shí)間并不是均勻變化的（見圖6），這些變化可能與不同排放情景下模式所施加輻射強(qiáng)迫的時(shí)間變化密切相關(guān)［14］。在前兩種排放情景下，21世紀(jì)前期的增溫趨勢(shì)明顯強(qiáng)于后期。其中，在RCP26情景下，多模式集合平均的SST在2006—2050年間的增溫趨勢(shì)為1.15℃／（100 a），其后，SST略有下降，變化趨勢(shì)為－0.25℃／（100 a）；在RCP45情景下，多模式集合平均的SST在2006—2050年間的增溫趨勢(shì)為1.85℃／（100 a），約為后期0.92℃／（100 a）的兩倍；在RCP85情景下，多模式集合模擬的SST在21世紀(jì)后期的增溫趨勢(shì)明顯強(qiáng)于前期，在這種排放情景下，21世紀(jì)前期的增溫趨勢(shì)為2.52℃／（100 a），但在后期高達(dá)3.67℃／（100 a）。

圖6 3種排放情景下，通過檢驗(yàn)的模式預(yù)估的南海SST在未來百年隨時(shí)間的變化及多模式集合平均結(jié)果

5 討論

氣候模式對(duì)歷史SST增溫趨勢(shì)和年代際變化的模擬能力會(huì)影響對(duì)未來排放情境下增溫趨勢(shì)的評(píng)估［13］。根據(jù)各模式對(duì)歷史SST增溫趨勢(shì)和均方差的模擬能力，我們對(duì)各模式進(jìn)行了檢驗(yàn)。圖9顯示了未通過檢驗(yàn)的模式在3種排放情景下模擬的未來百年（2006—2099年）南海SST的線性變化趨勢(shì)。與通過檢驗(yàn)的模式相比（見圖7），大部分未通過檢驗(yàn)的氣候模式所預(yù)估的未來百年南海SST變化趨勢(shì)明顯偏大或偏小。

在這些模式中，增溫趨勢(shì)最大的是GFDL－CM3和CSIRO－Mk3－6－0，在RCP26、RCP45和RCP85排放情景下，GFDL－CM3增溫趨勢(shì)分別是1.28、2.23和4.21℃／（100 a），CSIRO－Mk3－6－0分別是1.20、2.31和4.43℃／（100 a），明顯超過通過檢驗(yàn)的模式。通過檢驗(yàn)這兩個(gè)氣候模式對(duì)歷史過程的模擬，可以發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)模式所模擬的南海SST歷史增溫趨勢(shì)與觀測(cè)相比明顯偏?。ㄒ妶D4），年際到年代際時(shí)間尺度的變化偏大（見圖5），其中，GFDL－CM3模擬的1979—2005年間的增溫趨勢(shì)為－0.02℃／（100 a），與觀測(cè)相反。有幾個(gè)模式預(yù)估的RCP排放情境下增溫趨勢(shì)明顯偏?。ㄒ妶D9）。仔細(xì)考察這幾個(gè)模式發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)IO－ESM和INMCM4模擬的歷史增溫趨勢(shì)與觀測(cè)相比偏?。ㄒ妶D4）；而 GISS－E2－R 和 GISS－E2－H 水平分辨率較粗糙。

MIROC5預(yù)估的增溫趨勢(shì)在RCP26情景下偏大；GFDL－ESM2 M預(yù)估的增溫趨勢(shì)在RCP85情景下偏小；CESM1－CAM5在RCP26和RCP45情景下預(yù)估的增溫趨勢(shì)都偏大；FGOALS－s2預(yù)估的增溫趨勢(shì)在RCP26情景下偏小，在RCP85下偏大（見圖9）。這可能與這4個(gè)模式SST年際到年代際時(shí)間尺度的變化偏大有關(guān)（見圖5）。

圖7 3種排放情景下，通過檢驗(yàn)的模式預(yù)估的南海SST在未來百年（2006—2099年）的線性變化趨勢(shì)及多模式集合平均結(jié)果

圖8 3種排放情景下，（2006—2099年）多模式集合平均的南海SST變化趨勢(shì)的分布［單位：℃／（100 a）］

盡管這些未通過檢驗(yàn)的氣候模式所預(yù)估的未來百年南海SST變化趨勢(shì)明顯偏大或偏小，增加了模擬的不確定性，但它們對(duì)多模式集合平均的影響較弱。在本文收集的32個(gè)模式中，有24個(gè)進(jìn)行了RCP26情景預(yù)估，31個(gè)進(jìn)行了RCP45情景預(yù)估，32個(gè)進(jìn)行了RCP85情景預(yù)估（見表1）。在3種排放情景下，所有模式多模式集合平均的2006—2099年間南海SST 增溫趨勢(shì)分別為0.49、1.45和3.22℃／（100 a），與通過檢驗(yàn)的模式的多模式集合平均結(jié)果［分別為0.42、1.50和3.30℃／（100 a）］相差不太大，可見多模式集合平均能顯著減小預(yù)估結(jié)果的不確定性。

圖9 3種排放情景下，未通過檢驗(yàn)的模式預(yù)估的南海SST在未來百年（2006—2099年）的線性變化趨勢(shì)

6 結(jié)論

南海對(duì)我國天氣和氣候系統(tǒng)，以及航運(yùn)和能源安全等有非常重要的影響。在全球變暖背景下，南海氣候也會(huì)發(fā)生明顯的變化，準(zhǔn)確了解和預(yù)估這些變化對(duì)制定相應(yīng)的海洋政策、合理地開發(fā)和利用南海有重要意義。本文利用32個(gè)CMIP5氣候模式，分析了這些模式對(duì)南海歷史SST的模擬能力和未來百年不同排放情境下南海SST的變化趨勢(shì)。

結(jié)果表明，大部分CMIP5模式能夠較好地模擬南海歷史SST的基本特征和變化規(guī)律，未來百年南海SST將呈明顯的增溫趨勢(shì)。在RCP26、RCP45和RCP85三種排放情景下，南海SST在2006—2099年間多模式集合平均的增溫趨勢(shì)分別為0.42、1.50和3.30℃／（100 a），略大于全球平均的趨勢(shì)。這些增溫趨勢(shì)在空間變化不大，但隨時(shí)間并不是均勻變化的。在前兩種排放情景下，21世紀(jì)前期的增溫趨勢(shì)明顯強(qiáng)于后期，多模式集合平均的增溫趨勢(shì)分別達(dá)到1.15和1.85℃／（100 a）；在RCP85情景下，21世紀(jì)后期的增溫趨勢(shì)高達(dá)3.67℃／（100 a），明顯強(qiáng)于前期。

盡管CMIP5包含了目前世界上絕大部分最先進(jìn)的氣候模式，模擬結(jié)果代表了當(dāng)前氣候模擬的國際最高水平，但對(duì)于南海而言，一些模式的模擬存在一定問題。其中，部分模式對(duì)南海SST的歷史增溫趨勢(shì)和年際到年代際變化的模擬能力較差。盡管它們對(duì)SST未來百年多模式集合平均的影響不太大，但與其他模式相比，它們模擬的SST變化趨勢(shì)明顯偏大或偏小，在一定程度上增加了未來預(yù)估的不確定性。在針對(duì)南海的研究中，這些模式的結(jié)果應(yīng)謹(jǐn)慎地使用。南海只占全球海洋很小的一部分，本文模擬能力評(píng)估只是對(duì)南海SST而言，對(duì)于其他海域或者全球而言，評(píng)估結(jié)果可能會(huì)完全不同。

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