CMIP5全球氣候模式統(tǒng)計降尺度數(shù)據(jù)對遼寧省極端氣溫模擬能力評估*

龐靜漪，劉布春，劉 園，邱美娟，王珂依

CMIP5全球氣候模式統(tǒng)計降尺度數(shù)據(jù)對遼寧省極端氣溫模擬能力評估*

龐靜漪1,2，劉布春1**，劉 園1，邱美娟1，王珂依1

（1. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/作物高效用水與抗災(zāi)減損國家工程實驗室/農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，北京 100081；2. 遼寧省營口市氣象局，營口 115001）

利用1971?2010年遼寧地區(qū)32個氣象臺站觀測資料，采用SS指標和M2指標，評估CMIP5氣候預(yù)估降尺度數(shù)據(jù)集中31個模式對遼寧省全年和4個季節(jié)極端氣溫指數(shù)時空變化特征的模擬能力，并經(jīng)MR綜合評級，篩選模擬效果最好的模式。極端溫度指數(shù)選用平均最高氣溫（TXm）、平均最低氣溫（TNm）、霜凍日數(shù)（FD0）、夏日日數(shù)（SU25）、最低氣溫極小值（TNn）、最高氣溫極大值（TXx）和極端氣溫范圍（ETR）。結(jié)果表明：對單一極端氣溫指數(shù)而言，所有模式對表征氣溫平均特征的指數(shù)模擬效果較好，對表征連續(xù)極端氣溫事件的指數(shù)模擬效果一般，而對氣溫的極端特征模擬能力不足。由于模式對全年、各季節(jié)各極端氣溫指數(shù)的排名無一致性，引入MR評級指標進行排序，優(yōu)選的3個模式為MPI-ESM-LR、GFDL-ESM2M和MIROC-ESM-CHEM。比較發(fā)現(xiàn)，優(yōu)選模式集合平均結(jié)果相對于觀測值的誤差百分率整體上明顯優(yōu)于所有模式的集合平均結(jié)果，具有可用性。研究結(jié)果可為預(yù)估未來區(qū)域極端氣溫提供理論參考，建立的逐日模式資料可為開展遼寧農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險相關(guān)研究提供數(shù)據(jù)支撐。

CMIP5氣候預(yù)估降尺度數(shù)據(jù)集；遼寧；極端氣溫指數(shù)；模式評估；優(yōu)選模式

近百年來，地球氣候系統(tǒng)正在經(jīng)歷一次以全球變暖為主要特征的顯著變化。在此背景下，中國大陸地區(qū)極端高溫和極端低溫整體呈上升趨勢，且極端低溫上升尤為顯著[1?2]，中國與異常偏冷相關(guān)的極端事件顯著減少，而與異常偏暖相關(guān)的極端事件則顯著增多[3]。農(nóng)業(yè)作為受氣候變暖影響最大的領(lǐng)域之一，極端氣溫的變化對其產(chǎn)生了很大影響，一方面，極端最高氣溫的不斷升高，不僅使農(nóng)作物生育期發(fā)生改變，還會導(dǎo)致高溫災(zāi)害天氣頻繁出現(xiàn)，使作物的生長發(fā)育以及產(chǎn)量均受到不利影響；另一方面，極端低溫帶來的凍害在一定程度上造成農(nóng)作物減產(chǎn)。

全球氣候模式（Global Climate Models，GCM）作為氣候模擬和未來氣候變化情景預(yù)估的重要工具[4]，被廣泛用于探索和預(yù)測氣候變化。利用全球模式開展未來氣候情景預(yù)估，首先必須評估模式對氣候的模擬能力，以篩選模擬能力強的全球模式[5]?；谛乱淮驓夂蚰Ｊ紺MIP5（Coupled Model Intercomparison Project Phase 5, CMIP5）模擬結(jié)果，眾多學(xué)者在極端氣溫氣候變化評估與預(yù)估方面開展了一系列工作，發(fā)現(xiàn)CMIP5中各模式對中國區(qū)域極端氣溫[6?8]具有一定的模擬能力，但不同模式的模擬能力存在很大差異，使用優(yōu)選模式集合平均可以明顯改善模擬結(jié)果[7?9]。在此基礎(chǔ)上預(yù)估未來中國地區(qū)極端氣溫的時間變化時發(fā)現(xiàn)，RCP4.5情景下中國極端低溫事件將會減少，極端暖高溫事件將會增加[8]。這些結(jié)果類似于氣候平均態(tài)的變化[10?11]。但對于區(qū)域極端氣溫未來預(yù)估的研究主要在上海[12]、貴州[13]、長江黃河流域[14]等地，在東北地區(qū)的研究主要以氣候平均態(tài)[15]的評估和預(yù)估為主。

遼寧省由于耕地面積廣闊，是中國重要糧食產(chǎn)區(qū)，特殊的地理位置使該省農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速[16]。受氣候變暖的影響，遼寧省極端高溫事件呈上升趨勢，極端低溫事件呈下降趨勢[17]。氣溫升高及極端氣溫的變化對遼寧地區(qū)的農(nóng)業(yè)種植、生產(chǎn)等方面均有一定影響。因此，基于極端氣溫指數(shù)對全球氣候模式進行評估，選擇適合當?shù)氐念A(yù)測模式，可提高未來氣候資源及災(zāi)害風(fēng)險分析的準確性，然而目前對遼寧地區(qū)極端氣溫的評估工作仍存在空白。本研究使用1971?2010年遼寧地區(qū)32個氣象站點的觀測數(shù)據(jù)和CMIP5統(tǒng)計降尺度數(shù)據(jù)集中的31個模式結(jié)果，評估并分析CMIP5統(tǒng)計降尺度模式對遼寧省極端氣溫指數(shù)的模擬能力。通過研究，確定模擬研究區(qū)域基準期氣候變化的最優(yōu)模式，為區(qū)域極端氣溫未來預(yù)估提供參考，同時為下一步預(yù)估未來氣候變暖背景下遼寧農(nóng)業(yè)災(zāi)害風(fēng)險并進行災(zāi)損風(fēng)險區(qū)劃提供數(shù)據(jù)支撐。

1 資料與方法

1.1 基本資料

遼寧?。?18°?125°E，38°?43°N）位于中國東北地區(qū)南部，地形復(fù)雜多樣。該地區(qū)為典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫6.0～11.0℃，年平均降水量在400～1100mm，境內(nèi)雨熱同季，日照充足，四季分明。研究區(qū)域及站點分布如圖1所示。

1.2 研究資料

評估CMIP5氣候預(yù)估降尺度數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集使用澳大利亞新南威爾士州初級產(chǎn)業(yè)部Wagga Wagga農(nóng)業(yè)研究所劉德立研究團隊開發(fā)的統(tǒng)計降尺度方法[18]對CMIP5中的31個GCMs逐月柵格數(shù)據(jù)進行時空降尺度處理，產(chǎn)生RCP4.5及RCP8.5情景下的1900?2100年逐日站點氣溫數(shù)據(jù)。31個模式的基本信息見表1，具體資料可由http:// stdownagrivy. com/## 網(wǎng)站下載。實測數(shù)據(jù)為遼寧省32個氣象站點1971?2010年逐日氣溫觀測數(shù)據(jù)，來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。選用基準期（1971?2010年）模式數(shù)據(jù)與觀測數(shù)據(jù)進行比較，評估RCP4.5情景下模式對極端氣溫指數(shù)的模擬能力。

圖1 遼寧省32個氣象站點(·)分布

表1 31個CMIP5氣候預(yù)估降尺度數(shù)據(jù)模式的基本信息

1.3 極端氣溫指數(shù)計算方法

極端氣溫指數(shù)包括年和季兩種時間尺度。日最高氣溫平均值（TXm）和日最低氣溫平均值（TNm），用于表征一段時間極端氣溫的平均特征；霜凍日數(shù)（FD0）和夏日日數(shù)（SU25），用于表征連續(xù)的極端氣溫事件；最低氣溫極小值（TNn）、最高氣溫極大值（TXx）和極端氣溫范圍（ETR）代表氣溫的極端特征。各指數(shù)定義如表2所示。

表2 極端氣溫指數(shù)定義

Note:Tmax is the daily maximum temperature, Tmin is the daily minimum temperature.

1.4 模式模擬能力評估指標

1.4.1 空間評估指標

空間能力評分（spatial skill score, SS）是評價模擬場模擬空間分布能力的指數(shù)[7]。計算式為

其中

在計算SS指數(shù)大小的基礎(chǔ)上，根據(jù)SS值接近1的程度進行模式排序。SS值越接近1，模擬場偏差越小，即模式對該極端指數(shù)場的模擬能力越好，模式排名越靠前。

1.4.2 時間評估指標

時間評估指標M2[18]是評價模擬場上每一個氣象站點的時間序列相對于該站點上觀測時間序列的年際變率差值的指數(shù)。主要以標準差來衡量，計算式為

式中，STD為模擬場和觀測場樣本數(shù)據(jù)時間序列的標準差，下腳標m和o分別表示模擬場和觀測場。當模擬場標準差等于觀測場標準差時，M2為0，表明模擬結(jié)果最好，M2值越小（即越接近0），說明模式模擬能力越好，模式排名越靠前，M2越大，說明模擬變率與觀測變率相差越大，模擬效果越差。

1.4.3 綜合評級指標（MR）

綜合評級指標（MR）[19]是基于各評級指標排名，判斷其一致性并得到綜合排名的一種方法。即

式中，m為參與評估的模式個數(shù)，m=31，n為用于評估的指標個數(shù)，ri為每種評估指標中各模式模擬能力的排名(i=1,2,...,31)，模擬能力最強的模式其ri值為1?？梢?，0≤MR<1，且其值越接近1，說明模式綜合模擬能力越強。

2 結(jié)果與分析

2.1 各模式對極端氣溫指數(shù)的空間模擬效果評估

2.1.1 單一指數(shù)空間模擬效果評估

圖2給出了1971?2010年多年平均的遼寧地區(qū)31個模式模擬全年各極端氣溫指數(shù)的SS指數(shù)值?？梢钥吹?，對指數(shù)而言，SS指數(shù)值從大到小依次為TXm、TNm、ETR、TNn、FD0、SU25以及TXx，其中TXm、TNm、ETR指數(shù)的SS值均在0.9以上，說明各模式模擬氣溫平均特征的空間分布效果較好；而對于連續(xù)的極端氣溫事件和氣溫的極端特征，各模式模擬低溫相關(guān)指數(shù)空間分布效果一般，最低氣溫極小值和霜凍日數(shù)的SS值平均分別為0.86和0.83；模擬高溫相關(guān)指數(shù)空間分布效果較差，夏季日數(shù)的SS值平均為0.62，最高氣溫極大值的SS值平均僅?0.16，即模擬場與觀測場相差較多，且各模式模擬差異較大。

2.1.2 指數(shù)空間模擬效果綜合評估

根據(jù)SS指數(shù)接近1的程度對各模式模擬各個年極端氣溫指數(shù)的空間模擬能力進行排名，結(jié)果見圖3。由圖中可知，對全年TXm、TNm、ETR、FD0、SU25、TNn以及TXx指數(shù)模擬最好的模式分別為HadGEM2-AO、BNU-ESM、GISS-E2-R、CESM1-CAM5、MIROC-ESM、MIROC5及MIROC-ESM。由于模式對各極端氣溫指數(shù)的排名無一致性，尤其是排名靠前和靠中的模式，因此，為了得出各模式模擬效果的綜合排名，引入MR評級指標，其中共有31個模式、7個極端氣溫指數(shù)參與評估，即n=31，m=7，帶入式（5）計算，根據(jù)MR指標大小進行排序。以圖3中橫坐標從左至右順序依次表示MR評價模擬效果的好至差，其中對各極端氣溫指數(shù)綜合模擬效果前三名的模式分別為FIO-ESM、MPI-ESM-LR及MIROC5。

同理，計算基于SS指數(shù)的各模式對春、夏、秋、冬四季的極端指數(shù)模擬能力排名（圖4）。由于夏季日最低氣溫均高于0℃，冬季日最高氣溫均低于25℃，即夏季FD0和冬季SU25均為0，因此不進行排名。從圖4可以看到，在SS指數(shù)中，對TXm、TNm和ETR指數(shù)春、夏、秋、冬四季模擬最好的模式分別為CMCC-CMS、INM-CM4、GFDL-CM3、GFDL- ESM2G，BNU-ESM、INM-CM4、MIROC-ESM- CHEM、BNU-ESM以及MIROC5、MIROC-ESM- CHEM、CESM1-CAM5、IPSL-CM5A-MR；對FD0指數(shù)春、秋、冬季模擬最好的模式分別為CMCC-CM、CESM1-BGC和CESM1-BGC，對SU25指數(shù)春、夏、秋季模擬最好的模式分別為CESM1-BGC、MPI-ESM-LR和ACCESS1-0；對TNn和TXx指數(shù)四季模擬最好的模式分別為CanESM2、CESM1-BGC、CESM1-CAM5、GISS-E2-H和GISS-E2-R、MIROC-ESM、MIROC5、CESM1-BGC。除少數(shù)幾個指數(shù)外，大部分季節(jié)尺度的極端氣溫指數(shù)排名一致性較差，采用MR評級指標大小進行排序，其中共有31個模式、28個極端氣溫指數(shù)參與評估，即n=31，m=28。排名結(jié)果見圖4，對各季節(jié)尺度的極端氣溫指數(shù)綜合模擬效果前三名的模式分別為MPI-ESM-LR、MIROC5及CMCC-CM。

圖2 31個模式模擬遼寧地區(qū)1971?2010年年極端氣溫指數(shù)的空間模擬能力評分（SS值）

圖3 31個模式對年尺度7個極端氣溫指數(shù)空間變率的模擬能力排名

注：數(shù)據(jù)表示排名。圖4、6、7同。

Note: The data for ranking. The same as Fig.4, Fig.6 and Fig.7.

圖4 31個模式對季節(jié)尺度7個極端氣溫指數(shù)空間變率的模擬能力排名

注：各極端氣溫指數(shù)下對應(yīng)4列從左至右分別為春、夏、秋、冬季排名，標黑表示無數(shù)據(jù)。圖7同。

Note: Under each extreme temperature index, the corresponding 4 columns from left to right are the ranking of spring, summer, autumn,winter , and the black column is because the index has no data in this season. The same as Fig.7.

2.2 各模式對極端氣溫指數(shù)的時間模擬效果評估

2.2.1 單一指數(shù)時間模擬效果評估

圖5為1971?2010年遼寧區(qū)域平均的31個模式模擬全年各極端氣溫指數(shù)的M2指數(shù)值。由圖可見，對指數(shù)而言，M2指數(shù)值從小到大依次為TXm、SU25、TNm、FD0、TXx、TNn以及ETR，除ETR指數(shù)的M2值明顯偏大外，其他6個指數(shù)的M2指數(shù)均小于1，尤其是TXm、SU25、TNm、FD0指數(shù)的M2值平均小于0.1，說明各模式可以很好地模擬極端氣溫平均特征和連續(xù)極端氣溫事件的時間變率，而對于氣溫的極端特征模擬效果一般，尤其是ETR指數(shù)與最低氣溫極小值和最高氣溫極大值相關(guān)，兩者誤差疊加使ETR指數(shù)的誤差更大。

2.2.2 各模式空間模擬效果評估

根據(jù)M2指數(shù)接近0的程度對各模式模擬各個年極端氣溫指數(shù)的時間模擬能力進行排名，由圖6可見，對全年TXm、TNm、FD0、SU25、TNn、TXx以及ETR指數(shù)模擬最好的模式分別為FIO-ESM、BNU-ESM、CESM1-CAM5、GISS-E2-H-CC、GISS-E2-R、CESM1-BGC及GISS-E2-R。除后3名外，各模式對各極端氣溫指數(shù)的排名一致性較差，計算MR評級指標進行排名可知，對各極端氣溫指數(shù)綜合模擬效果居前三名的模式分別為CESM1- CAM5、FIO-ESM及GISS-E2-R。

計算基于M2指數(shù)的各模式對春、夏、秋、冬四季的極端指數(shù)模擬能力排名。由圖7可以看到，在M2指數(shù)中，對TXm、TNm指數(shù)而言春、夏、秋、冬四季模擬最好的模式分別為MIROC-ESM- CHEM、MIROC-ESM、MPI-ESM-LR、GISS-E2-R以及MPI-ESM-LR、GFDL-ESM2M、CESM1-CAM5、ACCESS1-3；對FD0指數(shù)春、秋、冬季模擬最好的模式分別為CESM1-BGC、CESM1-CAM5和ACCESS1-0；對SU25指數(shù)春、夏、秋季模擬最好的模式分別NorESM1-ME、ACCESS1-3和BCC-CSM1-1-m；對TNn、TXx和ETR指數(shù)四季模擬最好的模式分別為GFDL-ESM2G、BCC-CSM1-1、CESM1-CAM5、FIO- ESM，GFDL-ESM2G、BCC-CSM1-1、CESM1-CAM5、FIO-ESM和BNU-ESM、IPSL-CM5A-MR、ACCESS1- 3、GISS-E2-H。進一步計算MR評級指標大小并進行排序可見，對各季節(jié)尺度的極端氣溫指數(shù)綜合模擬效果前三名的模式分別為GFDL-ESM2G、NorESM1-M及BCC-CSM1-1-m。

圖5 31個模式模擬遼寧地區(qū)1971?2010年年極端氣溫指數(shù)的時間模擬能力評分（M2值）

圖6 31個模式對年尺度7個極端氣溫指數(shù)時間變率的模擬能力排名

圖7 31個模式對季節(jié)尺度7個極端氣溫指數(shù)時間變率的模擬能力排名

2.3 各模式對極端指數(shù)模擬能力的綜合評估

對于同一指數(shù)，不同模式模擬結(jié)果之間存在較大差異，而同一模式對不同極端指數(shù)的模擬能力也存在差異。所以，需比較模式對各個指數(shù)的綜合模擬能力從而優(yōu)選模式。分別以7個極端氣溫指數(shù)為評估指標，計算其MR綜合評級指標，可以得到各模式基于SS指數(shù)和M2指數(shù)的全年、四季排名。由圖 8可以看到，基于同一評估指標的全年和四個季節(jié)模擬能力的排名差異較大，例如基于SS指數(shù)排名中，ACCESS1-0模式模擬極端氣溫指數(shù)在全年排名為第14名，春季、夏季、秋季、冬季分別排名第12、24、1、19名；基于不同評估指標的同一時間段的排名也有不同，例如NorESM1-M模式模擬全年極端氣溫指數(shù)，基于SS指數(shù)排名第17，而基于M2指數(shù)排名第14。因此需要進一步進行評估。

以全年以及4個季節(jié)排名為評估指標（m=5），計算各模式模擬SS指數(shù)和M2指數(shù)的MR綜合排名，再以SS指數(shù)和M2指數(shù)的綜合排名為評估指標（m=2），計算各模式對遼寧地區(qū)極端氣溫指數(shù)時空模擬能力的綜合排名，結(jié)果如圖9所示。由圖可見，大部分模式的時間模擬能力與空間模擬能力間存在差異，兩者相關(guān)系數(shù)僅為0.06，少部分模式存在時間、空間的模擬能力一致性，如BCC-CSM1-1-m、FIO-ESM和GISS-E2-H三個模式兩者排名相同，但存在模擬效果均偏差的現(xiàn)象。為保證排名的準確性，分別對時間、空間兩類指標進行時空綜合排名，各模式對極端氣溫指數(shù)的時空模擬從強到弱前5名的排名為MPI-ESM-LR、GFDL-ESM2M、MIROC-ESM-CHEM、BCC-CSM1-1-m和GISS-E2-H-CC/MIROC5。

圖8 各模式基于SS指數(shù)(a)以及M2指數(shù)(b)的全年、四季極端氣溫指數(shù)排名

圖9 各模式基于SS指數(shù)的空間綜合排名、基于M2指數(shù)的時間綜合排名以及時空綜合排名

2.4 優(yōu)選模式的結(jié)果分析

由于各模式的結(jié)構(gòu)框架差異、選取物理參數(shù)不同等原因，因此，模式的不確定性客觀存在。CMIP5統(tǒng)計降尺度數(shù)據(jù)集中各個模式對極端溫度指數(shù)模擬能力體現(xiàn)出了很大的不確定性。所以，需比較模式對各個指數(shù)的綜合模擬能力的評估結(jié)果去優(yōu)選模式。比較31個模式的綜合模擬能力（圖9）后發(fā)現(xiàn)，MPI-ESM-LR、GFDL-ESM2M和MIROC-ESM- CHEM模式對極端溫度指數(shù)的時空綜合模擬能力較強。因此，將這3個模式作為優(yōu)選模式。

比較31個模式集合平均和優(yōu)選模式集合平均對遼寧地區(qū)1971?2010年多年平均各極端氣溫指數(shù)的模擬結(jié)果，并計算其相對于觀測值的誤差百分率，由圖10可以看到，無論是所有模式集合還是優(yōu)選模式集合均可以模擬TXm指數(shù)，誤差百分率在±1%之內(nèi)；而對于TNm指數(shù)，31個模式集合平均模擬其空間分布在海城附近有一個正的高值中心，其誤差百分率為34.3%，在興城附近有一個負的高值中心，其誤差百分率為?248.9%，其他地區(qū)總體誤差百分率為負，全省均值為?17.5%，誤差較大，經(jīng)優(yōu)選后，誤差百分率在?15.1%～3.2%，全省均值降為2.0%，模擬效果有了明顯改進；對于FD0指數(shù)，所有模式集合平均誤差百分率在?4.0%～21.0%，尤其是在遼寧東部地區(qū)模擬誤差較大，經(jīng)優(yōu)選后遼寧東部地區(qū)誤差百分率降為?3.0%，其他地區(qū)誤差百分率在± 1%之內(nèi)；對于SU25指數(shù)，所有模式集合平均模擬結(jié)果較觀測值偏高，全省平均偏高10%左右，優(yōu)選模式集合平均模擬結(jié)果較觀測值偏低，總體誤差程度有所降低；對于TXx指數(shù)，優(yōu)選后全省誤差百分率由1.7%降為0.4%，模擬效果提升；所有模式集合平均模擬TNn指數(shù)誤差百分率在?26.7%～0.4%，全省平均為?12.4%，優(yōu)選后誤差百分率在0.5%～11.0%，全省平均為4.5%，模擬結(jié)果由偏低轉(zhuǎn)為偏高，但模擬誤差有所減??；對于ETR指數(shù)，優(yōu)選后全省平均誤差百分率由4.3%降至2.0%，模擬效果有所提高。

綜合來看，上述7種極端氣溫指數(shù)的模擬上，優(yōu)選模式集合平均與觀測值的誤差明顯低于所有模式的集合平均。所以，在對遼寧地區(qū)未來極端溫度的預(yù)估以及相關(guān)研究中，選擇優(yōu)選模式集合可以使結(jié)果可行性得到一定提高，增加研究的可信度。

圖10 31個模式集合平均（1）和優(yōu)選模式集合平均（2）模擬1971?2010年遼寧地區(qū)各極端氣溫指數(shù)多年平均值的誤差百分率

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

利用1971?2010年遼寧地區(qū)地面氣象臺站觀測的氣溫數(shù)據(jù)，選用平均最高（低）氣溫、霜凍日數(shù)、夏日日數(shù)、最高（低）氣溫極大（小）值和極端氣溫范圍指數(shù)表征極端溫度事件的變化，評估了31個CMIP5統(tǒng)計降尺度模式對遼寧省極端氣溫指數(shù)的模擬能力。

（1）就指數(shù)而言，各模式模擬極端氣溫指數(shù)時間變率的效果要優(yōu)于空間變化。具體而言，各模式模擬氣溫平均特征的空間分布效果較好，模擬連續(xù)的極端氣溫事件和氣溫的極端特征的空間分布中，模擬低溫相關(guān)指數(shù)效果一般，模擬高溫相關(guān)指數(shù)效果較差；除ETR指數(shù)外，其他6個指數(shù)的時間變率模擬效果較好，尤其是模擬極端氣溫平均特征和連續(xù)極端氣溫事件的指數(shù)，M2值小于0.1。

（2）由于模式對全年各極端氣溫指數(shù)的排名無一致性，分別計算SS指標和M2指標的MR評級排名可知，對全年各極端氣溫指數(shù)綜合的空間模擬效果前三名的模式分別為FIO-ESM、MPI-ESM-LR及MIROC5，對時間模擬效果前三名的模式分別為CESM1-CAM5、FIO-ESM及GISS-E2-R。進一步分析四季的極端指數(shù)模擬能力排名，對各季節(jié)尺度的極端氣溫指數(shù)綜合的空間模擬效果前三名的模式分別為MPI-ESM-LR、MIROC5及CMCC-CM，而時間模擬效果前三名的模式分別為GFDL-ESM2G、NorESM1-M及BCC-CSM1-1-m。

（3）由各模式基于SS指數(shù)以及M2指數(shù)的全年、四季MR綜合排名可以看出，基于同一評估指標的全年和4季模擬能力的排名差異性較大，基于不同評估指標的同一時間段的排名也有不同，因此需要進一步進行評估。模式空間、時間模擬能力綜合排名表明，MPI-ESM-LR、GFDL-ESM2M和MIROC- ESM-CHEM對極端氣溫指數(shù)的時空綜合模擬能力均較強。因此，將這3個模式作為本研究的優(yōu)選模式。

（4）由所有模式和優(yōu)選模式的集合平均模擬結(jié)果相對于觀測值的誤差百分率可以看到，優(yōu)選模式集合平均模擬各極端氣溫指數(shù)的誤差明顯低于所有模式的集合平均。

3.2 討論

（1）MPI-ESM-LR、GFDL-ESM2M和MIROC- ESM-CHEM對遼寧地區(qū)極端氣溫指數(shù)的模擬能力較強，而蔣帥等[9，20]認為全國極端氣溫的優(yōu)選模式為BCC-CSM1.1、Can ESM2和CCSM4，這與本研究結(jié)果有一定差異，原因一是選取的研究區(qū)域差異，以往研究多以全國為研究區(qū)域，消除了區(qū)域間的誤差，本研究以遼寧地區(qū)為研究區(qū)域進行評估，得到的優(yōu)選模式可以更好地為遼寧地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及風(fēng)險評估等提供參考，二是選取的評估指標不同。但所有研究均表明[5?9，12?17]，相比于所有集合模式平均，優(yōu)選模式集合平均的模擬能力有一定程度的提高。

（2）雖然優(yōu)選模式可以在一定程度上減少模式的模擬偏差，但優(yōu)選模式集合的不確定性依舊存在[21]。氣候模式本身存在較大的不確定性，模式的物理參數(shù)化過程、氣候強迫、模式分辨率以及排放情景設(shè)計等存在差異，對氣候變化的模擬性能也有較大不同[12，22]。在未來的工作中，可以通過提高分辨率和改進動力過程提高氣候模式本身的模擬能力，如目前進行的新一代全球模式（CMIP6）[23]，也可以通過降尺度等方法[24?25]，盡可能降低這種不確性。

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Evaluation of the Ability of Statistical Downscaling Dataset from the CMIP5 Global Climate Models to Extreme Temperature Indices over Liaoning Province

PANG Jing-yi1,2, LIU Bu-chun1, LIU Yuan1, QIU Mei-juan1, WANG Ke-yi1

(1. Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, CAAS/National Engineering Laboratory of Efficient Crop Water Use and Disaster Reduction/Key Laboratory of Agricultural Environment, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100081, China; 2. Yingkou Meteorological Bureau, Yingkou Liaoning, 115001 )

Liaoning Province is one of the main grape production areas in China. Due to the increasing of temperature and the frequent occurrence of extreme temperature, it has a noticeable impact on the planting and production of grapes in Liaoning. Based on extreme temperature indices, Global Climate Models(GCM) are evaluated and the model with the best simulation effect in the study area are selected. It is helpful to improve the accuracy of future climate resource and disaster risk analysis. In this paper, the observation meteorological daily data during 1971?2010 was used, including 32 stations across Liaoning Province. 31 models in the CMIP5 climate downscaling dataset were assessed the simulation performance about the spatio-temporal variation characteristics of the extreme temperature indices in Liaoning Province (yearly and seasonally). And the locations of the meteorological stations were completely consistent with that of the model stations. After using SS/M2 indices and MRcomprehensive rating, the best model was selected. Seven extreme temperature indices, including mean maximum temperature(TXm), mean minimum temperature(TNm), frost days(FD0), summer days (SU25), minimum minimum temperature(TNn), maximum maximum temperature(TXx) and the range of extreme temperatures(ETR), were adopted to investigate the change of extreme temperature. There were the following conclusions: for the indices representing the characteristics of mean temperature, the performance of all models were better and closest to the observed values; For the indices representing continuous extreme temperature events, the simulated results of all models were ordinary; And for indices representing extreme temperature, the simulation results were very different from the observation values. Since there was no consistency in the ranking of extreme temperature indices among the different time and space scales, the three models with the best simulation ability were MPI-ESM-LR, GFDL-ESM2M and MIROC-ESM-Chem introduced by MR index. The three models were the first choice in this paper. Comparing the error, the results of the preferred model ensemble averages were significantly better than that of others. It is helpful to use the selected models to predict the future change of agricultural climate resources and to analyze disaster risks across Liaoning Province. It can help seek advantages and avoid disadvantages and reduce disaster losses.

Climate downscaling dataset from CMIP5;Liaoning; Extreme temperature index; Model evaluation; Optimal selection models

10.3969/j.issn.1000-6362.2021.05.001

龐靜漪,劉布春,劉園,等.CMIP5全球氣候模式統(tǒng)計降尺度數(shù)據(jù)對遼寧省極端氣溫模擬能力評估[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2021,42(5):351-363

2020?11?06

國家重點研發(fā)計劃“重大自然災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與防范”重點專項（2017YFC1502804）

劉布春，研究員，從事農(nóng)業(yè)氣象及災(zāi)害風(fēng)險評估研究，E-mail：liubuchun@caas.cn

龐靜漪，E-mail：464040668@qq.com