CMIP5模式對(duì)青藏高原中東部夏季降水雙極型模擬能力的評(píng)估

李斐斐，劉朝暉

(1.中國(guó)人民解放軍軍事科學(xué)院防化研究院，北京 102205； 2.山東省氣象臺(tái)，山東 濟(jì)南 250031)

引言

青藏高原(the Tibetan Plateau,TP)是中國(guó)最大、世界海拔最高的高原，被稱為“世界屋脊”和“第三極”，其平均海拔在4 000 m以上，為東亞、東南亞和南亞許多大河流的發(fā)源地[1-3]。在全球變化的大背景下，青藏高原不僅是最為敏感的區(qū)域之一，其同時(shí)也可以對(duì)全球氣候變化產(chǎn)生重要影響，成為氣候變化的啟張器和調(diào)節(jié)器。該區(qū)域的氣候變化不僅可以直接驅(qū)動(dòng)中國(guó)東部和西南部地區(qū)氣候的變化，而且對(duì)北半球具有巨大的影響，甚至對(duì)全球的氣候變化也具有明顯的敏感性、超前性和調(diào)節(jié)性[4-6]。尤其是占全年降水量60%～70%的青藏高原區(qū)域夏季降水[7]，會(huì)影響該區(qū)域的熱力狀況以及全球水循環(huán)，這會(huì)直接影響到亞洲夏季風(fēng)系統(tǒng)的強(qiáng)弱，進(jìn)而對(duì)東亞和南亞地區(qū)的夏季降水變化產(chǎn)生影響。因此對(duì)青藏高原區(qū)域夏季降水時(shí)空變化的研究具有重要意義。

由于青藏高原區(qū)域復(fù)雜的地理?xiàng)l件，對(duì)該區(qū)域降水的準(zhǔn)確觀測(cè)十分困難，氣候模式成為研究青藏高原氣候變化的重要工具之一[8-10]，因此需要準(zhǔn)確評(píng)估氣候模式對(duì)該區(qū)域降水的模擬能力，這對(duì)模式模擬的誤差歸因以及進(jìn)一步的模式改進(jìn)工作具有重要意義。目前我國(guó)學(xué)者在評(píng)估氣候模式對(duì)降水的模擬效果時(shí)，研究區(qū)域大多集中在東亞或者整個(gè)中國(guó)[11-14]，而對(duì)青藏高原區(qū)域降水時(shí)空變化模擬效果的評(píng)估較少，僅有部分學(xué)者評(píng)估耦合模式對(duì)青藏高原東南部降水[15-17]或?qū)?0°E以東的青藏高原東部降水作為一個(gè)整體[18]的模擬效果，或在耦合模式對(duì)全球降水的評(píng)估中僅少量提及對(duì)青藏高原區(qū)域降水的模擬效果[13,19-21]。結(jié)果[22]表明，由于模式分辨率的限制以及物理參數(shù)化方案的不準(zhǔn)確等原因，目前數(shù)值模式對(duì)該區(qū)域的降水模擬存在很大的偏差。

值得注意的是，青藏高原東北部和東南部夏季降水大致以唐古拉山脈(35°N)為界，表現(xiàn)為東北部和東南部降水存在反位相的雙極型變化關(guān)系[23]，而這種反位相的時(shí)空差異也體現(xiàn)在青藏高原區(qū)域夏季降水經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(empirical orthogonal function, EOF)分解的前兩個(gè)主模態(tài)，可以明顯反映出青藏高原中東部夏季降水的局地變化特征[24]。并且，這種反位相的變化關(guān)系十分穩(wěn)定，是年際尺度上青藏高原夏季降水的主要模態(tài)，即偶極振蕩的蹺蹺板結(jié)構(gòu)[25-26]。從物理機(jī)制上來看，在耦合的氣候系統(tǒng)模式中，青藏高原中東部夏季降水的雙極型特征與春季北大西洋地區(qū)三極型海溫具有很好的相關(guān)性，北大西洋地區(qū)的海溫異常通過激發(fā)定常波傳播E-P(Eliassen-Palm)通量對(duì)下游青藏高原地區(qū)的夏季降水產(chǎn)生影響[27]。因此對(duì)青藏高原區(qū)域降水的評(píng)估工作需要綜合考慮該區(qū)域降水的南北差異，而青藏高原單一子區(qū)域的降水評(píng)估工作或全區(qū)統(tǒng)一的評(píng)估工作無法全面展示模式對(duì)該區(qū)域降水的綜合模擬效果。另外，目前對(duì)青藏高原中東部夏季降水雙極型模擬效果的模式評(píng)估工作尚屬空白。

基于此，本文綜合評(píng)估47個(gè)參與第五次耦合模式比較計(jì)劃(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5，CMIP5)的耦合模式對(duì)青藏高原中東部夏季降水雙極型的模擬效果，評(píng)估工作主要針對(duì)EOF分解的前兩個(gè)主模態(tài)。首先對(duì)用于評(píng)估的耦合模式以及觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)要說明，并對(duì)評(píng)估方法進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，然后給出47個(gè)CMIP5模式的主要評(píng)估結(jié)果，最后對(duì)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行總結(jié)和討論。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

降水觀測(cè)數(shù)據(jù)來自于“中國(guó)國(guó)家級(jí)地面氣象站基本氣象要素日值數(shù)據(jù)集”，該套數(shù)據(jù)集包含了國(guó)家基本氣象站、國(guó)家基準(zhǔn)氣候站、一般氣象站在內(nèi)的主要2 474個(gè)站點(diǎn)1951年1月以來地面基本氣象要素逐日觀測(cè)數(shù)據(jù)。從2 474個(gè)站點(diǎn)中選取青藏高原區(qū)域海拔高度在1 500 m以上，且1961—2005年記錄連續(xù)的130個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)氣象站的夏季(6—8月)站點(diǎn)觀測(cè)值，剔除明顯異常值且將逐日數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為逐月數(shù)據(jù)。由于青藏高原西部的站點(diǎn)觀測(cè)稀少，因此本文的評(píng)估工作集中在88°E以東的青藏高原中東部地區(qū)。用于比較的數(shù)據(jù)來自于提交CMIP5歷史模擬試驗(yàn)的47個(gè)耦合模式1961—2005年的模擬結(jié)果，模式結(jié)果來自于http://www.ipcc-data.org/sim/gcm_monthly/AR5/Reference-Archive.html，評(píng)估時(shí)選取這些模式所有集合成員平均的結(jié)果。47個(gè)模式的基本信息如表1所示。由于這47個(gè)模式的水平分辨率不同，為了便于評(píng)估，將47個(gè)模式的模擬結(jié)果統(tǒng)一插值到1°×1°分辨率的網(wǎng)格上。并且，由于青藏高原中東部夏季降水的雙極型特征與春季北大西洋地區(qū)三極型海溫具有很好的相關(guān)性，模式對(duì)北大西洋地區(qū)三極型海溫的模擬效果越好，則該模式對(duì)青藏高原中東部夏季降水雙極型特征的模擬效果也越好。因此，本文在表1的第四列中給出了CMIP5各模式與HadISST分析資料[28]中北大西洋三極型海溫的相關(guān)系數(shù)。

表1 用于評(píng)估的47個(gè)CMIP5模式的基本信息

1.2 方法

由于本文研究的青藏高原東南部和東北部的夏季降水為EOF分解的結(jié)果，站點(diǎn)觀測(cè)中EOF分解第一模態(tài)(EOF1)的方差貢獻(xiàn)為23.49%，第二模態(tài)(EOF2)的方差貢獻(xiàn)為14.01%，而第三模態(tài)(EOF3)的方差貢獻(xiàn)僅為8.95%且并不表現(xiàn)為雙極型分布型態(tài)，因此主要關(guān)注分解后前兩個(gè)主模態(tài)的空間型態(tài)、時(shí)間系數(shù)以及方差貢獻(xiàn)這三個(gè)方面，并采用多種指標(biāo)來評(píng)估模式的模擬效果。TAYLOR[29]在2001年提出了一種基于相關(guān)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行評(píng)估的綜合指標(biāo)S評(píng)分，其定義形式為：

(1)

式(1)中R表示模式和觀測(cè)的相關(guān)系數(shù)，SDR表示模式與觀測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)差的比值[30]。該綜合指標(biāo)S評(píng)分的范圍在0～1之間，并且數(shù)值越接近于1，說明模式的模擬效果越好。

對(duì)于EOF1和EOF2的空間型態(tài)而言，

(2)

式(2)中Ssp表示空間型態(tài)的綜合指標(biāo)S評(píng)分，Rsp表示模式與觀測(cè)的空間相關(guān)系數(shù)，SDRsp表示模式與觀測(cè)的空間標(biāo)準(zhǔn)差的比值。Ssp數(shù)值越接近于1，說明該模式對(duì)空間型態(tài)的綜合模擬效果越好。

同理，對(duì)于EOF1和EOF2的時(shí)間系數(shù)而言，

(3)

式(3)中Sts表示時(shí)間系數(shù)的綜合指標(biāo)S評(píng)分，Rts表示模式與觀測(cè)的時(shí)間相關(guān)系數(shù)，SDRts表示模式與觀測(cè)的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差的比值。Sts數(shù)值越接近于1，說明該模式對(duì)時(shí)間系數(shù)的綜合模擬效果越好。而對(duì)于EOF1和EOF2的方差貢獻(xiàn)而言，模式的方差貢獻(xiàn)Dmod與觀測(cè)的方差貢獻(xiàn)Dobs的差值的絕對(duì)值越小，表示該模式對(duì)方差貢獻(xiàn)的模擬效果越好。

在綜合指標(biāo)Ssp和Sts評(píng)分的基礎(chǔ)上定義了一個(gè)新的指標(biāo)Snew來進(jìn)一步定量評(píng)估47個(gè)CMIP5模式對(duì)空間型態(tài)、時(shí)間系數(shù)和方差貢獻(xiàn)的綜合模擬能力，其具體定義形式為：

(4)

在該定義下，式(4)結(jié)果越接近于0，表示該模式對(duì)空間型態(tài)、時(shí)間系數(shù)和方差貢獻(xiàn)的綜合模擬效果越好。

2 結(jié)果

2.1 EOF1降水“北少南多”時(shí)空特征的模擬效果

圖1 1961—2005年青藏高原中東部站點(diǎn)觀測(cè)夏季降水的EOF1空間型態(tài)(a；色階表示EOF分解得到的特征向量值，下同)以及47個(gè)CMIP5模式EOF1空間型態(tài)的綜合指標(biāo)Ssp評(píng)分(b)Fig.1 Spatial pattern of EOF1 mode of summer precipitation observation at stations over the central and eastern TP from 1961 to 2005 (a; the color scale represents the eigenvector using the EOF technique, the same hereafter) and corresponding Ssp with 47 CMIP5 models (b)

圖1給出了觀測(cè)的1961—2005年青藏高原中東部夏季降水EOF1的空間型態(tài)以及47個(gè)CMIP5模式EOF1的綜合指標(biāo)Ssp評(píng)分。觀測(cè)主要表現(xiàn)為大致以35°N為界的東北部和東南部降水反位相的變化特征(圖1a)。大多數(shù)模式可以分解出這種反位相的空間分布型態(tài)，尤其是對(duì)青藏高原東南部夏季降水的模擬效果優(yōu)于東北部。47個(gè)CMIP5模式EOF1的空間相關(guān)系數(shù)在0.162～0.850之間，其中空間相關(guān)系數(shù)最大的是CMCC-CMS模式，最低的是HadGEM2-ES模式，大約有70%(32/47)的CMIP5模式EOF1的空間相關(guān)系數(shù)高于0.3。由綜合指標(biāo)Ssp評(píng)分(圖1b)來看，得到的Ssp評(píng)分的排名情況與空間相關(guān)系數(shù)基本一致，CMCC-CMS和MPI-ESM-LR模式對(duì)EOF1空間型態(tài)的綜合模擬效果較好，HadGEM2-ES和IPSL-CM5B-LR模式對(duì)EOF1空間型態(tài)的綜合模擬效果較差。

由EOF1的時(shí)間系數(shù)(圖2)來看，觀測(cè)主要表現(xiàn)為20世紀(jì)70年代初期的下降趨勢(shì)以及20世紀(jì)90年代初期的上升趨勢(shì)(圖2a)。但是，大多數(shù)模式無法表現(xiàn)出這種明顯的年代際轉(zhuǎn)折的變化趨勢(shì)，47個(gè)CMIP5模式與觀測(cè)時(shí)間系數(shù)的相關(guān)系數(shù)在-0.691(GISS-E2-H-CC)～0.719(CNRM-CM5)之間，只有28%(13/47)的CMIP5模式EOF1時(shí)間系數(shù)的相關(guān)系數(shù)通過了95%的信度檢驗(yàn)，接近64%(30/47)的CMIP5模式時(shí)間序列的相關(guān)系數(shù)為負(fù)值。由相應(yīng)的綜合指標(biāo)Sts評(píng)分(圖2b)來看，IPSL-CM5B-LR模式對(duì)EOF1時(shí)間系數(shù)的綜合模擬效果最好，但是其對(duì)EOF1空間型態(tài)的綜合模擬效果卻較差，而GISS-E2-H-CC和CMCC-CM模式對(duì)EOF1的時(shí)間系數(shù)幾乎沒有模擬技巧。

圖2 1961—2005年青藏高原中東部站點(diǎn)觀測(cè)夏季降水的EOF1時(shí)間系數(shù)(a，黑線表示11 a滑動(dòng)平均)以及47個(gè)CMIP5模式EOF1時(shí)間系數(shù)的綜合指標(biāo)Sts評(píng)分(b)Fig.2 Time coefficients of EOF1 mode of summer precipitation observation at stations over the central and eastern TP from 1961 to 2005 (a, the black line represents 11-year running average) and corresponding Sts with 47 CMIP5 models (b)

圖3 模式與觀測(cè)之間1961—2005年青藏高原中東部夏季降水EOF1空間型態(tài)偏差的模式間EOF分析第一模態(tài)的空間型態(tài)(a)及其時(shí)間系數(shù)(b)Fig.3 Spatial pattern (a) and corresponding time coefficient (b) of the first inter-model EOF mode of deviations of summer precipitation EOF1 spatial pattern over the central and eastern TP from 1961 to 2005 between models and station observation

為了得到47個(gè)CMIP5模式對(duì)EOF1的主要模擬偏差，本文采用模式間EOF分析方法。模式間EOF分析方法與傳統(tǒng)EOF時(shí)空分解方法不同，其主要關(guān)注CMIP5各模式間具有最大貢獻(xiàn)的模擬偏差[31-32]，模式間EOF分析的第一主模態(tài)和第二主模態(tài)的分解結(jié)果如圖3和圖4所示。第一主模態(tài)的方差貢獻(xiàn)為31.979%，從中可以看出，主要表現(xiàn)為在32°N以南的東西向模擬偏差(圖3a)。從相應(yīng)的時(shí)間系數(shù)中可以看出，NorESM1-M、IPSL-CM5A-MR和GISS系列模式得到的這種東西向模擬偏差最為明顯；相反，CanCM4、MIROC-ESM-CHEM、MPI-ESM-P和MRI-CGCM3得到的這種東西向模擬偏差較小(圖3b)。模式間EOF分析的第二主模態(tài)(方差貢獻(xiàn)為22.473%)表現(xiàn)為47個(gè)CMIP5模式間較為一致的全區(qū)模擬偏差(圖4a)，并且這種模擬偏差主要集中在35°N以南。從相應(yīng)的時(shí)間系數(shù)中可以看出，INMCM4、HadGEM2-AO、FGOALS-g2和NorESM1-M模式表現(xiàn)為較大的負(fù)模擬偏差；MIROC-ESM-CHEM、MIROC-ESM、ACCESS1-3和BNU-ESM模式表現(xiàn)為較大的正模擬偏差(圖4b)。然而，CCSM4、FIO-ESM、BCC-CSM1-1、CESM1-CAM5、CMCC-CMS和ACCESS1-0得到的這種全區(qū)一致的模擬偏差較小。

圖4 模式與觀測(cè)之間1961—2005年青藏高原中東部夏季降水EOF1空間型態(tài)偏差的模式間EOF分析第二模態(tài)的空間型態(tài)(a)及其時(shí)間系數(shù)(b)Fig.4 The same as Fig.3, but for the second mode

可以看出，選擇不同指標(biāo)進(jìn)行模式評(píng)估時(shí)得到的評(píng)估結(jié)論不同，因此需要采用一個(gè)綜合指標(biāo)來評(píng)估模式對(duì)空間型態(tài)、時(shí)間系數(shù)以及方差貢獻(xiàn)的綜合模擬效果。從綜合評(píng)估指標(biāo)Snew中得到的評(píng)分排名前15和后15名的模式如表2所示，其中MIROC-ESM、HadGEM2-CC、ACCESS1-0、MIROC-ESM-CHEM和IPSL-CM5A-MR模式的綜合模擬效果較好，但是GISS系列模式、CESM1-CAM5和MPI-ESM-LR模式的綜合模擬效果較差。并且，從表1中可以看出，對(duì)青藏高原中東部夏季降水EOF1綜合模擬效果較好(較差)的模式其春季北大西洋地區(qū)三極型海溫的模擬相關(guān)系數(shù)也相對(duì)較高(較低)，尤其是GISS系列模式，其得到的春季北大西洋地區(qū)三極型海溫的相關(guān)系數(shù)基本為負(fù)值。

表2 根據(jù)模式在模擬1961—2005年青藏高原中東部夏季降水EOF1時(shí)的綜合評(píng)估指標(biāo)Snew得到的排名前15名和后15名的模式排名情況

2.2 EOF2降水“北多南少”時(shí)空特征的模擬效果

圖5給出了觀測(cè)的1961—2005年青藏高原中東部夏季降水EOF2的空間型態(tài)(圖5a)以及47個(gè)CMIP5模式對(duì)EOF2空間型態(tài)的綜合指標(biāo)Ssp評(píng)分(圖5b)。觀測(cè)中EOF2的空間型態(tài)也表現(xiàn)為該區(qū)域夏季降水東北部和東南部反位相的變化特征，但是位相與EOF1正好相反，表現(xiàn)為大致在35°N以南的負(fù)位相以及以北的正位相。整體來看，模式對(duì)EOF2空間型態(tài)的整體模擬效果差于EOF1。例如，MIROC4h、MIROC5、EC-Earth、CNRM-CM5-2和GISS系列模式幾乎無法表現(xiàn)出EOF2反位相的變化型態(tài)；MIROC-ESM、ACCESS1-3、CMCC-CM和CESM1-CAM5模式模擬得到的青藏高原東南部的負(fù)位相范圍小于觀測(cè)，而MPI-ESM-P卻顯著高估了東南部負(fù)位相的范圍和強(qiáng)度；對(duì)于東北部，INMCM4、IPSL-CM5A-LR、IPSL-CM5A-MR和HadGEM2-CC模式明顯高估了降水的強(qiáng)度，MIROC-ESM、ACCESS1-3、ACCESS1-0和HadGEM2-ES表現(xiàn)出明顯的位置和強(qiáng)度的模擬偏差(圖略)。由空間相關(guān)系數(shù)來看，空間相關(guān)系數(shù)在-0.569～0.745之間，其中IPSL-CM5B-LR的空間相關(guān)系數(shù)最大，GFDL-CM3的空間相關(guān)系數(shù)最小。由EOF2空間型態(tài)的綜合評(píng)估指標(biāo)Ssp來看，評(píng)估結(jié)論與空間相關(guān)系數(shù)也基本一致，IPSL-CM5B-LR和MIROC-ESM-CHEM模式對(duì)EOF2空間型態(tài)的綜合模擬效果較好，GFDL-CM3和CMCC-CESM模式對(duì)EOF2空間型態(tài)的綜合模擬效果較差。

圖5 1961—2005年青藏高原中東部站點(diǎn)觀測(cè)夏季降水的EOF2空間型態(tài)(a)以及47個(gè)CMIP5模式EOF2空間型態(tài)的綜合指標(biāo)Ssp評(píng)分(b)Fig.5 The same as Fig.1, but for EOF2 mode

圖6 1961—2005年青藏高原中東部站點(diǎn)觀測(cè)夏季降水的EOF2時(shí)間系數(shù)(a，黑線表示11 a滑動(dòng)平均)以及47個(gè)CMIP5模式EOF2時(shí)間系數(shù)的綜合指標(biāo)Sts評(píng)分(b)Fig.6 The same as Fig.2, but for EOF2 mode

圖6給出了EOF2相應(yīng)的時(shí)間系數(shù)，其變化趨勢(shì)與EOF1的時(shí)間系數(shù)相反，表現(xiàn)為20世紀(jì)70年代初期的上升趨勢(shì)和20世紀(jì)90年代初期的下降趨勢(shì)(圖6a)。但是大多數(shù)模式無法很好地抓住這種變化特征，MIROC、IPSL和MRI系列模式甚至無法表現(xiàn)出明顯的變率特征，而INMCM4、CMCC-CESM、ACCESS1-0、CSIRO-Mk3-6-0、HadCM3、HadGEM2-CC、GISS-E2-H-CC、CESM1-WACCM、NorESM1-ME、BNU-ESM、MPI-ESM-MR和CCSM4模式表現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)。FGOALS-g2模式可以大致表現(xiàn)出這種變化趨勢(shì)，但是轉(zhuǎn)折點(diǎn)落后觀測(cè)大約5 a。由47個(gè)CMIP5模式的時(shí)間系數(shù)與觀測(cè)的相關(guān)系數(shù)來看，其中只有11個(gè)模式的相關(guān)系數(shù)通過了95%的信度檢驗(yàn)，其中FIO-ESM的相關(guān)系數(shù)最高。由EOF2時(shí)間系數(shù)的綜合評(píng)估指標(biāo)Sts(圖6b)來看，有近乎一半的模式對(duì)EOF2的時(shí)間系數(shù)幾乎沒有模擬能力，其Sts的數(shù)值幾乎為0，但是FIO-ESM模式對(duì)EOF2時(shí)間系數(shù)的綜合模擬效果具有明顯優(yōu)勢(shì)，其綜合評(píng)估指標(biāo)Sts評(píng)分很高。

利用模式間EOF分析方法，從其得到的EOF1(圖7)可以看出，青藏高原中東部夏季降水的第二主模態(tài)也主要表現(xiàn)為在35°N以南的東西向模擬偏差，由相應(yīng)的時(shí)間系數(shù)可以看出，GISS-E2-R、IPSL-CM5A-LR、ACCESS1-3和HadGEM2-ES模式的該種模擬偏差相對(duì)較小，而MIROC-ESM-CHEM、CanESM2、CMCC-CESM、CanCM4和MIROC5的該種模擬偏差相對(duì)較大。由其得到的EOF2(圖8)可以看出，第二種主要的模擬偏差位于青藏高原的中東部地區(qū)，并集中在30°～35°N之間。從相應(yīng)的時(shí)間系數(shù)中可以看出，CanCM4、IPSL-CM5B-LR、CMCC-CMS和CESM1-FASTCHEM的該種模擬偏差相對(duì)較小，而MPI-ESM-P、EC-Earth、ACCESS1-3和GFDL-CM2.1的該種模擬偏差相對(duì)較大。

圖7 模式與觀測(cè)之間1961—2005年青藏高原中東部夏季降水EOF2空間型態(tài)偏差的模式間EOF分析第一模態(tài)的空間型態(tài)(a)及其時(shí)間系數(shù)(b)Fig.7 Spatial pattern (a) and corresponding time coefficient (b) of the first inter-model EOF mode of deviations of summer precipitation EOF2 spatial pattern over the central and eastern TP from 1961 to 2005 between models and station observation

圖8 模式與觀測(cè)之間1961—2005年青藏高原中東部夏季降水EOF2空間型態(tài)偏差的模式間EOF分析第二模態(tài)的空間型態(tài)(a)及其時(shí)間系數(shù)(b)Fig.8 The same as Fig.7, but for the second mode

從綜合評(píng)估指標(biāo)Snew中得到的EOF2評(píng)分排名前15名和后15名的模式如表3所示，從中可以看出，F(xiàn)IO-ESM、HadGEM2-AO和MIROC-ESM-CHEM模式的綜合模擬能力相對(duì)較好，而CMCC-CESM、MPI-ESM-MR和GFDL-CM3的綜合模擬能力相對(duì)較差。結(jié)合EOF1的綜合評(píng)估結(jié)果，MIROC-ESM-CHEM模式對(duì)EOF1和EOF2的綜合模擬效果較好，GISS-E2-R模式對(duì)EOF1和EOF2的綜合模擬效果較差。MIROC-ESM-CHEM模式的分辨率雖然不是最高的，但是其模擬效果在本文的評(píng)估指標(biāo)中表現(xiàn)最佳，其原因可能為該模式是跨行業(yè)影響模式國(guó)際比較計(jì)劃(ISI-MIP)中用于氣候變化與極端氣候研究的全球模式之一，其參數(shù)符合各種影響模型需求[33-34]，其對(duì)北大西洋地區(qū)三極型海溫的模擬效果也相對(duì)較好，并且MIROC-ESM-CHEM模式對(duì)肯尼亞[35]和中國(guó)黃河流域[36]降水的模擬效果也較好。GISS-E2-R模式的EOF1和EOF2的綜合評(píng)估指標(biāo)Ssp和Sts均較低且對(duì)EOF1方差貢獻(xiàn)的模擬結(jié)果(64.40%)明顯偏離觀測(cè)，且其對(duì)北大西洋地區(qū)三極型海溫的模擬效果也相對(duì)較差，導(dǎo)致其在本文的評(píng)估指標(biāo)中綜合模擬效果較差。

表3 根據(jù)模式在模擬1961—2005年青藏高原中東部夏季降水EOF2時(shí)的綜合評(píng)估指標(biāo)Snew得到的排名前15名和后15名的模式排名情況

3 小結(jié)

本文評(píng)估了參與CMIP5歷史模擬試驗(yàn)的47個(gè)模式對(duì)青藏高原中東部夏季降水EOF分解前兩個(gè)模態(tài)的模擬效果，并定義了一個(gè)新的評(píng)估指標(biāo)Snew來定量評(píng)估模式對(duì)EOF分解前兩個(gè)模態(tài)的空間型態(tài)、時(shí)間系數(shù)以及方差貢獻(xiàn)的綜合模擬效果。

評(píng)估結(jié)果表明，由空間型態(tài)來看，大多數(shù)模式可以表現(xiàn)出大致以35°N為界的EOF1“北少南多”以及EOF2“北多南少”的空間型態(tài)，但是存在降水強(qiáng)度和位相的模擬偏差。由模式間EOF分析的結(jié)果來看，在35°N以南的東西向模擬偏差是最主要的模擬偏差，其次表現(xiàn)為全區(qū)一致的模擬偏差，但是EOF1的全區(qū)一致的模擬偏差主要集中在35°N以南，EOF2的主要集中在30°～35°N之間。由時(shí)間系數(shù)來看，大多數(shù)模式對(duì)時(shí)間系數(shù)的模擬效果差于空間型態(tài)，不能表現(xiàn)出觀測(cè)中降水模態(tài)在20世紀(jì)70年代和20世紀(jì)90年代的年代際轉(zhuǎn)折。在47個(gè)模式中，只有13(11)個(gè)模式的EOF1(EOF2)時(shí)間系數(shù)的相關(guān)系數(shù)通過了95%的信度檢驗(yàn)。從不同方面進(jìn)行評(píng)估得到的評(píng)估結(jié)論不同，因此本文接著定義了一個(gè)同時(shí)考慮空間型態(tài)、時(shí)間系數(shù)以及方差貢獻(xiàn)的綜合指標(biāo)Snew來評(píng)估模式對(duì)EOF1和EOF2的綜合模擬效果。對(duì)于EOF1，MIROC-ESM、HadGEM2-CC、ACCESS1-0、MIROC-ESM-CHEM和IPSL-CM5A-MR模式的綜合模擬效果較好，但是GISS系列模式、CESM1-CAM5和MPI-ESM-LR模式的綜合模擬效果較差。對(duì)于EOF2，F(xiàn)IO-ESM、HadGEM2-AO和MIROC-ESM-CHEM模式的綜合模擬能力相對(duì)較好，而CMCC-CESM、MPI-ESM-MR和GFDL-CM3模式的綜合模擬能力相對(duì)較差。由EOF1和EOF2的綜合評(píng)估結(jié)果來看，MIROC-ESM-CHEM模式對(duì)EOF1和EOF2的綜合模擬效果較好，GISS-E2-R模式對(duì)EOF1和EOF2的綜合模擬效果較差。

但是，本文也有三點(diǎn)主要不足。首先，定義的綜合評(píng)估指標(biāo)Snew基于等權(quán)重的空間型態(tài)、時(shí)間系數(shù)以及方差貢獻(xiàn)，如果要著重考慮其中的某一方面，應(yīng)加入權(quán)重。其次，僅從該模式對(duì)春季北大西洋地區(qū)三極型海溫的模擬效果的角度來分析其對(duì)青藏高原中東部雙極型降水模擬效果的好壞，未來可以通過例如增加模式分辨率以及耦合資料同化等方式，改進(jìn)耦合模式對(duì)北大西洋地區(qū)海溫的模擬效果，進(jìn)而提升該模式對(duì)青藏高原中東部夏季降水的模擬效果。最后，由于青藏高原西部觀測(cè)資料匱乏，本評(píng)估工作僅限于青藏高原中東部地區(qū)，隨著未來氣象觀測(cè)站數(shù)量的增加，如果青藏高原西部地區(qū)有足夠的觀測(cè)站點(diǎn)，未來應(yīng)進(jìn)一步將青藏高原西部地區(qū)納入評(píng)估工作之中。