CMIP5模式對南海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)值模擬重點實驗室，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。整個南海幾乎被大陸、半島和島嶼所包圍，主要通過巴士海峽、臺灣海峽和馬六甲海峽等與太平洋和印度洋相通，對我國航運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對南海夏季風(fēng)的爆發(fā)［3—4］、過境臺風(fēng)強度和路徑［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。政府間氣候變化專門委員會第四次評估報告（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。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在未來會進一步發(fā)生變化［10］。

全球氣候系統(tǒng)模式是進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第五次評估報告（AR5）提供數(shù)據(jù)支持。與以前的模式比較計劃相比，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)方面也進行了一些改進［11］。目前世界上最先進的氣候模式大都參加了這個比較計劃，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，利用氣候模式進行未來氣候變化情景預(yù)估，應(yīng)首先檢驗?zāi)Ｊ綄v史氣候變化的模擬能力。在第三部分，我們評估了各模式對南海歷史SST的模擬能力。根據(jù)這些評估，我們在第四部分分析了CMIP5模式在不同排放情景下南海SST未來百年的變化趨勢。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)果進行分析。相比而言，參加RCP60試驗的模式較少，本文沒有對這種排放路徑試驗進行分析。由于各個模式提交了試驗集合結(jié)果，本文主要選用了集合數(shù)為r1i1p1的試驗?zāi)M結(jié)果。據(jù)此，本文共選用了20個研究機構(gòu)的32個模式（表1）進行分析。

表1 本文采用的CMIP5模式情況及各模式歷史模擬試驗對南海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)，來計算SST的時間變化趨勢。

3 氣候模式對歷史SST模擬能力的評估

全球氣候系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，雖然CMIP5與以前的氣候模式比較計劃相比取得了很大的進展，但由于涉及的物理過程、反饋機制及次網(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，與觀測結(jié)果之間也存在一定的偏差。另外，CMIP5模式是為了評估全球氣候變化而設(shè)計的，部分模式對局部區(qū)域的模擬可能會存在一些問題。在利用CMIP5模式進行區(qū)域氣候變化研究時，應(yīng)對各模式對該區(qū)域歷史變化的模擬能力進行檢驗，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，沒有包括這兩個模式。南海位于熱帶，終年高溫，季節(jié)變化相對較小，南海北部觀測的年平均SST約為23～25℃，中部26～27℃，南部27～28℃ （圖1）。圖2顯示30個模式模擬的1870—2005年間南海氣候態(tài)年平均SST相對于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個模式中，有27個模式區(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。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。在此期間，各模式模擬結(jié)果之間的偏差相對較小，且大部分模式都能模擬出這種增溫趨勢。

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

（氣候態(tài)參考時段為1986—2005年，各數(shù)據(jù)已進行5點平滑處理）

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

20世紀(jì)70年代以前，HadISST1數(shù)據(jù)顯示南海SST以年際到年代際時間尺度的變化為主，沒有表現(xiàn)出明顯的增溫趨勢。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，觀測的SST均方差σ為0.23℃。在這些模式中，有9個模式的均方差超過觀測值的1／3，其中，均方差最大的模式是MIROC5，約為觀測值的2倍，這意味著這個模式模擬的SST年際到年代際變化的幅度與觀測相比明顯偏大。在這9個模式中，有6個模式模擬的20世紀(jì)70年代之后SST的增溫趨勢過大或過小（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變化趨勢評估

目前，氣候模式對全球以及區(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，一個可信的氣候模式應(yīng)能夠較好地再現(xiàn)觀測的歷史氣候變化。上一部分檢驗了各模式對南海歷史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，但也有部分模式與觀測存在較大的偏差。有幾個模式對20世紀(jì)70年代以后南海SST增溫趨勢的模擬能力較差，另有幾個模式SST年際到年代際變化的模擬能力較差，這兩個問題都可能會影響對未來南海SST變化的評估［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個模式（詳見表1），利用其余模式評估不同排放情景下南海SST在未來百年的變化趨勢。

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

總體來說，在這3種排放情景下，南海SST增溫趨勢在空間變化不大（見圖8），這可能是因為這種增溫趨勢主要是南海在氣候變暖背景下對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迫的時間變化密切相關(guān)［14］。在前兩種排放情景下，21世紀(jì)前期的增溫趨勢明顯強于后期。其中，在RCP26情景下，多模式集合平均的SST在2006—2050年間的增溫趨勢為1.15℃／（100 a），其后，SST略有下降，變化趨勢為－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)后期的增溫趨勢明顯強于前期，在這種排放情景下，21世紀(jì)前期的增溫趨勢為2.52℃／（100 a），但在后期高達3.67℃／（100 a）。

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

5 討論

氣候模式對歷史SST增溫趨勢和年代際變化的模擬能力會影響對未來排放情境下增溫趨勢的評估［13］。根據(jù)各模式對歷史SST增溫趨勢和均方差的模擬能力，我們對各模式進行了檢驗。圖9顯示了未通過檢驗的模式在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。與通過檢驗的模式相比（見圖7），大部分未通過檢驗的氣候模式所預(yù)估的未來百年南海SST變化趨勢明顯偏大或偏小。

在這些模式中，增溫趨勢最大的是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），明顯超過通過檢驗的模式。通過檢驗這兩個氣候模式對歷史過程的模擬，可以發(fā)現(xiàn)這兩個模式所模擬的南海SST歷史增溫趨勢與觀測相比明顯偏小（見圖4），年際到年代際時間尺度的變化偏大（見圖5），其中，GFDL－CM3模擬的1979—2005年間的增溫趨勢為－0.02℃／（100 a），與觀測相反。有幾個模式預(yù)估的RCP排放情境下增溫趨勢明顯偏小（見圖9）。仔細(xì)考察這幾個模式發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)IO－ESM和INMCM4模擬的歷史增溫趨勢與觀測相比偏小（見圖4）；而 GISS－E2－R 和 GISS－E2－H 水平分辨率較粗糙。

MIROC5預(yù)估的增溫趨勢在RCP26情景下偏大；GFDL－ESM2 M預(yù)估的增溫趨勢在RCP85情景下偏小；CESM1－CAM5在RCP26和RCP45情景下預(yù)估的增溫趨勢都偏大；FGOALS－s2預(yù)估的增溫趨勢在RCP26情景下偏小，在RCP85下偏大（見圖9）。這可能與這4個模式SST年際到年代際時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變化趨勢的分布［單位：℃／（100 a）］

盡管這些未通過檢驗的氣候模式所預(yù)估的未來百年南海SST變化趨勢明顯偏大或偏小，增加了模擬的不確定性，但它們對多模式集合平均的影響較弱。在本文收集的32個模式中，有24個進行了RCP26情景預(yù)估，31個進行了RCP45情景預(yù)估，32個進行了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 增溫趨勢分別為0.49、1.45和3.22℃／（100 a），與通過檢驗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

6 結(jié)論

南海對我國天氣和氣候系統(tǒng)，以及航運和能源安全等有非常重要的影響。在全球變暖背景下，南海氣候也會發(fā)生明顯的變化，準(zhǔn)確了解和預(yù)估這些變化對制定相應(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CMIP5氣候模式，分析了這些模式對南海歷史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。

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。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分別為0.42、1.50和3.30℃／（100 a），略大于全球平均的趨勢。這些增溫趨勢在空間變化不大，但隨時間并不是均勻變化的。在前兩種排放情景下，21世紀(jì)前期的增溫趨勢明顯強于后期，多模式集合平均的增溫趨勢分別達到1.15和1.85℃／（100 a）；在RCP85情景下，21世紀(jì)后期的增溫趨勢高達3.67℃／（100 a），明顯強于前期。

盡管CMIP5包含了目前世界上絕大部分最先進的氣候模式，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，部分模式對南海SST的歷史增溫趨勢和年際到年代際變化的模擬能力較差。盡管它們對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，本文模擬能力評估只是對南海SST而言，對于其他海域或者全球而言，評估結(jié)果可能會完全不同。

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